Oszczędzanie pieniędzy jest świetne, ale oszczędzanie w zatoce Chesapeake będzie jeszcze lepsze

Można go pomylić z projektem amokiem Science Fair - wodoodpornym pudełkiem wielkości walizki wypełnionym rurkami, drutami elektronicznymi, miernikami i wyświetlaczem LED. Dla Whitmana Millera takie jest piękno. Wszystko jest łatwo dostępne, stosunkowo niedrogie i niezwykle wyrafinowane. On potrzebuje tej kombinacji cech. Ponieważ, aby uzyskać odpowiedzi, których szuka, będzie musiał zainstalować wiele takich skrzynek.

Z tej historii

Smithsonian Environmental Research Center Smithsonian Marine Station, Fort Pierce, Floryda

Miller jest badaczem w Smithsonian Environmental Research Center i stara się zrozumieć wpływ wzrostu CO2 na chemię wody w ekosystemach przybrzeżnych. Przez ostatnie 150 lat spalanie paliw kopalnych i inne przemysłowe procesy produkcyjne pompowały ogromne ilości CO2 do atmosfery. Wiele z nich trafiło do oceanów na Ziemi, gdzie reaguje z wodą morską i obniża pH. W rezultacie wody na Ziemi stają się bardziej kwaśne, co może pozbawić wapno wielu organizmów w skorupkach i grozić zakłóceniem całych ekosystemów.

Chociaż najczęściej nazywany jest zakwaszaniem oceanów, efekt wzrostu CO2 nie ogranicza się do wód oceanicznych. Po prostu łatwiej tam zobaczyć. Powierzchnia oceanu jest dość jednorodnym środowiskiem, w którym stężenia CO2 w wodzie są zwykle w równowadze z CO2 w atmosferze - obecnie około 399, 6 części na milion (ppm). Przez ostatnie kilkadziesiąt lat naukowcy obserwowali, jak w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci stale rośnie w tempie 1 ppm.

Ale historia nie jest tak łatwa do odczytania w ekosystemach przybrzeżnych, w których stężenie CO2 może wzrosnąć o tysiące części na milion w ciągu jednego dnia. Systemy przybrzeżne są znacznie bardziej złożone i zawierają znacznie więcej ruchomych części. Tutaj świeża woda miesza się ze słoną wodą. Temperatura i zasolenie różnią się w zależności od miejsca i mogą się zmieniać wraz z pływami. Poziom tlenu podnosi się w ciągu dnia, gdy fotosynteza traw i glonów ulega fotosyntezie, a spada w nocy, gdy fotosynteza ustaje. Wszystkie te interakcje powodują gwałtowne wahania poziomów CO2. Różnią się także w zależności od lokalizacji i codziennie. Zrozumienie, w jaki sposób stosunkowo niewielki wzrost globalnego CO2 wpłynie na system z tak dużą naturalną fluktuacją, oznacza nauczenie się dokładnie, jak działa ten system.

Walizka jest wypełniona barometrycznymi czujnikami ciśnienia, czujnikami temperatury, czujnikami wilgotności względnej i oczywiście czujnikiem CO2. (Kimba Cutlip)

„Staramy się wyeliminować wielu z tych różnych kierowców” - mówi Miller. „Ponieważ wiemy, że nie chodzi tylko o równowagę powietrzno-morską. Wiemy, że istnieją lądowe interfejsy morskie. Wiemy, że istnieją biologiczne efekty fotosyntezy i oddychania, a także fizyczne skutki wprowadzania wody w różnych miejscach. Ale aby dokuczać każdemu z tych sterowników, dowiadujemy się, że potrzebujemy wielu pomiarów. Potrzebujemy dużej gęstości pomiarów ze względu na tę szczególną niejednolitość i sposób, w jaki zmienia się ona w czasie w skali dziennej, sezonowej i pływowej. ”

Miller potrzebuje sieci stacji monitorujących, aby zebrać ten poziom danych, sieci, która nie była praktyczna, kiedy rozpoczął tę pracę. Wymaganym oprzyrządowaniem do monitorowania były boje oceaniczne i duże statki badawcze kosztujące dziesiątki tysięcy dolarów za instrument.

Miller zaczął więc opracowywać kolejną opcję. Buduje swoje własne, przenośne, niedrogie stacje monitorujące z łatwo dostępnymi komponentami elektronicznymi i niedrogim mikrokontrolerem, którego hobbyści używają do produkcji robotów i detektorów ruchu. To, co wymyślił, to różnica między małym pokojem pełnym sprzętu o wartości 100 000 USD a pudełkiem wielkości walizki w cenie wysokiej klasy domowej stacji pogodowej.

Wewnątrz tego pudełka Miller ma upakowane barometryczne czujniki ciśnienia, czujniki temperatury, czujniki wilgotności względnej i oczywiście czujnik CO2. „Ten facet tutaj kosztuje mniej niż 300 $”, mówi, wskazując na kwadrat elektroniki nie większy niż talia kart. „Analizator gazu w podczerwieni - to jest sedno samego pomiaru CO2”. Mówi, że instrument towarzyszący na boi oceanicznej może kosztować nawet 20 000 USD.

Dzięki łatwo dostępnemu sprzętowi elektronicznemu i niedrogim wodoodpornym pudełkom Miller i jego koledzy mogą budować urządzenia bezpośrednio w swoim laboratorium. (Kimba Cutlip)

Poza skrzynką po „mokrej stronie” woda jest pompowana przez rurkę i wtłaczana do równowagi za pomocą małej objętości powietrza. Analizator gazu określa stężenie CO2 w tym powietrzu, a rejestrator danych śledzi 24/7.

„To innowacyjne podejście” - mówi Mario Tamburr - „przyjrzeć się prostemu, niedrogiemu sposobowi uzyskania tych pomiarów”. Tamburri jest profesorem badawczym w University of Maryland Center for Environmental Sciences (UMCES). „Naszym największym problemem jest obecnie możliwość monitorowania tych ważnych parametrów we właściwej skali czasowej i przestrzennej. Zatem tego rodzaju pomiary wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej są kluczem do zrozumienia problemów związanych z zakwaszaniem, szczególnie na wodach przybrzeżnych. ”

Tamburri jest także dyrektorem wykonawczym Alliance for Coastal Technologies, partnerstwa między organizacjami badawczymi, które służy jako rodzaj laboratorium testowego dla sprzętu naukowego. „Jedną z rzeczy, które staramy się robić, jest wspieranie rozwoju i wdrażania nowych innowacji”. Od roku prowadzi jedną ze stacji monitorujących Millera z molo w UMCES „aby zademonstrować jej możliwości i potencjał, aby inni użytkownicy mogli wtedy również mieć pewność, że go przyjmie. ”

Obecnie działają trzy inne stacje monitorowania CO2. Jeden w Smithsonian Environmental Research Center w Edgewater, w którym pracuje Miller, jeden w Smithsonian Marine Station w Fort Pierce na Florydzie, a drugi w Smithsonian Tropical Research Institute w Panamie. Miller nie jest jeszcze gotowy do masowej produkcji swoich instrumentów. Ma jeszcze kilka poprawek, zanim będzie mógł zacząć rozwijać sieć monitoringu w całej zatoce Chesapeake. Pracuje nad wymianą pompy na taką, która pobiera mniej energii, najlepiej taką, która działa na energię słoneczną. Ma nadzieję, że jeszcze bardziej obniży cenę (jedna stacja kosztuje teraz około 7000 $). W końcu ma nadzieję pozyskać naukowców-obywateli, wolontariuszy chcących zatrzymać ich na swoich prywatnych pomostach.

„Moim złotym standardem dla instrumentu jest to, że możesz go oddać obywatelowi naukowcowi” - mówi - „a także aby mogli się nim zająć, uruchomić go i opracować dane. Musi to być coś, co może sprawić ktoś, kto nie ma lat nauki za pomocą instrumentów. ”

To właśnie zajmie, aby uzyskać pomiary potrzebne do prawdziwego zrozumienia roli rosnącego CO2 w tych złożonych systemach.

Urządzenie sterujące, które Miller nazywa „sercem wszystkiego”, to mały mikroprocesor opracowany po raz pierwszy dla hobbystów chcących tworzyć proste roboty. (Kimba Cutlip)