ICARUS vola

Il sistema basato sulla stazione spaziale internazionale (ISS) per la ricerca sul comportamento migratorio di una varietà di specie animali è entrato in funzione. Per il trasferimento dei dati viene utilizzata la tecnologia radio di Rohde & Schwarz.

I partecipanti al progetto hanno dovuto superare molte difficoltà prima di poter festeggiare l'inizio delle attività regolari di ICARUS. Come direttore dell’Istituto Max Planck per il comportamento animale a Radolfzell, Germania, il professor Martin Wikelski è l'ideatore e la mente di questo progetto. L'idea di osservare gli animali dallo spazio gli è venuta circa 20 anni fa. Da allora ha lavorato diligentemente per portare a compimento il progetto. Le frequenti battute d'arresto hanno messo alla prova la sua tolleranza alla frustrazione. Persino il nome del progetto testimonia il cupo umorismo di Wikelski: la NASA, non interessata, aveva previsto che il progetto non avrebbe mai volato - proprio come il mitologico Icaro fu condannato dalle sue ambizioni di volo. Anche l'agenzia spaziale europea ESA ha rifiutato di sostenere il progetto. Tuttavia, grazie all'agenzia spaziale russa Roskosmos (uno dei principali operatori della ISS) e al Centro Aerospaziale Tedesco (DLR), questo moderno ICARUS ha potuto finalmente prendere il volo. Il nome è stato trasformato in un acronimo che si adatta a questo serio progetto: International Cooperation for Animal Research Using Space.

Dall'utopia alla realtà

Naturalmente, l'idea originale era sia audace, sia (dalla nostra prospettiva attuale) irrealizzabile usando la tecnologia dei primi anni 2000. Era qualcosa che avrebbe reso orgoglioso un autore di fantascienza: l'idea che migliaia di minuscoli computer a energia solare, caricati con sensori e moduli radio, potessero comunicare autonomamente con un satellite nello spazio da qualsiasi punto della terra e formare un "internet degli animali".

Tuttavia, i rapidi progressi nella miniaturizzazione dell'elettronica e dei sensori, così come nelle batterie e nelle celle solari, sono stati sufficienti per trasformare questa utopia in realtà negli ultimi anni. INRADIOS, una piccola startup specializzata in comunicazioni satellitari, che era stata appena fondata da ricercatori post-dottorato a Dresda, ricevette l'impegnativo compito di progettare le radio per l'ambizioso sistema. Erano supportati da esperti nel campo della tecnologia spaziale della società SpaceTech e del DLR. Ora membro del gruppo Rohde & Schwarz, INRADIOS sta lavorando per sviluppare ulteriormente la tecnologia ICARUS in stretta collaborazione con l'Istituto Max Planck (MPIAB). Rohde & Schwarz è responsabile della produzione delle radio.

Tenere d'occhio gli animali

La condizione più importante per la fattibilità di un trasmettitore animale (tag) è che la specie in studio deve tollerare di indossare il tag. Come raccomandato dai comitati etici, il tag non dovrà superare il 3% del peso corporeo dell'animale, per evitare di influenzare il comportamento dell'animale o addirittura metterlo in pericolo. Dato che era anche previsto di dotare di tag i piccoli animali, i limiti superiori per le dimensioni e il peso erano molto difficili da rispettare. I localizzatori basati su rete radio mobile o tecnologie analogiche, che erano comuni a quel tempo, erano esclusi per gli animali sotto 1 kg, il che significa che il 75% di tutte le specie di uccelli e mammiferi non poteva essere studiato. Il merlo è stato scelto dal MPIAB come animale di riferimento a causa dell'attenzione a lungo termine su questo uccello canterino all'interno del programma di osservazione. I prototipi del tag ICARUS sono stati verificati prevalentemente su questi uccelli apparentemente familiari, ma il cui comportamento migratorio solleva ancora domande che potrebbero trovare risposta solo attraverso un monitoraggio continuo. Con un peso di 4,5 g, la versione più leggera del tag è appena sufficiente per il merlo, supponendo che il suo uso sia limitato agli esemplari maschi adulti. Per tutte le altre specie che devono essere dotate di un trasmettitore secondo l'attuale pianificazione ICARUS, la raccomandazione è facilmente soddisfatta.

Insieme alla tecnologia radio e di localizzazione, i tag contengono sensori multipli e una memoria sufficiente per memorizzare il movimento e i dati ambientali di un singolo animale durante tutta la sua vita (vedere box alla pagina seguente). Fino a 20 serie di dati di posizione sono trasmessi alla ISS durante ogni passaggio dall'alto, che generalmente avviene ogni giorno, ma che può avvenire ogni tre giorni a latitudini più elevate. La quantità limitata di dati è dovuta alla breve finestra di contatto di soli 15 secondi (di cui 3 secondi sono utilizzati per la trasmissione) e alla bassa larghezza di banda del collegamento radio. Il fatto che una radio in miniatura con solo sei milliwatt di potenza di trasmissione possa comunicare con un satellite è straordinario in sé. Ciò è reso possibile dalle grandi antenne ad alte prestazioni della ISS e dalla sofisticata tecnologia radio utilizzata.

I tag utilizzano i dati delle effemeridi ISS trasmessi regolarmente insieme alla propria posizione per calcolare il prossimo momento di contatto. Si preparano a ricevere e trasmettere durante la finestra temporale calcolata, ma per lo più rimangono in modalità stand-by per risparmiare energia. Sulla base dei dati di tracciamento trasmessi regolarmente, che sono compilati nel database di movebank.org, i ricercatori hanno già ottenuto preziose informazioni (Figg. 2 e 3). Tuttavia, un altro componente è necessario per accedere all'intera raccolta di dati accumulati dai tag, compresi i dati ambientali. Gli uccelli migratori non si spostano costantemente. Invece, rimangono per lunghi periodi di tempo nei loro habitat invernali ed estivi. Per la maggior parte delle altre specie, il raggio di movimento è chiaro. Questo permette ai biologi di visitarli nei loro habitat e di mettersi in contatto usando una radio portatile ICARUS. A terra può essere stabilito un collegamento radio stabile e molto più veloce che copre una distanza fino a qualche chilometro, permettendo una comoda lettura della memoria del tag senza vincoli di tempo.

Combinando vari tipi di dati di sensori con informazioni precise sulla posizione, i ricercatori stanno ottenendo informazioni completamente nuove sulle condizioni di vita e sul comportamento degli animali, specialmente se si possono includere dati ambientali e meteorologici esterni. Una volta che alcune migliaia di "uccelli ICARUS" sono in volo, potrebbero essere utilizzati come droni meteorologici per fornire dati a un sistema di monitoraggio meteorologico globale. Tuttavia, questo richiederebbe un aggiornamento della tecnologia di trasmissione, insieme a satelliti aggiuntivi in orbita. Ciononostante, questa è la visione a cui punta Wikelski. Il funzionamento della ISS è assicurato solo fino al 2025. Se i paesi responsabili del suo funzionamento non riusciranno ad accordarsi sulla sua continuazione, potrebbe essere possibile per i satelliti autonomi ICARUS prendere il posto della ISS. Anche se il finanziamento è ovviamente una sfida, MPIAB rifiuta di essere scoraggiato - soprattutto in vista degli altri ostacoli che questo progetto ha già superato.

Bilanciare i diversi interessi

I tag sono progettati per una lunga durata, poiché ci si aspetta che funzionino durante l'intera vita dell'animale e che possano essere riutilizzati. In linea di principio, si tratta di una caratteristica desiderabile. Tuttavia, può diventare un problema se il tag rimane in natura dopo la morte dell'animale. I componenti elettronici non si decompongono. Sono stati quindi implementati dei meccanismi per facilitare la ricerca e la raccolta dei tag usati. Una volta che un tag non si muove più, la sua posizione GPS diventa stabile. La radio portatile può essere utilizzata per portare il tag alla modalità ping in modo che funzioni come un trasmettitore di segnali. Poi, il tag può essere approssimativamente localizzato con la radio. Inoltre, il tag richiama l'attenzione su di sé con un LED lampeggiante. Nel caso in cui una terza parte trovi il tag per prima, sul retro del tag è fornito un indirizzo di contatto. Si spera che, sulla base di queste misure, la stragrande maggioranza dei tag usati troverà la via del ritorno al MPIAB. L'istituto sta prestando molta attenzione a questo problema. I suoi scienziati credono nella protezione degli ecosistemi del mondo e questo è anche il nostro obbligo professionale. Se il progetto ICARUS cresce di un altro ordine di grandezza, sarà essenziale rivalutare il progetto alla luce delle questioni di sostenibilità. I componenti elettronici organici sono ancora lontani dalla maturità commerciale. Tuttavia, agli sviluppatori potrebbero venire altre idee. Ora che ICARUS ha preso il volo, si tratta di far crescere il sistema e di utilizzarlo al meglio per lo scopo previsto.

Trasmettitore per animali (tag)

• Peso: < 5 g, a seconda delle dimensioni della batteria
• Lunghezza dell'antenna: 20 cm (radio) e 7,5 cm (GNSS)
• Sensori: campo magnetico, accelerazione, temperatura, umidità, pressione
• Memoria dati: 512 Mbyte
• Capacità della batteria: 70 / 60 / 45 mAh
• Cella solare GaAs (tecnologia più performante in questo momento)
• Potenza di trasmissione: 6 mW
• Frequenza di trasmissione: 402,25 MHz, 1,1 MHz di larghezza di banda
• Frequenza di ricezione: 468,1 MHz
• Set di dati trasmessi: 223 byte/contatto ISS