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A Lagoa Mirim e o Canal São Gonçalo apresentam-se como mananciais hídricos de grande importância para sociedade em geral da porção Sul do Brasil e nordeste do Uruguai, onde suas águas são responsáveis por proporcionar diversos usos tais como abastecimento humano, destacado uso para setor agrícola, com grande importância para irrigação do cultivo de arroz nessa região, grande potencial de uso para navegação e para garantia desse sistema natural, responsável pela segurança hídrica para mais de 1,1 mi de pessoas e vida animal e vegetal especiais. Neste contexto, tratativas governamentais consolidadas, com intenção de implantação de sistema de transporte de cargas aquaviário transfronteiriço entre o Uruguai e o Brasil, até o porto de Rio Grande-RS, via Lagoa Mirim, Canal São Gonçalo e Laguna dos Patos até o Oceano Atlântico, requer atenção e traz preocupação quanto aos impactos aos múltiplos usos deste manancial. As atividades necessárias, tanto à implantação quanto à manutenção de uma estrutura com maior capacidade de transporte, podem afetar a qualidade da água, assim como a dinâmica de suas águas e transporte e deposição de sedimentos, assim como a sustentabilidade desse frágil ambiente lagunar e costeiro. Visto isso, faz-se necessário um permanente e contínuo monitoramento, quali-quantitativos da água, para descrição permanente dos dinâmicos processos que se desenvolvem nesse ambiente. A observação de diversos parâmetros de qualidade da água e suas relações com os volumes que se movimentam no território, no intuito de preservar e inferir sobre possíveis pontos de contaminação se faz necessário. Para isso, estratégias que permitam qualificar a obtenção de dados, de forma contínua no tempo, serão de extrema importância para a modelagem hidrológica desse sistema e também na consolidação um sistema de alerta sobre os impactos causados pelos distintos usos. A construção de embarcações não tripuladas, capazes de acoplar equipamento e sensores de monitoramento de parâmetros de qualidade da água, atenderá os propósitos dessa estratégia. Associado à concepção, o desenvolvimento de sensores a base de grafeno modificados com nanocompósitos para monitoramento de compostos específicos relacionados aos potenciais contaminantes presentes na região, tais como cobre (Cu), chumbo (Pb), Zinco (Zn), Mercúrio (Hg) e hidrocarbonetos aromáticos tornam a proposta robusta para atender aos distintos usuários, na promoção de um ambiente adequado à vida, salvaguardando o desenvolvimento social e econômico.

O grupo propõe o desenvolvimento de uma embarcação autônoma capaz de realizar o monitoramento ambiental permanente e contínuo da qualidade da água no referido sistema lagunar. Para isso, os sistemas de sensoriamento e transmissão de dados serão embarcados em uma plataforma flutuante semelhante a um catamarã, ou seja, dois cascos ligados por uma estrutura metálica. Nesta estrutura, com maior capacidade de carga, estarão os equipamentos eletrônicos (microcontrolador posicional, sistemas de transmissão, sistemas de aquisição de dados) em caixas estanques e, nos cascos, os sistemas de propulsão e autonomia energética. Implantação de técnicas de robótica para navegação autônoma As técnicas que serão exploradas para melhorias na navegação autônoma da embarcação proposta serão as seguinte: 1- Definição e mapeamento de possíveis cenários de navegação (CADENA et al., 2016); 2- Estruturação do ambiente de aprendizado (WATKINS; DAYAN, 1992); 3- Implementação de uma estrutura para reconhecimento de obstáculos durante a navegação, a partir da implementação de políticas de prevenção de colisões, por meio de comportamentos reativos ou preditivos; 4- Definição do modelo de prevenção de colisões para navegação autônoma, que considere um método de planejamento localizado, capaz de alterar a trajetória da embarcação de acordo com informações do contexto ambiental onde encontra-se o veículo (RIBEIRO et al., 2019; OKUYAMA; GONSALVES; UPADHAY, 2018; MOHANTY et al., 2017).; 5- Validação dos modelos no protótipo que será desenvolvido. Desenvolvimento de sensores eletroquímicos A metodologia para identificação de espécies se assemelha a do imunossensor desenvolvido para detecção de anticorpos da SARS-CoV-2 e também sensores para identificação de ácido desenvolvidos pelo grupo do projeto (ROSSATO et al., 2022, LOGUERCIO et al., 2022, OLIVEIRA et al., 2022). O produto proposto pode ser dividido em duas partes, ambas desenvolvidas pela equipe que compõe este projeto. A primeira parte consiste nos sensores eletroquímicos, descartáveis e de baixo custos, formados por grafeno por indução a laser modificados com nanocompósitos (nanopartículas Ouro, Nióbio, Cobre e Platina) aplicando cronoamperometria para eletrodeposição. As modificações nos sensores interagem diretamente com o analito alvo, e a segunda parte a utilização de um potenciostato portátil para gerar sinais e mensurar a identificação do elemento/composto estudado. Plataforma para apresentação e divulgação dos dados A divulgação e apresentação dos dados oriundos do monitoramento ambiental com veículo não tripulado, dar-se-á através da plataforma Sistema de Informações Integradas de Recursos Hídricos (SIIRH). Tal plataforma consiste em um banco de dados ambientais para a gestão de recursos hídricos, desenvolvida pela Agência para o Desenvolvimeto da Bacia da Lagoa Mirim (ALM) em parceria com o Núcleo NEPE-HidroSedi da UFPEL (COLLARES et al., 2022).

Este projeto apresenta potencial para o desenvolvimento científico e tecnológico. O monitoramento da qualidade da água na Bacia da Lagoa Mirim, associado ao monitoramento de variáveis climáticas, trará subsídios para analisar o impacto de efeitos climáticos e a intervenção humana nos biomas que compõem esta região. Consequentemente, isso propiciará o desenvolvimento de pesquisas com caráter multidisciplinar que podem resultar em novas estratégias de manejo e os múltiplos usos da água, objetivando a redução do impacto ambiental. Considerando o objeto principal desta proposta, que é o desenvolvimento de uma embarcação autônoma para o monitoramento da qualidade da água, observam-se alguns desafios: (i) sistemas robustos e tolerantes a falhas para navegação autônoma, para percepção de contexto, obstáculos e situações de risco visando a prevenção de acidentes e melhoria na eficiência das incursões para coleta de dados; (ii) desenvolvimento não apenas de novos sensores, mas as adaptações necessárias à sua utilização para medições in situ. Tais desafios podem ser previstos como o estudo da resistência à ação de microorganismos incrustantes; desenvolvimento de observação e manutenção da eficiência dos sensores a longo prazo; desenvolvimento de mecanismo de submersão de um ou mais sensores ao longo da coluna d'água; O grupo desenvolveu um caiaque com um motor elétrico escovado de 12 volts e 17 lbf, alimentado por uma bateria de 80Ah, realimentado por um painel solar que proporciona uma geração de 4Ah na bateria. O controle dos sistemas a bordo é realizado por uma controladora APM (Ardupilot), com interfaces de controle e GPS para a implementação do piloto automático. Para controlar o motor, um ESC (Electronic Speed Controller) de 120A com reversão é utilizado. Por fim, o controle de guinada utiliza servo motor de 20Kg/cm. Para a implementação do piloto automático, a comunicação é realizada com rádio-telemetria de 915 MHz. A comunicação de telemetria através de software de Ground Station (GSC). Mission Planner (Oborne) é realizado através do protocolo MAVLink(MAVLink Developer Guide) que é reconhecido como o melhor protocolo para veículos autônomos. O caiaque se utiliza de um controlador proporcional integral derivativo (PID) e um filtro de Kalman estendido (EKF) para fazer os ajustes de rota do GPS, quando em modo de piloto automático. Até o presente momento, o sistema de piloto automático foi testado em campo e pode ser programado para traçar rotas e segui-las com relativa precisão em correntes de até 1 m/s. Pode-se dizer que este protótipo encontra-se entre TRL 4 e 5. Entretanto, há limitações no que diz respeito a capacidade de carga, estabilidade da embarcação e a percepção de contexto do ambiente para apoio ao sistema autônomo de navegação. Desta forma, justifica-se a proposta de uma nova embarcação, partindo de um TRL 2, com o objetivo de atingir o TRL 8.