高空平台站（HAPS）是通信、探測和監視的有效工具，因為它們在平流層工作，通常在地球上空12英里（20公里）左右，比衛星距離地球近得多。有兩種類型的HAPS：比空氣輕的（LTA）HAPS，如高空氣球，和比空氣重的（HTA）HAPS，如固定翼高空飛機。

LTA-HAPS通常是太陽能驅動的無人氣球，使用氫氣或氦氣等氣體–因此，它依靠比空氣輕來維持浮力。但是，它們受制於風的影響。LTA-HAPS保持其位置的方式依賴於自然發生的現象和人工智能之間的複雜互動。

HAPS結合了飛機的靈活性和衛星的持久性。出於這個原因，它們可用於高空通信，如電話和互聯網服務或電台廣播，也可用於地球觀測和軍事情報收集、偵察和監視（IRS）。

為了從平流層向世界上難以到達的地方提供互聯網連接，Alphabet公司的子公司Loon花了九年時間與Google大腦合作開發了能實現這一目標的LTA-HAPS技術。

依靠太陽能、無螺旋槳、無人駕駛的氣球來提供這些類型的服務有明顯的挑戰；主要的挑戰是天氣，這一點無法控制。氣球需要能夠長期承受大風和巨大的溫度波動，同時提供與地面的持續連接。僅僅依靠天氣預報可能是危險的，因為它們往往是錯誤的。

此外，氣球沒有一個無限的機載能源。它依靠太陽為導航和通信提供能量，因此，如果氣球被吹偏了，讓它自己糾正，是對寶貴能量的浪費。

研究科學家馬洛斯-馬查多是開發該技術的團隊的一員，以確保氣球以最大的效率完成它所設計的工作。

“我們希望氣球處於一個特定的位置，”馬查多說。”不過，有一個問題。這些氣球的問題是，它們沒有推進器。它們[可以]在平流層中導航的唯一方法是乘風而行。”

馬查多所說的”乘風而行”，是指氣球利用風的強度、高度和方向來保持所需的位置–稱為駐留–或前往一個新的位置。

這些氣球是巨大的，最小也有一個網球場那麼大。在平流層中，風以不同的高度和速度吹向不同的方向，在控制自己的運動方面，氣球被限制在兩個方向：向上和向下。

“我們的概念是，你在氣球內有一些比空氣輕的氣體，也就是說，如果你只是讓氣球自己離開，氣球[將]上升，”馬查多說。”如果你想讓氣球下沉–下沉–你所要做的就是把空氣打入氣球。它有一個固定的體積，這意味著在相同的體積下它更重。”

將比空氣輕的氣體引入氣球內的一個囊中，使其上升到將其移動到正確位置所需的風流中。如果氣球需要下降，以便它可以被風帶到不同的方向，環境空氣被泵入一個固定的”信封”，該”信封”位於氣球的底座內，以提供壓載物，或者在LTA囊上打開一個閥門，排出一些氣體，使氣球變得更重。

為了在一定程度上控制這種有限的可操作性，研究人員開發了一個強化學習人工智能，以獎勵氣球的行為。一個模擬器將天氣預報與觀察到的天氣數據和高斯過程相結合，以提供最佳的風向預測。如果氣球的反應”正確”，它就會得到獎勵。然而，大自然是奇妙的，偶爾，風會贏。

“有時你什麼也做不了，”馬查多說。”如果風向對你不利，你除了等待好的風向出現之外，什麼也做不了。”

最終，這項研究取得了成功。2017年，在秘魯發生洪水和波多黎各發生重大颶風後，該團隊利用氣球為數十萬人提供緊急連接。

不幸的是，多年的開發被證明是一項昂貴的工作，2021年，Loon在公司被關閉後停止了他們的LTA-HAPS工作。其他公司已經接過了這個衣缽，繼續開發他們自己的LTA-HAPS，用於應急通信、災難恢復、提供私人無線網絡和擴展海上覆蓋。

馬查多及其同事的研究發表在《自然》雜誌上。