چگونه بالن های استراتوسفر در آسمان حرکت می کنند

ایستگاه‌های سکوی ارتفاع بالا (HAPS) ابزارهای مؤثری برای ارتباطات و نظارت هستند، زیرا آنها در استراتوسفر و معمولاً در حدود 12 مایل (20 کیلومتر) بالای زمین، بسیار نزدیک‌تر از ماهواره‌ها عمل می‌کنند. دو نوع HAPS وجود دارد: HAPS سبک تر از هوا (LTA) مانند بالون های ارتفاع بالا و HAPS سنگین تر از هوا (HTA) مانند هواپیماهای بال ثابت.

به گزارش تکناک LTA-HAPS عموماً بالن‌های بدون سرنشین و با انرژی خورشیدی هستند که از گازهایی مانند هیدروژن یا هلیوم که سبک‌تر از هوا هستند برای حفظ شناوری استفاده می‌کنند. اما، آنها متکی به باد هستند و روشی که LTA-HAPS موقعیت خود را حفظ می کند، متکی بر یک تعامل پیچیده بین پدیده های طبیعی و هوش مصنوعی است.

HAPS انعطاف پذیری هواپیما را با استقامت ماهواره ها ترکیب می کند. به همین دلیل، آنها می توانند برای ارتباطات سربار مانند خدمات تلفن و اینترنت یا پخش ایستگاه های رادیویی، و همچنین برای رصد زمین و جمع آوری اطلاعات نظامی، شناسایی و نظارت (IRS) استفاده شوند.

Loon، یکی از شرکت‌های تابعه Alphabet Inc  به منظور ارائه اتصال به اینترنت از استراتوسفر (stratosphere : layer of the atmosphere) به مکان‌های صعب العبور دنیا، نه سال را با همکاری Google Brain برای توسعه فناوری LTA-HAPS صرف کرد تا به این هدف دست یابد.

برای ارائه این نوع خدمات، تکیه بر بالون های خورشیدی، بدون ملخ و بدون سرنشین، چالش های آشکاری وجود دارد.

اولین مشکل  دراین زمینه آب و هوا است که نمی توان آن را کنترل کرد. بالون باید بتواند در درازمدت در برابر بادهای شدید و نوسانات شدید دما مقاومت کند و در عین حال ارتباط پایدار با زمین زیرین برقرار کند. تکیه تنها بر پیش بینی های آب و هوایی نیز می تواند خطرناک باشد، زیرا اغلب اشتباه هستند.

علاوه بر این، بالون منبع انرژی نامحدودی ندارد. این بستگی به خورشید دارد که هم برای ناوبری و هم برای ارتباطات نیرو فراهم کند، بنابراین اگر بالونی که باد شده است را بخواهیم در مسیر خود اصلاح کنیم به انرژی زیادی نیاز داریم.

مارلوس ماچادو، دانشمند تحقیقاتی، بخشی از تیمی بود که این فناوری را توسعه داد تا اطمینان حاصل شود که بالون کاری را که برای انجام آن طراحی شده بود، با بیشترین کارایی انجام می‌داد.

ماچادو گفت: ما می خواهیم بالون در یک موقعیت خاص قرار گیرد. با این حال، گرفتاری وجود دارد. مشکل این بالون ها این است که ملخ ندارند. تنها راهی که آنها می‌توانند در استراتوسفر حرکت کنند،استفاده از بادها است.

ماچادو به روشی اشاره می‌کند که بالون قدرت، ارتفاع و جهت باد را برای حفظ مکان مورد نظر  به نام ایستگاه نگه‌داری یا سفر به مکان جدید مهار می‌کند.

این بالن ها به اندازه یک زمین تنیس بزرگ هستند. در استراتوسفر بادها در جهات مختلف در ارتفاعات و سرعت‌های مختلف می‌وزند و از نظر کنترل حرکت خود، بالون به دو جهت بالا و پایین محدود می‌شود.

ماچادو گفت: مفهوم این است که شما مقداری گاز سبک تر از هوا در داخل بالون دارید، به این معنی که اگر بالون را به تنهایی رها کنید، بالون خواهد رفت.

اگر می خواهید بالون پایین برود و فرود بیاید تنها کاری که باید انجام دهید این است که هوا را به داخل بالون پمپ کنید. زیرا بالن حجم ثابتی دارد، و به این معنی که برای حجم ثابت سنگین‌تر می شود.

وارد کردن یک گاز سبک تر از هوا به محفظه در داخل بالون باعث می شود که بالن به سمت جریان باد مورد نیاز و موقعیت صحیح بالا برود. اگر بالون نیاز به پایین آمدن داشته باشد تا بتواند توسط باد در جهت دیگری حمل شود، هوای محیط به داخل یک پاکت ثابت که به عنوان وزنه تعادل عمل کند دمیده شود. در غیر اینصورت یک دریچه سوپاپ روی محفظه بالن LTA باز می شود و از این طریق مقداری گاز دفع می شود تا بالون سنگین تر شود.

محققان یک هوش مصنوعی یادگیری تقویتی برای به دست آوردن کنترل روی این مانور محدود،  ایجاد کردند که به رفتارهای بالون پاداش می داد. یک شبیه ساز، پیش بینی های آب و هوا را با داده های واقعی هواشناسی و یک فرآیند گاوسی ترکیب میکند تا بهترین پیش بینی کننده باد را ارائه دهد. اگر بالون درست پاسخ می داد، پاداش می گرفت. اما گاهی باد پیروز می شود.

ماچادو گفت: گاهی اوقات کاری نمی توانید انجام دهید. اگر بادها به نفع شما نیستند، کاری نمی توانید انجام دهید جز اینکه صبر کنید تا بادهای خوب ظاهر شوند.

در نهایت، این تحقیق موفقیت آمیز بود. در سال 2017، این تیم به دنبال سیل در پرو و طوفان بزرگ در پورتوریکو، بالن ها را برای اتصال اضطراری به صدها هزار نفر هدایت کرد.

متأسفانه، سال‌ها توسعه فعالیت بسیار پرهزینه‌ای بود و در سال 2021، Loon پس از تعطیلی شرکت، کار بر روی LTA-HAPS خود را متوقف کرد.

سایر شرکت‌ها این پوشش را انتخاب کرده‌اند و به توسعه LTA-HAPS خود برای استفاده در ارتباطات اضطراری، بازیابی بلایا، ارائه شبکه‌های بی‌سیم خصوصی و پوشش گسترده فراساحلی ادامه داده‌اند.