Ballon-Tag-Herstellungstechnik für die Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen

Zusammenfassung

Es wird ein Protokoll für die Entwicklung und Herstellung von Ballonanhängern zur Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen vorgestellt, die eine Bewertung ihres physischen Zustands und ihrer biologischen Leistung in hydraulischen Strukturen ermöglichen. Die Methode optimiert die Leistung von Ballon-Tags unter Berücksichtigung von Faktoren wie Ballonvolumen, Aufblas-/Entleerungszeiten, Komponentenauswahl und den Eigenschaften des injizierten Wassers.

Zusammenfassung

Fische können Verletzungen und Todesfälle erleiden, wenn sie hydraulische Förderanlagen an Wasserkraftwerken passieren, selbst wenn diese Transporte fischfreundlich gestaltet sind, wie z. B. flussabwärts gelegene Bypass-Systeme, modifizierte Überläufe und Turbinen. Die wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Fischdurchgangsbedingungen in hydraulischen Bauwerken umfassen direkte In-situ-Tests mit der Sensorfischtechnologie und lebenden Fischen. Sensorfischdaten helfen bei der Identifizierung physischer Stressoren und ihrer Standorte in der Fischpassageumgebung, während lebende Fische auf Verletzungen und Mortalität untersucht werden. Ballon-Tags, bei denen es sich um selbstaufblasende Ballons handelt, die extern an Sensorfischen und lebenden Fischen befestigt sind, helfen bei ihrer Erholung nach dem Passieren von hydraulischen Strukturen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Entwicklung von Ballonanhängern mit unterschiedlicher Anzahl von auflösbaren Kapseln auf pflanzlicher Basis, die eine Mischung aus Oxalsäure, Natriumbicarbonatpulvern und Wasser bei zwei verschiedenen Temperaturen enthalten. Unsere Untersuchungen ergaben, dass Ballonanhänger mit drei Kapseln, die mit 5 ml Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, durchweg das gewünschte Ballonvolumen erreichten. Diese Tags hatten ein mittleres Aufblasvolumen von 114 cm3 mit einer Standardabweichung von 1,2^cm3. Unter den Ballonanhängern, die mit Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, wurde beobachtet, dass die Ballonanhänger mit zwei Kapseln am längsten brauchten, um das volle Aufblasen zu erreichen. Darüber hinaus zeigten die Ballon-Tags mit vier Kapseln eine schnellere Startzeit für das Aufblasen, während die Ballon-Tags mit drei Kapseln eine schnellere Startzeit für die Deflation aufwiesen. Insgesamt erweist sich dieser Ansatz als effektiv, um die Leistung neuer Technologien zu validieren, das Turbinendesign zu verbessern und operative Entscheidungen zur Verbesserung der Fischpassagebedingungen zu treffen. Es dient als wertvolles Werkzeug für Forschung und Feldbewertungen und hilft bei der Verfeinerung sowohl des Entwurfs als auch des Betriebs von Wasserbauwerken.

Einleitung

Wasserkraft ist weltweit eine bedeutende erneuerbare Energiequelle. In den Vereinigten Staaten trägt die Wasserkraft schätzungsweise 38 % oder 274 TWh zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen^{bei 1} und hat das Potenzial, etwa 460 TWh pro Jahr hinzuzufügen². Mit der zunehmenden Entwicklung der Wasserkraft ist jedoch die Sorge um Fischverletzungen und -sterblichkeit während der hydraulischen Passage von größter Bedeutung^3. Verschiedene Mechanismen tragen zu Verletzungen von Fischen während der Passage bei, darunter schnelle Dekompression (Barotrauma), Scherspannungen, Turbulenzen, Schläge, Kavitation und Schleifen⁴. Obwohl diese Verletzungsmechanismen keinen unmittelbaren Einfluss auf den Gesamtzustand der Fische haben, können sie sie anfälliger für Krankheiten, Pilzinfektionen, Parasiten und Raubtiere machen⁵. Darüber hinaus können direkte körperliche Verletzungen durch Kollisionen mit Turbinen oder anderen hydraulischen Strukturen zu erheblichen Todesfällen führen, was die Bedeutung der Minderung dieser Risiken bei der Entwicklung der Wasserkraft unterstreicht.

Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Bewertung der Fischpassagebedingungen ist das Freisetzen von Sensorfischen und lebenden Fischen durch hydraulische Strukturen ^6,7. Der Sensor Fish ist ein autonomes Gerät, das entwickelt wurde, um die physikalischen Bedingungen zu untersuchen, denen Fische während der Passage durch hydraulische Strukturen ausgesetzt sind, einschließlich Turbinen, Überläufen und Dammumgehungsalternativen ^8,9. Ausgestattet mit einem 3D-Beschleunigungsmesser, einem 3D-Gyroskop, einem Temperatursensor und einem Drucksensor⁹ liefert der Sensor Fish wertvolle Daten über die Bedingungen der Fischpassage.

Ballon-Tags, bei denen es sich um selbstaufblasende Ballons handelt, die extern an Sensorfischen und lebenden Fischen befestigt sind, helfen bei der Bergung nach dem Passieren von hydraulischen Strukturen. Die Ballonanhänger bestehen aus auflösbaren Kapseln, die mit gaserzeugenden Chemikalien (z. B. Oxalsäure und Natriumbicarbonat) gefüllt sind, einem Silikonstopfen und einer Angelschnur. Vor dem Ausbringen wird Wasser durch den Silikonstopfen in den Ballon injiziert. Das Wasser löst die pflanzlichen Kapseln auf und löst eine chemische Reaktion aus, bei der Gas entsteht, das den Ballon aufbläst. Bei dieser Neutralisationsreaktion reagieren Natriumbicarbonat, eine schwache Base, und Oxalsäure, eine schwache Säure, zu Kohlendioxid, Wasser und Natriumoxalat¹⁰. Die chemische Reaktion ist unten angegeben:

2NaHCO3+H2C2O4 →_2CO2+2H2O + _Na2C2O4

Der aufgeblasene Ballon erhöht den Auftrieb der Sensorfische und der lebenden Fische, so dass sie zur leichteren Erholung auf der Wasseroberfläche schwimmen können.

Die Anzahl der Ballonetiketten, die erforderlich sind, um die Flotation zu erreichen und die Entnahme einer Probe (z. B. Sensorfisch oder lebender Fisch) zu erleichtern, kann je nach Volumen- und Masseneigenschaften der Probe variieren. Die Dauer des Aufblasens des Ballonanhängers kann durch Einspritzen von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen eingestellt werden. Kälteres Wasser verlängert die Aufblaszeit, während wärmeres Wasser sie verkürzt. Ballon-Tags wurden erfolgreich an verschiedenen Orten eingesetzt, darunter der Farmers Screen, eine einzigartige horizontale Flachplatten-Fisch- und Schuttsiebstruktur in Hood River, Oregon¹¹, und eine Francis-Turbine am Nam Ngum Dam in der Demokratischen Volksrepublik Laos¹². Ein weiteres kommerziell erhältliches Beispiel für einen Ballonanhänger ist der Hi-Z Turb'N Tag^13,14. Mit dem Hi-Z Turb'N Tag kann die Aufblaszeit je nach Temperatur des eingespritzten Wassers zwischen 2 min und 60 min eingestellt werden¹³. Diese Technologie wurde in Fischstudien an vielen Feldstandorten eingesetzt, darunter Studien mit Chinook-Lachs-Smolts, die am Rocky Reach-Damm am Columbia River ausgesetzt wurden, und an jungen Maifischen am Hadley-Falls-Damm am Connecticut River^15,16. Beide Technologien nutzen chemische Säure-Base-Reaktionen, um die Ballonetiketten für die Rückgewinnung aufzublasen.

Diese Methode bietet Kosteneffizienz und Einfachheit in der Herstellung, mit geschätzten Materialkosten von nur 0,50 USD pro Ballon. Wie hier beschrieben, ist der Herstellungsprozess einfach zu verfolgen, so dass die Produktion von Ballonanhängern für jedermann zugänglich ist.

Protokoll

1. Säure-Basen-Verkapselung

1. In einem Mischbecher wird ein Gewichtsverhältnis von 1:2 H2C2O4 (Oxalsäure) und NaHCO3 (Natriumbicarbonat) gemischt (siehe Materialtabelle). Wenn die Säure-Base-Pulvermischung kristallisiert ist, zermahlen Sie sie mit einem Mörser und Stößel (Abbildung 1A).
2. Entnehmen Sie die pflanzlichen Kapseln der Größe 3 und die halbautomatische Kapselfüllmaschine, um den Vorgang zu starten (siehe Materialtabelle).
3. Legen Sie das Deckblatt flach auf eine saubere, trockene Oberfläche. Richten Sie die Verkapselungsfolie mit den schwarzen Stiften auf der Deckfolie aus, um sie korrekt zu fixieren (Abbildung 1B).
4. Trennen Sie die Ober- und Unterseite der Kapseln, es sei denn, Sie verwenden vorgetrennte Kapseln. Die Gemüsekapseln der Größe #3 haben im geschlossenen Zustand eine Gesamtabmessung von 15,9 mm Länge, 5,57 mm Außendurchmesser (OD), 0,30 ml Volumen und wiegen 47 mg.
5. Gießen Sie die Kapseloberteile in die Verkapselungsfolie (Abbildung 1C). Schütteln Sie die Oberseiten vorsichtig mit kreisenden Bewegungen in die Löcher. Decken Sie dabei den Spalt in der Wand der Verkapselungsfolie mit einer Hand oder einem Pulverstreuer ab, um ein Verschütten der Oberseite zu vermeiden (Abbildung 1D).
   1. Sobald die Löcher gefüllt sind, gießen Sie die überschüssigen Kapseldeckel in einen sauberen Becher (Abbildung 1E). Identifizieren Sie alle umgedrehten Kapseloberteile und drehen Sie sie um (Abbildung 1F). Stellen Sie sicher, dass alle Kapseloberteile in der Deckfolie in die richtige Richtung zeigen. Es ist wichtig, auf die richtige Ausrichtung zu achten, da eine falsche Ausrichtung dazu führen kann, dass sich die Kapseloberteile nicht richtig mit den Kapselböden verbinden.
6. Entfernen Sie die Verkapselungsfolie und legen Sie die gefüllte Abdeckfolie beiseite.
7. Nehmen Sie den Körper oder das "untere" Blatt heraus. Legen Sie es auf eine saubere, trockene, ebene Oberfläche. Befestigen Sie die Verkapselungsfolie an der unteren Folie und stellen Sie die richtige Ausrichtung sicher, indem Sie die schwarzen Stifte verwenden, um sie richtig zu positionieren.
8. Gießen Sie die Kapselböden in die Verkapselungsfolie und schütteln Sie sie wie zuvor in kreisenden Bewegungen, um die Löcher zu füllen. Überschüssige Kapselböden abgießen. Identifizieren Sie alle umgedrehten Kapselunterteile und drehen Sie sie um.
9. Entfernen Sie die Verkapselungsfolie von der unteren Folie und legen Sie sie beiseite.
10. Gießen Sie das Säure-Basen-Pulvergemisch auf die gefüllte Bodenschicht (Abbildung 1G). Verwenden Sie einen Kunststoffstreuer, um die Kapselböden mit dem Pulver zu füllen (Abbildung 1H). Vergewissern Sie sich, dass alle Kapselböden gefüllt sind (Abbildung 1I). Entfernen Sie nicht verwendetes Säure-Basen-Pulver.
11. Legen Sie die Abdeckfolie auf eine ebene Fläche und positionieren Sie die mittlere Folie darauf, wobei Sie sie an den schwarzen Stiften ausrichten, um einen korrekten Sitz zu gewährleisten. Stellen Sie sicher, dass alle Kapseloberteile mit den entsprechenden Löchern in der Mittelfolie ausgerichtet sind.
12. Drehen Sie das Deckblatt mit dem aufgeklebten mittleren Blatt um und richten Sie es am gefüllten unteren Blatt aus (Abbildung 1J).
13. Drücken Sie die Abdeckfolie von allen Seiten sanft nach unten, um die Ober- und Unterseite zu verbinden, wobei beide Seiten der Kapsel zusammenpassen (Abbildung 1K).
14. Entfernen Sie die Abdeckfolie und die mittlere Folie von der unteren Folie. Zu diesem Zeitpunkt sollten die Kapselböden und -oberteile richtig miteinander verbunden sein.
    1. Vergewissern Sie sich, dass die Ober- und Unterseite jeder Kapsel fest anliegen. Wenn nicht, drücken Sie die Ober- und Unterseite der Kapsel manuell zusammen, um einen festen Sitz zu schaffen. Entnehmen Sie die gefüllten Kapseln und legen Sie sie in einen luftdichten, verschließbaren Behälter (Abbildung 1L).
       HINWEIS: Für eine sichere Handhabung ist es wichtig, dass Benutzer persönliche Schutzausrüstung (PSA) und Gesichtsschutz tragen. Es sollte für eine ausreichende Belüftung gesorgt werden, und es sollten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um das Verschlucken, Einatmen und den Kontakt mit der Substanz auf der Haut, den Augen oder der Kleidung zu vermeiden. Darüber hinaus ist es wichtig, die Entstehung von Staub zu verhindern. Detaillierte Informationen zur Sicherheit entnehmen Sie bitte dem Sicherheitsdatenblatt (SDB) für Oxalsäure und Natriumbicarbonat. Um die Unversehrtheit der Säure-Basen-Kapseln zu erhalten, wird empfohlen, sie vor direkter Sonneneinstrahlung und hoher Luftfeuchtigkeit zu schützen. Bewahren Sie die nicht verwendeten Kapseln in einem verschlossenen, luftdichten Behälter auf. Solange die Kapseln trocken und frei von Feuchtigkeit aufbewahrt werden, können sie effektiv verwendet werden, um eine optimale Funktionalität zu gewährleisten.

2. Herstellung von Silikonstopfen

1. Drucken Sie mit einem FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) (siehe Materialtabelle) eine Formplatte mit der STL-Datei, die in der Zusatzdatei 1 enthalten ist.
2. Legen Sie ein durchsichtiges Packband auf die Unterseite der Formplatte, so dass jede Öffnung verschlossen ist (Abbildung 2A).
3. Mischen Sie ein Gewichtsverhältnis von 1:1 (z. B. je 50 g Teil A und Teil B) des handelsüblichen Silikonformmaterials in einen Mischbecher (siehe Materialtabelle). Mischen Sie die chemische Verbindung mit einem Einweglöffel ca. 5 Minuten lang gründlich oder bis sie gleichmäßig geworden ist.
4. Legen Sie die Formplatte mit dem Packband auf ein Blatt Papier. Das Papier fängt jedes mögliche Verschütten von Silikon von der Formplatte auf.
5. Beginnen Sie damit, die Silikonmischung in jedes Stopfenloch zu gießen und stellen Sie sicher, dass sie alle gefüllt sind (Abbildung 2B). Verwenden Sie einen Gummiabzieher, um das Silikon in jedes Stopfenloch zu verteilen (Abbildung 2C). Entfernen Sie die übrig gebliebene Silikonmischung von der Oberfläche der Formplatte.
6. Lassen Sie die Gummistopfen 4 h trocknen. Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass die Stopfen vollständig ausgehärtet sind (z. B. wenn die Silikonmischung vollständig getrocknet und ausgehärtet ist), entfernen Sie das Klebeband von der Rückseite der Formplatte (Abbildung 2D) und beginnen Sie dann, die Stopfen aus der Form zu ziehen (Abbildung 2E).
7. Entfernen Sie überschüssiges Silikon, das an den Stopfen befestigt ist (Abbildung 2F).

3. Ballon-Tag-Montage

1. Führen Sie das Piercingwerkzeug (z. B. einen geraden Zahnstocher) vorsichtig in den Silikonstopfen ein (Abbildung 3A) (siehe Materialtabelle). Führen Sie das Piercingwerkzeug in eine 15-G-Spritzennadel ein und entfernen Sie dann das Piercingwerkzeug vom Silikonstopfen, sodass nur die 15-G-Nadel im Inneren bleibt (Abbildung 3B). Das Piercingwerkzeug erzeugt einen Schlitz im Inneren des Silikonstopfens, ohne Material zu schneiden oder zu entfernen.
2. Schneiden Sie ein Stück 50 lb. Angelschnur (siehe Materialtabelle) auf eine Länge von 150 mm zu. Führen Sie die Angelschnur durch die 15-G-Spritzennadel in den Silikonstopfen ein (Abbildung 3C).
   1. Halten Sie den Stopfen und die Angelschnur vorsichtig zusammen und entfernen Sie die 15-G-Spritzennadel vom Körper des Stopfens, wobei die Angelschnur im Stopfen belässt (Abbildung 3D). Achten Sie darauf, dass die Angelschnurlängen auf beiden Seiten des Stoppers gleichmäßig sind.
3. Legen Sie zwei mit Säure/Basenpulver gefüllte Kapseln in einen Latexballon (Abbildung 3E) (siehe Materialtabelle). Erweitern Sie die Ballonöffnung mit dem Gummiband-Expansionswerkzeug (z. B. einer Kastrationsbandzange) und führen Sie dann vorsichtig einen Silikonstopfen in die Ballonöffnung ein (Abbildung 3F), wobei die beiden Enden der Angelschnur außerhalb des Ballons bleiben.
4. Zwei O-Ringe (1,6 mm breit, 8,1 mm ID, siehe Materialtabelle) auf das Gummiband-Dehnwerkzeug aufsetzen und ausdehnen. Führen Sie den Hals des Latexballons durch die beiden aufgeweiteten O-Ringe ein (Abbildung 3G). Ziehen Sie die beiden O-Ringe vorsichtig vom Gummiband-Expansionswerkzeug weg und lassen Sie sie fest um den Hals des Ballons gewickelt, mittig auf dem Stopper (Abbildung 3H).

4. Befestigung des Ballonanhängers an den Sensorfischkappen

1. Stecken Sie ein Ende der Angelschnur durch eines der kleinen Löcher in der Sensorfischkappe (siehe Materialtabelle) und führen Sie es durch das große Loch in der Mitte der Kappe (Abbildung 4A).
2. Binden Sie die beiden Enden der Angelschnur zusammen und lassen Sie etwa 13 bis 26 mm zwischen der Oberseite der Kappe und der Basis des Ballons. Verwenden Sie vier Überhandknoten übereinander, wenn Sie die Angelschnur binden.
3. Lassen Sie die zusätzliche Angelschnur befestigt, da sich der Knoten möglicherweise löst, wenn Sie sie zu nah an einen Knoten schneiden (Abbildung 4B).
4. Testen Sie den Knoten, indem Sie die Angelschnur auf jeder Seite des Knotens mit den Fingern greifen und so fest wie möglich ziehen. Achten Sie darauf, nicht zu nah an den Ballon zu ziehen, da dies die Angelschnur unbeabsichtigt durch den Gummistopfen reißen könnte.

Ergebnisse

Es wurde eine Studie durchgeführt, um die optimalen Methoden für die Herstellung von Ballonetiketten zu ermitteln, wobei der Schwerpunkt auf dem Volumen und der Temperatur des in den Ballon injizierten Wassers lag. Die Studie untersuchte verschiedene Eingangsparameter, darunter die Startzeit des Aufblasens, die Zeit des vollständigen Aufblasens, die Startzeit der Deflation und das Volumen des Ballons beim vollständigen Aufblasen. Die Studie wurde an einem Schreibtisch mit einer Umgebungstemperatur von 21 °C durchgef...

Diskussion

Diese Studie kam zu dem Schluss, dass Drei-Kapsel-Ballon-Tags, die mit 5 ml Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, im Vergleich zu Zwei-Kapsel- und Vier-Kapsel-Ballon-Tags eine langsamere Startaufblaszeit und ein durchweg größeres Volumen aufwiesen. Wenn die Ballonanhänger mit Wasser bei 12,7 °C injiziert wurden, war das durchschnittliche Volumen kleiner und die Aufblaszeit länger. Zuerst beginnt die Entleerung der Dreikapsel, gefolgt von der Vierkapsel und zuletzt der Zweikapsel. Die mit jeder Wassertemperatur verbu...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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