Summary

센서 물고기 및 살아있는 물고기 회수를 위한 풍선 태그 제조 기술

Published: October 13, 2023
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Summary

Sensor Fish 및 활어를 회수하기 위한 풍선 태그를 설계 및 제조하기 위한 프로토콜이 제시되어 유압 구조물에서 물리적 상태와 생물학적 성능을 평가할 수 있습니다. 이 방법은 풍선 부피, 팽창/수축 시간, 성분 선택 및 주입된 물의 특성과 같은 요소를 고려하여 풍선 태그 성능을 최적화합니다.

Abstract

물고기는 수력 발전 댐의 유압 운송 수단을 통과 할 때 부상과 사망을 경험할 수 있으며, 이러한 운송 수단이 하류 우회 시스템, 수정 된 배수로 및 터빈과 같이 물고기 친화적으로 설계된 경우에도 마찬가지입니다. 유압 구조물의 물고기 통과 조건을 연구하는 데 사용되는 주요 방법에는 Sensor Fish 기술과 살아있는 물고기를 사용한 직접 현장 테스트가 포함됩니다. Sensor Fish 데이터는 물리적 스트레스 요인과 물고기 통로 환경에서의 위치를 식별하는 데 도움이 되며, 살아있는 물고기는 부상 및 사망률을 평가합니다. Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다.

이 기사에서는 두 가지 다른 온도에서 옥살산, 중탄산나트륨 분말 및 물의 혼합물을 포함하는 다양한 수의 용해성 식물성 캡슐이 포함된 풍선 태그의 개발에 중점을 둡니다. 우리의 연구는 18.3 °C에서 5 mL의 물을 주입한 3개의 캡슐이 있는 풍선 태그가 원하는 풍선 부피를 일관되게 달성한다는 것을 확인했습니다. 이 태그의 평균 팽창량은 114 cm3 이고 표준 편차는 1.2 cm3 입니다. 18.3°C에서 물을 주입한 풍선 태그 중 2캡슐 풍선 태그가 전체 팽창에 도달하는 데 가장 오랜 시간이 걸리는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다. 전반적으로 이 접근 방식은 새로운 기술의 성능을 검증하고, 터빈 설계를 개선하고, 어류 통로 조건을 개선하기 위한 운영 결정을 내리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 연구 및 현장 평가를 위한 귀중한 도구 역할을 하며, 유압 구조물의 설계 및 작동을 개선하는 데 도움이 됩니다.

Introduction

수력 발전은 전 세계적으로 중요한 재생 에너지 자원입니다. 미국에서 수력 발전은 재생 가능한 자원에서 생산되는 전기의 약 38% 또는 274TWh를 차지하며1 연간 약 460TWh를 추가할 수 있는 잠재력이 있습니다2. 그러나 수력 발전이 증가함에 따라 수력 통과 중 물고기 부상 및 폐사에 대한 우려가 가장 중요해졌습니다3. 급속 감압(barotrauma), 전단 응력, 난류, 스트라이크, 캐비테이션 및 연삭을 포함한 다양한 메커니즘이 통과 중 물고기 부상에 기여합니다4. 이러한 부상 메커니즘은 물고기의 전반적인 상태에 즉각적인 영향을 미치지 않을 수 있지만 질병, 곰팡이 감염, 기생충 및 포식에 더 취약하게 만들 수 있습니다5. 또한 터빈 또는 기타 유압 구조물과의 충돌로 인한 직접적인 신체적 부상은 상당한 사망으로 이어질 수 있으므로 수력 발전에서 이러한 위험을 완화하는 것이 중요합니다.

물고기 통과 조건을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 유압 구조물 6,7을 통해 센서 물고기와 살아있는 물고기를 방출하는 것입니다. Sensor Fish는 터빈, 배수로 및 댐 우회 대안 8,9을 포함한 유압 구조물을 통과하는 동안 물고기가 경험하는 물리적 조건을 연구하도록 설계된 자율 장치입니다. 3D 가속도계, 3D 자이로스코프, 온도 센서 및 압력 센서9가 장착된 Sensor Fish는 물고기 통과 조건에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.

Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다. 풍선 태그는 가스 발생 화학 물질(예: 옥살산 및 중탄산나트륨)로 채워진 용해성 캡슐, 실리콘 마개 및 낚싯줄로 구성됩니다. 배치하기 전에 실리콘 마개를 통해 풍선에 물을 주입합니다. 물은 식물성 캡슐을 녹여 풍선을 팽창시키는 가스를 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 이 중화 반응에서 약염기인 중탄산나트륨과 약산인 옥살산이 반응하여 이산화탄소, 물 및 옥살산나트륨10을 형성합니다. 화학 반응은 다음과 같습니다.

2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4

부풀어 오른 풍선은 센서 피쉬와 살아있는 물고기의 부력을 증가시켜 수면에 떠 더 쉽게 회복할 수 있도록 합니다.

부유선을 달성하고 샘플(예: Sensor Fish 또는 살아있는 물고기)의 회수를 용이하게 하는 데 필요한 풍선 태그의 수는 샘플의 부피 및 질량 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 풍선 태그 팽창 시간은 다른 온도에서 물을 주입하여 조정할 수 있습니다. 물이 차가우면 팽창 시간이 증가하고 따뜻한 물은 팽창 시간을 줄입니다. 풍선 태그는 오레곤 주 후드 강(Hood River)에 있는 독특한 수평 평판 물고기 및 잔해 스크린 구조물인 파머스 스크린(Farmers Screen)과 라오스 인민 민주 공화국(Lao People’s Democratic Republic)의 남 응움 댐(Nam Ngum Dam)에 있는 프랜시스 터빈(Francis turbine)을 포함한 다양한 위치에서 성공적으로 사용되었습니다12. 또 다른 상업적으로 이용 가능한 풍선 태그의 예는 Hi-Z Turb’N Tag13,14이다. Hi-Z Turb’N Tag를 사용하면 주입된수온에 따라 팽창 시간을 2분에서 60분 사이로 조정할 수 있습니다. 이 기술은 컬럼비아 강의 록키 리치 댐 (Rocky Reach Dam)에서 방류 된 치누크 연어 스몰트 (Chinook salmon smolts)와 코네티컷 강 (Connecticut River)의 해들리 폴스 댐 (Hadley Falls Dam)에서 어린 미국 청어와 관련된 연구를 포함하여 많은 현장 현장의 어류 연구에 사용되었습니다15,16. 두 기술 모두 산-염기 화학 반응을 활용하여 풍선 태그를 부풀려 회수합니다.

이 방법은 풍선당 $0.50에 불과한 예상 재료 비용으로 제조의 비용 효율성과 단순성을 제공합니다. 여기에 설명된 대로 제조 공정은 따르기 쉽기 때문에 누구나 풍선 태그 생산에 액세스할 수 있습니다.

Protocol

1. 산/염기 캡슐화 혼합 컵에 H 2 C 2 O4 (옥살산) 및 NaHCO3 (중탄산 나트륨)의 중량으로 1 :2비율로 혼합합니다 (재료 표 참조). 산-염기 분말 혼합물이 결정화되면 모르타르와 유봉을 사용하여 분쇄합니다(그림 1A). 크기 3 식물성 캡슐과 반자동 캡슐 충전 기계를 회수하여 프로세스를 시작합니다( 재료…

Representative Results

풍선에 주입되는 물의 양과 온도에 초점을 맞춰 풍선 태그 제조를 위한 최적의 방법을 결정하기 위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구는 인플레이션 시작 시간, 전체 인플레이션 시간, 디플레이션 시작 시간 및 최대 인플레이션 시 풍선의 부피를 포함한 다양한 입력 매개변수를 조사했습니다. 이 연구는 주변 온도가 21°C인 책상에서 수행되었습니다. 연구를 위해 총 360개의 풍…

Discussion

이 연구는 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그가 2캡슐 및 4캡슐 풍선 태그에 비해 시작 팽창 시간이 더 느리고 지속적으로 더 큰 부피를 가졌다는 결론을 내렸습니다. 풍선 태그에 12.7 °C에서 물을 주입했을 때 평균 부피가 작았고 팽창 시간이 길었습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다. 각 수온과 관련된 인플레이?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 미국 에너지부(DOE) 수력 기술 사무소의 자금 지원을 받았습니다. 실험실 연구는 계약 DE-AC05-76RL01830에 따라 DOE를 위해 Battelle이 운영하는 Pacific Northwest National Laboratory에서 수행되었습니다.

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

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Salalila, A., Martinez, J., Tate, A., Acevedo, N., Salalila, M., Deng, Z. D. Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish and Live Fish Recovery. J. Vis. Exp. (200), e65632, doi:10.3791/65632 (2023).

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