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

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 C2O}4 → 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 Tag^13,14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。