センサーフィッシュと活魚回収のためのバルーンタグ製造技術
Summary
センサーフィッシュと生きた魚を回収するためのバルーンタグを設計および製造するためのプロトコルが提示され、水理構造物での物理的状態と生物学的性能の評価が可能になります。この方法では、バルーンの体積、膨張/収縮時間、コンポーネントの選択、注入された水の特性などの要因を考慮して、バルーンタグの性能を最適化します。
Abstract
魚は、水力発電ダムの水力輸送を通過するときに、下流のバイパスシステム、改造された余水吐、タービンなど、魚に優しいように設計されていても、怪我や死亡を経験する可能性があります。水理構造物の魚の通過条件を研究するために使用される主な方法は、センサーフィッシュ技術と生きた魚を使用した直接の in situ テストです。センサーフィッシュのデータは、魚の通過環境における物理的なストレス要因とその位置を特定するのに役立ち、生きた魚は怪我や死亡率について評価されます。バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。
この記事では、シュウ酸、重炭酸ナトリウム粉末、および2つの異なる温度の水の混合物を含む、さまざまな数の溶解性植物ベースのカプセルを備えたバルーンタグの開発に焦点を当てています。私たちの研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3つのカプセルを備えたバルーンタグが、一貫して目的のバルーン容量を達成することがわかりました。これらのタグの平均膨張体積は114cm3で、標準偏差は1.2cm3でした。18.3°Cで水を注入したバルーンタグのうち、2カプセルのバルーンタグが完全に膨張するまでに最も長い時間がかかったことが観察されました。さらに、4カプセルのバルーンタグは膨張開始時間が速く、3カプセルのバルーンタグは収縮開始時間が速いことが示されました。全体として、このアプローチは、新技術の性能を検証し、タービン設計を改善し、魚道条件を改善するための運用上の決定を下すのに効果的であることが証明されています。これは、研究やフィールド評価のための貴重なツールとして機能し、油圧構造の設計と操作の両方の改良に役立ちます。
Introduction
水力発電は、世界的に重要な再生可能エネルギー資源です。米国では、水力発電は再生可能エネルギー源から発電される電力の推定38%にあたる274TWhに貢献しており1、年間約460TWhを追加する可能性があります2。しかし、水力発電の開発が進むにつれて、水力航路中の魚の怪我や死亡に関する懸念が最重要課題となっています3。急激な減圧(気圧外傷)、せん断応力、乱流、ストライク、キャビテーション、粉砕など、さまざまなメカニズムが通過中の魚の損傷に寄与します4。これらの損傷メカニズムは、魚の全体的な状態にすぐに影響を与えることはないかもしれませんが、病気、真菌感染症、寄生虫、捕食に対してより脆弱になる可能性があります5。さらに、タービンやその他の水力構造物との衝突による直接的な人身傷害は、重大な死亡につながる可能性があり、水力発電開発においてこれらのリスクを軽減することの重要性が強調されています。
魚の通過状態を評価するための最も一般的な方法の1つは、水理構造を介してセンサーフィッシュと生きた魚を放流することです6,7。Sensor Fishは、タービン、余水吐、ダムバイパスの代替案8,9などの水理構造物を通過する際に魚が経験する物理的条件を研究するために設計された自律デバイスです。3D加速度計、3Dジャイロスコープ、温度センサー、圧力センサー9を搭載したセンサーフィッシュは、魚の通過状況に関する貴重なデータを提供します。
バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。バルーンタグは、ガス発生化学物質(シュウ酸や重炭酸ナトリウムなど)で満たされた溶解可能なカプセル、シリコンストッパー、釣り糸で構成されています。展開する前に、シリコンストッパーからバルーンに水が注入されます。水は植物ベースのカプセルを溶かし、化学反応を引き起こしてガスを生成して風船を膨らませます。この中和反応では、弱塩基である炭酸水素ナトリウムと弱酸であるシュウ酸とが反応して、二酸化炭素、水、シュウ酸ナトリウムを形成する10。化学反応を以下に示します。
2NaHCO3+H2 C2O4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C 2O4
膨らませたバルーンは、センサーフィッシュと生きた魚の浮力を高め、水面に浮かび上がらせて回復を容易にします。
浮遊選鉱を達成し、サンプル(センサーフィッシュや生きた魚など)の回収を容易にするために必要なバルーンタグの数は、サンプルの体積と質量の特性によって異なる場合があります。バルーンタグの膨張時間は、異なる温度で水を注入することで調整できます。水が冷たいと膨張時間が長くなり、水が温かいと膨張時間が短くなります。バルーンタグは、オレゴン州フッドリバーのユニークな水平平板の魚と破片のスクリーン構造であるファーマーズスクリーン11や、ラオス人民民主共和国のナムグムダムのフランシス水車12など、さまざまな場所で成功裏に採用されています。別の市販のバルーンタグの例は、Hi-Z Turb’N Tag13,14です。Hi-Z Turb’N Tagは、注入された水温に応じて、膨張時間を2分から60分の間で調整することができます13。この技術は、コロンビア川のロッキーリーチダムで放流されたチヌークサーモンのスモルトや、コネチカット川のハドリーフォールズダムで放流されたアメリカシャッドの稚魚に関する研究など、多くの野外で魚類の研究に使用されています15,16。どちらの技術も、酸塩基化学反応を利用してバルーンタグを膨らませて回収します。
この方法は、製造における費用対効果とシンプルさを提供し、バルーンあたりの推定材料費はわずか0.50ドルです。ここで説明したように、製造プロセスは簡単にたどることができ、誰でもバルーンタグの製造にアクセスできます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3カプセルのバルーンタグは、2カプセルおよび4カプセルのバルーンタグと比較して、開始膨張時間が遅く、一貫して体積が大きいと結論付けられました。バルーンタグに12.7°Cの水を注入すると、平均体積が小さくなり、膨張時間が長くなりました。3カプセルが最初に収縮し始め、次に4カプセル、最後に2カプセルが収縮します。各水温に関連する膨?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米国エネルギー省(DOE)の水力発電技術局から資金提供を受けました。実験室での研究は、契約DE-AC05-76RL01830の下でDOEのためにBattelleが運営するパシフィックノースウエスト国立研究所で実施されました。
Materials
| 3D Printed Silicone Stopper Plate | NA | NA | |
| ARC800 Sensor Fish | ATS | NA | |
| FDM 3D printer | NA | NA | |
| Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3) | Capsulcn | NA | |
| Mold Star 15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| Oil-Resistant Buna-N O-Ring | McMaster-Carr | SN: 9262K141 | |
| Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) | Thermo Scientific | CAS: 144-62-7 | |
| Rubber Band Expansion Tool | iplusmile | NA | |
| Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3) | Capsule Connection | NA | |
| Smiley Face YoYo Latex balloon | YoYo Balloons, Etc. | NA | |
| Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) | Sigma | CAS: 144-55-8 | |
| Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.) | Power Pro | NA |
Referências
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