Técnica de fabricación de etiquetas de globos para la recuperación de peces sensores y peces vivos
Summary
Se presenta un protocolo para el diseño y fabricación de etiquetas de globo para la recuperación de peces sensores y peces vivos, que permite evaluar su condición física y desempeño biológico en estructuras hidráulicas. El método optimiza el rendimiento de la etiqueta del globo teniendo en cuenta factores como el volumen del globo, los tiempos de inflado/desinflado, la selección de componentes y las características del agua inyectada.
Abstract
Los peces pueden sufrir lesiones y mortalidad cuando pasan a través de los medios de transporte hidráulicos en las presas hidroeléctricas, incluso si estos medios de transporte están diseñados para ser amigables con los peces, como los sistemas de derivación aguas abajo, los aliviaderos modificados y las turbinas. Los principales métodos utilizados para estudiar las condiciones de paso de los peces en las estructuras hidráulicas consisten en realizar ensayos directos in situ utilizando la tecnología Sensor Fish y peces vivos. Los datos de los peces sensores ayudan a identificar los factores de estrés físico y sus ubicaciones en el entorno de paso de los peces, mientras que los peces vivos se evalúan para detectar lesiones y mortalidad. Las etiquetas de globo, que son globos autoinflables unidos externamente a Sensor Fish y peces vivos, ayudan en su recuperación después de pasar a través de estructuras hidráulicas.
Este artículo se centra en el desarrollo de etiquetas de globo con un número variable de cápsulas solubles de origen vegetal que contienen una mezcla de ácido oxálico, polvos de bicarbonato de sodio y agua a dos temperaturas diferentes. Nuestra investigación determinó que las etiquetas de balón con tres cápsulas, inyectadas con 5 ml de agua a 18,3 °C, lograron consistentemente el volumen de balón deseado. Estas etiquetas tuvieron un volumen medio de inflado de 114cm3 con una desviación estándar de 1,2cm3. Entre las etiquetas de balón inyectadas con agua a 18,3 °C, se observó que las etiquetas de balón de dos cápsulas tardaron más tiempo en alcanzar el inflado completo. Además, las etiquetas de globo de cuatro cápsulas demostraron un tiempo de inicio de inflado más rápido, mientras que las etiquetas de globo de tres cápsulas demostraron un tiempo de inicio de desinflado más rápido. En general, este enfoque demuestra ser eficaz para validar el rendimiento de las nuevas tecnologías, mejorar el diseño de las turbinas y tomar decisiones operativas para mejorar las condiciones de paso de los peces. Sirve como una herramienta valiosa para la investigación y las evaluaciones de campo, ayudando en el refinamiento tanto del diseño como de la operación de las estructuras hidráulicas.
Introduction
La energía hidroeléctrica es un importante recurso de energía renovable en todo el mundo. En los Estados Unidos, la energía hidroeléctrica contribuye aproximadamente con el 38% o 274 TWh de la electricidad generada a partir de fuentes renovables1 y tiene el potencial de agregar aproximadamente 460 TWh por año2. Sin embargo, a medida que aumenta el desarrollo de la energía hidroeléctrica, la preocupación por las lesiones y la mortalidad de los peces durante el paso hidráulico se ha vuelto primordial. Varios mecanismos contribuyen a las lesiones de los peces durante el paso, incluida la descompresión rápida (barotrauma), el esfuerzo cortante, la turbulencia, los golpes, la cavitación y el rechinamiento4. Aunque estos mecanismos de lesión pueden no tener un impacto inmediato en la condición general de los peces, pueden hacerlos más vulnerables a enfermedades, infecciones fúngicas, parásitos ydepredación. Además, las lesiones físicas directas resultantes de colisiones con turbinas u otras estructuras hidráulicas pueden provocar una mortalidad significativa, lo que enfatiza la importancia de mitigar estos riesgos en el desarrollo de la energía hidroeléctrica.
Uno de los métodos más comunes para evaluar las condiciones de paso de los peces es la liberación de peces sensores y peces vivos a través de estructuras hidráulicas 6,7. El Sensor Fish es un dispositivo autónomo diseñado para estudiar las condiciones físicas que experimentan los peces durante el paso a través de estructuras hidráulicas, incluyendo turbinas, aliviaderos y alternativas de derivación de presas 8,9. Equipado con un acelerómetro 3D, un giroscopio 3D, un sensor de temperatura y un sensor de presión9, el Sensor Fish proporciona datos valiosos sobre las condiciones de paso de los peces.
Las etiquetas de globo, que son globos autoinflables unidos externamente a Sensor Fish y peces vivos, ayudan en su recuperación después de pasar a través de estructuras hidráulicas. Las etiquetas de los globos consisten en cápsulas solubles llenas de sustancias químicas generadoras de gas (por ejemplo, ácido oxálico y bicarbonato de sodio), un tapón de silicona y un hilo de pescar. Antes del despliegue, se inyecta agua a través del tapón de silicona en el balón. El agua disuelve las cápsulas de origen vegetal, desencadenando una reacción química que produce gas que infla el globo. En esta reacción de neutralización, el bicarbonato de sodio, una base débil, y el ácido oxálico, un ácido débil, reaccionan para formar dióxido de carbono, agua y oxalato de sodio10. La reacción química se proporciona a continuación:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
El globo inflado aumenta la flotabilidad del pez sensor y de los peces vivos, lo que les permite flotar en la superficie del agua para facilitar la recuperación.
El número de etiquetas de globo necesarias para lograr la flotación y facilitar la recuperación de una muestra (por ejemplo, peces sensor o peces vivos) puede variar en función de las características de volumen y masa de la muestra. La duración del inflado de la etiqueta del globo se puede ajustar inyectando agua a diferentes temperaturas. El agua más fría aumentará el tiempo de inflado, mientras que el agua más caliente lo disminuirá. Las etiquetas de globos se han empleado con éxito en varios lugares, incluida la pantalla de agricultores, una estructura única de pantalla horizontal de placa plana para peces y escombros en Hood River, Oregón11, y una turbina Francis en la presa de Nam Ngum en la República Democrática Popular Lao12. Otro ejemplo de etiqueta de globo disponible comercialmente es la Hi-Z Turb’N Tag13,14. El Hi-Z Turb’N Tag permite ajustar el tiempo de inflado entre 2 min y 60 min, dependiendo de la temperatura del agua inyectada13. Esta tecnología se ha utilizado en estudios de peces en muchos sitios de campo, incluidos estudios que involucran smolts de salmón Chinook liberados en la presa Rocky Reach en el río Columbia y sábalos americanos juveniles en la presa Hadley Falls en el río Connecticut15,16. Ambas tecnologías utilizan reacciones químicas ácido-base para inflar las etiquetas de los globos para su recuperación.
Este método ofrece rentabilidad y simplicidad en la fabricación, con un costo de material estimado de solo $ 0.50 por globo. Como se describe aquí, el proceso de fabricación es fácil de seguir, lo que hace que la producción de etiquetas de globos sea accesible para cualquier persona.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio concluyó que las etiquetas de balón de tres cápsulas inyectadas con 5 ml de agua a 18,3 °C tenían un tiempo de inflado de inicio más lento y un volumen consistentemente mayor en comparación con las etiquetas de balón de dos y cuatro cápsulas. Cuando las etiquetas de los globos se inyectaron con agua a 12,7 °C, el volumen promedio fue menor y el tiempo de inflado fue más largo. La cápsula de tres comienza a desinflarse primero, seguida de la de cuatro cápsulas y, por último, la de dos cápsulas….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía Hidráulica del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés). Los estudios de laboratorio se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, que es operado por Battelle para el DOE bajo el contrato DE-AC05-76RL01830.
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 |
References
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