Una novedosa sonda equipada con láser obtiene mediciones en ambientes geoquímicos de profundidades marinas que antes parecían imposibles de recopilar, guiando el camino hacia exploraciones futuras de otros mundos oceánicos.
This is an authorized translation of an Eos article. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.
17 de Octubre: Este artículo se ha actualizado para añadir contexto y referencias sobre desarrollos previos de tecnologías de espectroscopia para exploración subacuática.
El océano profundo continúa siendo nuestra frontera local. Hemos cartografiado la Luna, Marte e incluso Venus con más detalle que nuestro propio fondo oceánico. Por ejemplo, mientras el fondo marino esta mapeado globalmente a una resolución de alrededor de 5 kilómetros [Sandwell et al., 2014] y alrededor del 25% ya cuenta con un mapeo de aproximadamente 100 m de resolución, la superficie de la Luna ha sido recientemente mapeada en su totalidad a una resolución aproximada de 2 metros [Fortezzo et al., 2020]. Aparte de la escasez de batimetría detallada, aún se desconoce mucho sobre la composición, estructura, dinámica, biología y otros aspectos del fondo marino.
Caracterizar el fondo oceánico requiere superar innumerables desafíos técnicos e ingenieriles. Por ejemplo, a la profundidad media del fondo oceánico, que es de 3,682 metros, la luz no penetra, la presión hidrostática es aproximadamente 370 veces la presión atmosférica, y las temperaturas descienden a unos 4°C [por ejemplo, Ramirez-Llodra et al., 2010; Liu et al., 2021, 2022]. La falta de luz dificulta la navegación y las observaciones visuales tanto para los vehículos tripulados como para los operados remotamente (ROVs por sus siglas en inglés), y la presión y las bajas temperaturas pueden ser muy perjudiciales para los instrumentos sensibles.
En 2023, científicos-incluidos nosotros-probamos tecnología de punta de exploración submarina diseñada para superar tales desafíos. Del 16 de mayo al 13 de junio, el equipo viajó al Arrecife Kingman y al Atolón Palmira, aproximadamente a medio camino entre las islas Hawai y Samoa Americana, una zona aislada y poco explorada. Allí, montamos el Divebot de Análisis In-situ de Fumarolas para Investigación Exobiológica, o InVADER, en un ROV y lo enviamos a las profundidades para obtener las primeras observaciones de este tipo. Este instrumento puede analizar rápidamente la composición del agua del mar, así como de las rocas, sedimentos y organismos del fondo marino, obteniendo información tan rápido como se mueve el ROV y permitiendo estudios eficientes de grandes áreas.
El proyecto InVADER adopta el concepto de llevar el laboratorio a sitios de interés, en lugar de tomar instantáneas del medio al recolectar muestras para analizarlas en el laboratorio. De esta forma, la tecnología ofrece una novedosa forma de explorar y caracterizar el fondo oceánico. También puede representar un prototipo para sistemas que algún día podrían explorar los océanos de lunas heladas como Encélado y Europa, los cuales los científicos han identificado como sitios que potencialmente podrían albergar vida.
Espectroscopia láser bajo el mar
InVADER consta de una carga útil integrada de imagen y espectroscopia que incluye las tecnologías Raman y fluorescencia nativa inducida por láser (LINF, por sus siglas en inglés). Las mediciones Raman y LINF se realizan dirigiendo la luz de un sistema láser dual que emite luz en las longitudes de onda verde y ultravioleta (UV) a un objetivo de interés. La espectroscopia Raman consiste en detectar los cambios en la energía de la luz que se dispersa desde el objetivo, y la LINF consiste en detectar la fluorescencia emitida por el objetivo a medida que los electrones excitados por el láser, vuelven a su estado fundamental.
Estas técnicas se usan comúnmente para identificar minerales y moléculas en una variedad de aplicaciones, incluidas la geoquímica y la medicina. Sin embargo, aún no se han utilizado de forma sólida en la exploración del fondo oceánico, donde podrían permitir mediciones in situ y en tiempo real de minerales, compuestos orgánicos y iones disueltos en el fondo del mar y en la columna de agua. El despliegue de InVADER en la primavera de 2023, se basó en las investigaciones anteriores y en los despliegues de ROV de tecnologías de espectroscopia de corto y largo trayecto (esto es, remota o espectroscopia a distancia), utilizadas en la exploración submarina [por ejemplo, Brewer et al., 2004, 2019; White et al., 2006; Zhang et al., 2011, 2012].
Los trabajos submarinos anteriores consistieron en el despliegue de una sonda Raman que emitía y recibía luz cerca de las superficies objetivo [por ejemplo, Zhang et al., 2017]. Este enfoque permite la detección de señales relativamente fuertes, mientras que las mediciones Raman a distancia típicas, deben detectar señales que se debilitan con la distancia desde el objetivo. Sin embargo, el Raman a distancia permite a los científicos realizar mediciones remotamente y explorar ambientes y muestras que están fuera del alcance del ROV que transporta la instrumentación, una característica increíblemente poderosa.
La idea del diseño personaliza y de bajo costo de InVADER, es decir, el combinar espectroscopia Raman y la fluorescencia a distancia y operarlo a distancias relativamente grandes del material objetivo, pretende tanto mejorar las capacidades de tomar mediciones detalladas in-situ y en tiempo real, como facilitar la recolección de datos en áreas más grandes de las que era posible con sistemas anteriores.
Realizar mediciones Raman y de fluorescencia a distancia en las profundidades marinas no es tarea fácil. A medida que la luz láser viaja a través de la columna de agua, es absorbida parcialmente antes de llegar a la muestra. También puede encontrar partículas en el agua, que pueden dispersar la luz y producir señales fluorescentes que dificultan las mediciones. Además, el movimiento de la plataforma del ROV durante las mediciones puede provocar la degradación de la señal. Por lo tanto, las mediciones a distancia in situ tienen relaciones señal/ruido bajas y una fluorescencia de fondo más alta.
Antes de enviar InVADER -producto de una colaboración entre múltiples instituciones-al fondo del mar, probamos su rendimiento y viabilidad de uso en tal entorno en las instalaciones del laboratorio de Impossible Sensing, una pequeña empresa con sede en St. Louis, que se dedica a desarrollar tecnología de detección remota para ambientes extremos. Las instalaciones nos permitieron realizar un experimento, llevando a InVADER a detectar una serie de estándares minerales y orgánicos, en el aire y en aguas de distinta composición, a distancias de hasta 7 metros.
Realizar la prueba implicó superar unos desafíos poco convencionales. Por ejemplo, cuando InVADER llegó a la sede de Impossible Sensing -en ese entonces ubicada en una antigua construcción de una iglesia- y se encendió por primera vez, ocurrió un apagón en todo el vecindario. (No está claro si este apagón fue una coincidencia o si quizás resultó de una demanda eléctrica sustancial por parte de InVADER). Afortunadamente, el apagón no causó ningún daño, pero sí se requirió realizar ciertos ajustes en las instalaciones del laboratorio, para evitar que esto volviera a ocurrir. La inclinación del piso de la antigua construcción también supuso un desafío, y llevó un tiempo contemplarla y alinear correctamente el láser de InVADER.
Con estos inconvenientes resueltos, las pruebas posteriores de InVADER dentro y fuera del agua, implicaron cambiar la distancia focal y optimizar la relación señal/ruido para distintas condiciones. En total, tomó unos meses lograr la preparación para el despliegue en campo.
Llevando el laboratorio a campo
En mayo de 2023, partimos de Hawaii en el crucero NA149 del E/V°Nautilus. Desplegamos el divebot laser InVADER en seis de las 16 inmersiones del ROV Hércules, con profundidades de despliegue que oscilaban entre 1,087 y 3,111 metros [Wagner et al., 2024]. Antes de cada inmersión, cartografiamos el fondo marino con un sonar multihaz para localizar las áreas objetivo de nuestro estudio.
Elegimos la cima de un guyot sin nombre -un monte submarino de cima plana- localizado a 1,226 metros de la superficie, como el objetivo de la primera inmersión (Figura 1). Para verificar el desempeño de InVADER durante el descenso, recogimos los espectros Raman y LINF del agua del mar cada 50 metros hasta una profundidad de 300 metros y, cada 100 metros, por debajo de ella.
Algunos de los primeros espectros recogidos mostraron una fuerte señal de agua e indicaron la presencia de nieve marina (carbono orgánico que desciende a través de la columna de agua), así como de sulfato. Estos resultados confirmaron que los láseres Raman y de fluorescencia funcionaban bajo el agua como se esperaba. Los siguientes espectros mostraron una disminución de carbono orgánico con el aumento de la profundidad, siendo acorde una vez más, con lo esperado.
Durante las cinco inmersiones restantes, obtuvimos una serie de logros ingenieriles y científicos de importancia en la validación de la flexibilidad y utilidad de InVADER en la exploración submarina. Por ejemplo, cuando el blanco de calibración original para los láseres verde y el UV resultó ser insuficiente ante las bajas temperaturas y la larga duración de los despliegues, desarrollamos en el momento un nuevo blanco de calibración, utilizando polietileno de alta densidad que funcionó bajo las duras condiciones de las inmersiones. Así mismo, realizamos ajustes de ingeniería para corregir los problemas electrónicos que resultaban de las bajas temperaturas. También probamos la distancia focal de los láseres, entre 3 y 10 metros, encontrando que la mejor distancia remota para recoger espectros óptimos es 4 metros.
Detectamos un incremento de fluorescencia del agua del mar con el aumento de la profundidad durante la tercera inmersión de InVADER, tendencia que puede ser atribuible al incremento en la salinidad. Estas mediciones fueron particularmente sorprendentes e inicialmente inesperadas. La fluorescencia ha sido sugerida previamente, como una forma de medir la salinidad in situ, pero tal aspecto no ha sido demostrado [Simis et al., 2012; Stirchak et al., 2019]. Las mediciones de seguimiento en el laboratorio nos permitirán resolver y entender mejor nuestras observaciones de incremento en la fluorescencia.
Luego de un exhaustivo perfilamiento de la columna de agua, el equipo enfocó su atención en explorar el fondo oceánico pendiente arriba de otro guyot local (Figura 2). Los rasgos detectados por los instrumentos de InVADER, parecían corresponder a cuarzo microcristalino y, de forma intermitente, a pigmentos y señales orgánicas de esponjas y de material detrítico. La recolección de estas observaciones es histórica, en cuanto a que, es la primera vez que un espectrómetro a distancia, se ha usado in situ in en una exploración tipo rover en el fondo del océano de la Tierra. Además, la capacidad de realizar estas mediciones mientras este está en movimiento, es muy prometedor para futuros estudios de mineralogía económica y caracterizaciones ambientales de referencia.
Futuras exploraciones en la Tierra y en Otros Mundos Oceánicos
El despliegue de InVADER en 2023 demostró la capacidad que tiene esta tecnología de acelerar la recuperación y la interpretación de información de mineralogía, de la química de la columna de agua, y de los materiales orgánicos en el océano. Un uso más amplio de la tecnología en el futuro, tiene el potencial de producir grandes volúmenes de datos de observaciones a distancia en campo y de permitir el monitoreo a largo plazo de los cambios biogeoquímicos en los desafiantes ambientes de las profundidades del mar. También podría informar y guiar los procesos de recolección de muestras, así como de documentar ampliamente los entornos donde se obtienen.
Además de sus innovaciones tecnológicas y científicas, un aspecto destacado del programa InVADER es que aprovecha y se alinea con los esfuerzos de múltiples agencias federales de los Estados Unidos, de mapear y explorar el océano, incrementar la literatura oceánica, y caracterizar el fondo marino oceánico. Este también es un ejemplo de colaboración eficaz entre instituciones de investigación y el sector privado que apoya a las pequeñas empresas.
El despliegue reciente de InVADER destaca aún más el potencial beneficio científico de usar este tipo de carga útil en campañas de exploración planetaria en otros mundos oceánicos, como Encélado o Europa. Se considera que estos lugares poseen océanos de agua debajo de sus cortezas heladas, que podrían albergar los componentes químicos fundamentales sobre los que está basada la vida, o incluso albergar la vida misma, y ocupan un lugar destacado en la lista de destinos deseados de los científicos para la futura exploración robótica. Tecnología como la de InVADER podría determinar exactamente, qué minerales, moléculas y otros materiales están presentes en estos océanos extraterrestres. Sin duda, se necesitaría un mayor desarrollo para adaptar la instrumentación al viaje espacial y a las condiciones extremas de otros mundos. Pero el éxito de InVADER hasta ahora, sugiere que podría ser un prometedor punto de partida para este desarrollo.
¿Qué viene para InVADER? Dentro los próximos años, la plataforma explorará las fumarolas hidrotermales negras. Estos tentadores objetivos son el soporte de una amplia diversidad de organismos y con frecuencia son considerados oasis de vida en el fondo marino. Son también estructuras dinámicas sensibles a la actividad geológica (por ejemplo, erupciones volcánicas submarinas) y pueden haber sido sitios importantes para los orígenes de la química prebiótica en la Tierra primitiva.
Los proyectos propuestos para seguir perfeccionando a InVADER incluyen llevarlo a mayores profundidades dentro del océano, para probar su rendimiento bajo condiciones cada vez más extremas, e incorporar espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS por sus siglas en inglés) a sus capacidades Raman y de fluorescencia. La adición de la LIBS le permitirá a InVADER medir simultáneamente la composición mineralógica y elemental de materiales objeto como rocas y compuestos orgánicos, proporcionando ilustraciones más ricas y completas de su composición.
Con estos esfuerzos en curso, anticipamos que InVADER ayudará a revelar nuevos conocimientos sobre nuestra frontera local en la Tierra y, un día, sobre las fronteras más allá de nuestro planeta.
Agradecimientos
El proyecto InVADER está financiado por la subvención 80NSSC18K1651 de la NASA para la Ciencia Planetaria y Tecnología de la Investigación Analógica (PSTAR). El Instituto Cooperativo de Exploración Oceánica (OECI) de la NOAA y el Programa de Minerales Marinos de la Oficina de Gestión de la Energía Oceánica aportaron fondos adicionales para desarrollar y desplegar la tecnología. La expedición NA149 del Fideicomiso de Exploración Oceánica (Nautilus) fue financiada por la exploración oceánica de la NOAA a través del OECI. Parte de este trabajo fue financiado por la NASA con la subvención 80NSSC20K0228 a L.M.B. y R.E.P. y se llevó a cabo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) del Instituto de Tecnología de California. Este proyecto se ha llevado a cabo con la colaboración de varias instituciones y asociaciones que han trabajado estrechamente durante varios años. Damos las gracias a todos los científicos e ingenieros de Impossible Sensing LLC, el JPL de la NASA, el Instituto SETI, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington, la Exploración Oceánica de la NOAA a través de la Universidad del Sur de Mississippi y el Instituto de Exploración Oceánica, el Programa de Minerales Marinos de la Oficina de Gestión de la Energía Oceánica, la Universidad del Sur de California, la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, la Universidad de Southampton, la Universidad de Hawai, el Instituto Lunar y Planetario, el Oak Crest Institute of Science, el Citrus College, Honeybee Robotics, el Servicio Geológico de Bélgica y la tripulación del E/V Nautilus del Fideicomiso de Exploración Oceánica. Los autores también desean reconocer y honrar las contribuciones a la misión InVADER por parte de Jan Amend, profesor de las Ciencias de la Tierra y biológicas de la Universidad del Sur de California, quien falleció inesperadamente a principios de este año. Él fue un miembro excepcionalmente valioso del equipo InVADER y su muerte fue una pérdida increíblemente grande para la biología marina, para la oceanografía y para las comunidades geobiológicas tanto en los Estados Unidos como alrededor del mundo. Enviamos nuestras condolencias a la familia de Jan Amend, a sus allegados, a quienes tuvieron el honor de trabajar con él.
Referencias
Fortezzo, C. M., P. D. Spudis, and S. L. Harrel (2020), Release of the digital unified global geologic map of the Moon at 1:5,000,000-scale, paper presented at 51st Lunar and Planetary Science Conference, Lunar and Planet. Inst, The Woodlands, Texas, https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/2760.pdf.
Liu, Q., et al. (2021), Development of an easy-to-operate underwater Raman system for deep-sea cold seep and hydrothermal vent in situ detection, Sensors, 21(15), 5090, https://doi.org/10.3390/s21155090.
Liu, Q., et al. (2022), Underwater Raman microscopy—A novel in situ tool for deep-sea microscale target studies, Front. Mar. Sci., 9, https://doi.org/10.3389/fmars.2022.1018042.
Ramirez-Llodra, E., et al. (2010), Megabenthic diversity patterns and community structure of the Blanes submarine canyon and adjacent slope in the northwestern Mediterranean: A human overprint?, Mar. Ecol., 31, 167–182, https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2009.00336.x.
Sandwell, D. T., et al. (2014), New global marine gravity model from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure, Science, 346, 65–67, https://doi.org/10.1126/science.1258213.
Simis, S. G. H., et al. (2012), Optimization of variable fluorescence measurements of phytoplankton communities with cyanobacteria, Photosynthesis Res., 112, 13–30, https://doi.org/10.1007/s11120-012-9729-6.
Stirchak, L. T., et al. (2019), Differences in photochemistry between seawater and freshwater for two natural organic matter samples, Environ. Sci. Processes Impacts, 21, 28–39, https://doi.org/10.1039/C8EM00431E.
Wagner, D. (Ed.) (2024), The Ocean Exploration Trust 2023 field season, Ocean Exploration Trust, 94 pp., https://doi.org/10.62878/vud148.
Zhang, X., et al. (2017), Development of a new deep-sea hybrid Raman insertion probe and its application to the geochemistry of hydrothermal vent and cold seep fluids, Deep Sea Res., Part I, 123, 1–12, https://doi.org/10.1016/j.dsr.2017.02.005.
Información sobre los autores
Anastasia G. Yanchilina (ayanchil@caltech.edu), Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena; Laura E. Rodriguez, Lunar and Planetary Institute, Houston; Roy Price, Stony Brook University, Stony Brook, N.Y.; Laura M. Barge, NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena; and Pablo Sobron, Impossible Sensing LLC, St. Louis
This translation by Daniela Hernández Vargas (@DanielaH1696) was made possible by a partnership with Planeteando y GeoLatinas. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando y GeoLatinas.