Para abordar este desafío, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática Ming Hsieh, junto con colaboradores de todo el mundo, desarrollaron un nuevo prototipo de lo que el equipo llama "Radar de sondeo aerotransportado para la exploración del subsuelo del desierto de Acuíferos", apodado "Desierto-MAR".

La nueva técnica mapeará la parte superior del acuífero, llamado nivel freático, abarcando áreas de hasta cientos de kilómetros utilizando un radar montado en un avión de gran altitud. Según los investigadores, Desert-SEA medirá, por primera vez, las variabilidades en la profundidad del nivel freático a gran escala, lo que permitirá a los científicos del agua evaluar la sostenibilidad de estos acuíferos sin las limitaciones asociadas con el mapeo in situ en entornos hostiles e inaccesibles.

"Comprender cómo se mueven horizontal y verticalmente las aguas subterráneas poco profundas es nuestro principal objetivo, ya que nos ayuda a responder varias preguntas sobre su origen y evolución en los vastos y duros desiertos. Estas son preguntas que siguen sin respuesta hasta el día de hoy", dice Heggy, científico investigador de USC, que se especializa en teledetección por radar de desiertos y autor principal del artículo que describe la tecnología en la IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine .

Cómo funciona

La técnica utiliza un radar de baja frecuencia para sondear el suelo. El radar envía una serie de ondas pulsadas al suelo, que se reflejan al interactuar con la capa saturada de agua. A partir de la señal reflejada, y utilizando un conjunto de antenas avanzadas combinadas con técnicas computacionales, se puede mapear el nivel freático con una resolución vertical y espacial relativamente alta.

Cuando se obtienen imágenes, un nivel freático estable generalmente aparece como un reflector plano, ya que las cantidades de agua extraída y la cantidad de agua que ingresa al sistema (su "recarga") son casi iguales. Sin embargo, si hay algún desequilibrio, esto se reflejará en la imagen resultante mostrando una desviación hacia arriba o hacia abajo en la forma del nivel freático.

Una técnica similar se utiliza ampliamente para sondear el hielo en la Antártida y los cuerpos planetarios; sin embargo, adaptarlo para detectar acuíferos poco profundos en los desiertos requirió resolver varios desafíos en el diseño del radar, lo que requirió tres años de arduo trabajo con socios de la industria en Carlsbad, California, para resolverlo.

"En particular, tuvimos que resolver la zona ciega cerca de la superficie. El terreno que atenua el radar, las fuentes de ruido no cuantificadas y los obstáculos complejos pueden enmascarar la detección de acuíferos poco profundos. Las capacidades de sondeo y reconocimiento de nuestro sistema superan las de los sistemas comerciales de penetración terrestre. radares, ya sean de superficie o montados en drones, nuestro sistema transmite señales más potentes, tiene receptores más sensibles y funciona más rápido en varios órdenes de magnitud", afirma Heggy.

Los mapas actuales de aguas subterráneas poco profundas en varias partes de desiertos áridos, como el Sahara, se basan en datos de pozos que están separados por decenas, cientos y, a veces, incluso miles de kilómetros, lo que podría conducir a estimaciones inexactas de su volumen y dinámica.

Heggy sugiere que esto sería como encontrar datos sobre el agua subterránea en todo Estados Unidos mirando únicamente los datos de un pozo en Nueva Jersey. (La zona desértica del norte de África y la Península Arábiga es dos veces más grande que los Estados Unidos continentales). Por lo tanto, los registros de pozos por sí solos no pueden dar una evaluación adecuada de su rápida evolución, advierte Heggy.

Según los investigadores, la capacidad de Desert-SEA para transmitir señales de alta potencia y utilizar procesamiento avanzado a bordo puede llenar los vacíos en los datos presentados por la distribución geográfica de los registros de pozos.

Con este nuevo prototipo, Heggy predice que incluso con un pequeño avión volando a 320 kilómetros por hora, el equipo podría cubrir en una hora lo que los investigadores normalmente cubrirían en un año a partir de datos de registros de pozos.

El coautor Bill Brown fue el ingeniero principal del proyecto. Brown dice:"El Radar del Mar del Desierto representa un avance significativo en la detección aérea y la ingeniería ambiental. Al integrar el radar de alta frecuencia con tecnologías de inteligencia artificial, puede generar mapeos tridimensionales en tiempo real de fuentes de agua subterránea. Esta capacidad es crucial para asegurar la gestión sostenible del agua en las regiones áridas."

Si bien esta tecnología se probará en Medio Oriente, tiene una amplia aplicación en otros lugares sujetos a sequías prolongadas, especialmente en Asia central y Australia, e incluso en los desiertos de Estados Unidos.

Esta tecnología funciona mejor en zonas muy secas como la arena y su particular importancia va más allá de comprender el suministro de agua actual. También se puede implementar en evaluaciones repetidas para comprender la sostenibilidad de la agricultura y, en consecuencia, garantizar la seguridad alimentaria de los habitantes de estos entornos extremos.

"Tener la capacidad de mirar a más de 100 pies de profundidad a través de arena seca, a través de vastos desiertos y en un tiempo récord, nos permitirá responder preguntas fundamentales sobre el flujo y reflujo del agua subterránea en estas regiones y cómo podemos usarla de una manera forma más sostenible", afirmó Elizabeth Palmer, becaria Fulbright que trabaja en el proyecto.

"Siempre me alegro de participar en misiones de investigación aérea. Sin embargo, como la misión Desert-SEA tendrá un impacto humanitario al aliviar el estrés hídrico, me produce una sensación única de motivación y orgullo", Akram Amin Abdellatif, investigador del Instituto Técnico. Toma nota de la Universidad de Munich (TUM).

El siguiente paso del equipo de investigación es tomar este prototipo diseñado y construir un modelo de vuelo para implementarlo en helicópteros y aviones de ala fija.