Diese Studie wurde vom U.S. Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office finanziert. Die Laboruntersuchungen wurden am Pacific Northwest National Laboratory durchgeführt, das von Battelle für das DOE unter dem Vertrag DE-AC05-76RL01830 betrieben wird.

1. Säure-Basen-Verkapselung
<ol><li>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).</li>
	<li>Entnehmen Sie die pflanzlichen Kapseln der Größe 3 und die halbautomatische Kapselfüllmaschine, um den Vorgang zu starten (siehe Materialtabelle).</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).<ol><li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Entfernen Sie die Verkapselungsfolie und legen Sie die gefüllte Abdeckfolie beiseite.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Entfernen Sie die Verkapselungsfolie von der unteren Folie und legen Sie sie beiseite.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Drehen Sie das Deckblatt mit dem aufgeklebten mittleren Blatt um und richten Sie es am gefüllten unteren Blatt aus (Abbildung 1J).</li>
	<li>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).</li>
	<li>Entfernen Sie die Abdeckfolie und die mittlere Folie von der unteren Folie. Zu diesem Zeitpunkt sollten die Kapselböden und -oberteile richtig miteinander verbunden sein.<ol><li>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.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Herstellung von Silikonstopfen
<ol><li>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.</li>
	<li>Legen Sie ein durchsichtiges Packband auf die Unterseite der Formplatte, so dass jede Öffnung verschlossen ist (Abbildung 2A).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Legen Sie die Formplatte mit dem Packband auf ein Blatt Papier. Das Papier fängt jedes mögliche Verschütten von Silikon von der Formplatte auf.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Entfernen Sie überschüssiges Silikon, das an den Stopfen befestigt ist (Abbildung 2F).</li>
</ol>3. Ballon-Tag-Montage
<ol><li>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.</li>
	<li>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).<ol><li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
</ol>4. Befestigung des Ballonanhängers an den Sensorfischkappen
<ol><li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Lassen Sie die zusätzliche Angelschnur befestigt, da sich der Knoten möglicherweise löst, wenn Sie sie zu nah an einen Knoten schneiden (Abbildung 4B).</li>
	<li>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.</li>
</ol>

Optimierung der Montage von Ballon-Tags zur Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen

<ol>
	<li>Uria-Martinez, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U.S.+Hydropower+Market+Report.">U.S. Hydropower Market Report.</a> Oak Ridge National Laboratory. , (2021).</li><li>Kao, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+stream-reach+development:+a+comprehensive+assessment+of+hydropower+energy+potential+in+the+United+States.">New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States.</a> Oak Ridge National Laboratory. , (2014).</li><li>Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+characterization+of+the+biological+performance+of+a+Francis+turbine+retrofitted+with+a+modular+guide+vane.">In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane.</a> Applied Energy. 276, 115492 (2020).</li><li>&#268;ada, G. l. e. n. n. . F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+of+advanced+hydroelectric+turbines+to+improve+fish+passage+survival.">The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival.</a> Fisheries. 26, 14-23 (2001).</li><li>Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. 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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydraulic+and+biological+characterization+of+a+large+Kaplan+turbine.">Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine.</a> Renewable energy. 131, 240-249 (2019).</li><li>Zhiqun Deng, , et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Six-degree-of-freedom+sensor+fish+design+and+instrumentation.">Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation.</a> 7, 3399-3415 (2007).</li><li>Deng, Z. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+a+new+autonomous+sensor+fish+to+support+advanced+hydropower+development.">Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development.</a> Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).</li><li>Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+ionicity+and+chain+structure+on+the+physicochemical+properties+of+protic+ionic+liquids.">Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids.</a> AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).</li><li>Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+a+fish-friendly+self-cleaning+horizontal+irrigation+screen+using+autonomous+sensors.">Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors.</a> Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).</li><li>Martinez, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+characterization+of+turbine+hydraulic+environment+to+support+development+of+fish-friendly+hydropower+guidelines+in+the+lower+Mekong+River+region.">In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region.</a> Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).</li><li>Heisey, P. G., Mathur, D., D'Allesandro, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+technique+for+assessing+fish+passage+survival+at+hydro+power+stations.">A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations.</a> International Atomic Energy Agency. , (1993).</li><li>Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+reliable+tag-recapture+technique+for+estimating+turbine+passage+survival:+application+to+young-of-the-year+American+shad+(Alosa+sapidissima).">A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima).</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).</li><li>Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbine+passage+survival+estimation+for+chinook+salmon+smolts+(Oncorhynchus+tshawytscha)+at+a+large+dam+on+the+Columbia+River.">Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River.</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).</li><li>Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbine-passage+mortality+of+juvenile+American+shad+at+a+low-head+hydroelectric+dam.">Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam.</a> Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).</li><li>Watson, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+passage+of+American+Eels+through+a+novel+hydropower+turbine.">Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine.</a> Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).</li><li>Al-Tabakha, M. o. a. w. i. a. . M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+capsule+shell+composition+on+the+performance+indicators+of+hypromellose+capsule+in+comparison+to+hard+gelatin+capsules.">Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules.</a> Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydropower+Vision.">Hydropower Vision.</a> U.S. Department of Energy. , (2016).</li><li>Duncan, J. o. a. n. n. e. . P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+and+ecological+evaluation+of+a+fish-friendly+surface+spillway.">Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway.</a> Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).</li><li>Trumbo, B. r. a. d. l. y. . A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+hydroturbine+pressures+to+enhance+salmon+passage+survival+and+recovery.">Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery.</a> Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).</li><li>Pohanish, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , (2017).</li><li>U.S. Food and Drug Administration. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> CFR - Code of Federal Regulations Title 21. , (1994).</li></ol>

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.

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...

Wasserkraft ist weltweit eine bedeutende erneuerbare Energiequelle. In den Vereinigten Staaten trägt die Wasserkraft schätzungsweise 38 % oder 274 TWh zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellenbei 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 Bedeutung3. 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 Tag13,14. 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 River15,16. 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printed Silicone Stopper Plate</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ARC800 Sensor Fish</td>
			<td>ATS</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FDM 3D printer</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3)</td>
			<td>Capsulcn</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mold Star 15 SLOW</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-Resistant Buna-N O-Ring</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>SN: 9262K141</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4)&#160;</td>
			<td>Thermo Scientific&#160;</td>
			<td>CAS: 144-62-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber Band Expansion Tool</td>
			<td>iplusmile</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3)</td>
			<td>Capsule Connection</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smiley Face YoYo Latex balloon</td>
			<td>YoYo Balloons, Etc.</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3)&#160;</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>CAS: 144-55-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.)</td>
			<td>Power Pro</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

balloon tag manufacturing technique for sensor fish and live fish recovery

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 1,2cm3. 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.

Hydropower is a significant renewable energy resource worldwide. In the United States, hydropower contributes an estimated 38% or 274 TWh of electricity generated from renewable sources1 and has the potential to add approximately 460 TWh per year2. However, as hydropower development increases, concerns about fish injury and mortality during hydraulic passage have become paramount3. Various mechanisms contribute to fish injuries during passage, including rapid decompression (barotrauma), shear stress, turbulence, strikes, cavitation, and grinding4. Although these injury mechanisms may not have an immediate impact on the overall condition of the fish, they can render them more vulnerable to diseases, fungal infections, parasites, and predation5. Additionally, direct physical injuries resulting from collisions with turbines or other hydraulic structures can lead to significant mortality, emphasizing the importance of mitigating these risks in hydropower development.
One of the most common methods for evaluating fish passage conditions is releasing Sensor Fish and live fish through hydraulic structures6,7. The Sensor Fish is an autonomous device designed to study the physical conditions that fish experience during passage through hydraulic structures, including turbines, spillways, and dam bypass alternatives8,9. Equipped with a 3D accelerometer, 3D gyroscope, temperature sensor, and pressure sensor9, the Sensor Fish provides valuable data on fish passage conditions.
Balloon tags, which are self-inflating balloons attached externally to Sensor Fish and live fish, assist in their recovery after passing through hydraulic structures. The balloon tags consist of dissolvable capsules filled with gas-generating chemicals (e.g., oxalic acid and sodium bicarbonate), a silicone stopper, and a fishing line. Prior to deployment, water is injected through the silicone stopper into the balloon. The water dissolves the vegetable-based capsules, triggering a chemical reaction that produces gas&#160;inflating the balloon. In this neutralization reaction, sodium bicarbonate, a weak base, and oxalic acid, a weak acid, react to form carbon dioxide, water, and sodium oxalate10. The chemical reaction is provided below:
2NaHCO3+ H2C2O4 &#8594; 2CO2 + 2H2O + Na2C2O4
The inflated balloon increases the buoyancy of the Sensor Fish and live fish, enabling them to float on&#160;the water surface for easier recovery.
The number of balloon tags required to achieve flotation and facilitate the retrieval of a sample (e.g., Sensor Fish or live fish) may vary based on the volume and mass characteristics of the sample. The duration of balloon tag inflation can be adjusted by injecting water at different temperatures. Colder water will increase the inflation time, while warmer water will decrease it. Balloon tags have been successfully employed in various locations, including the Farmers Screen, a unique horizontal, flat-plate fish and debris screen structure in Hood River, Oregon11, and a Francis turbine at Nam Ngum Dam in the Lao People&#39;s Democratic Republic12. Another commercially available balloon tag example is the Hi-Z Turb&#39;N Tag13,14. The Hi-Z Turb&#39;N Tag allows inflation time to be adjusted between 2 min and 60 min, depending on the injected water temperature13. This technology has been used in fish studies at many field sites, including studies involving Chinook salmon smolts released at Rocky Reach Dam on the Columbia River and juvenile American shad at Hadley Falls Dam on the Connecticut River15,16. Both technologies utilize acid-base&#160;chemical reactions to inflate the balloon tags for recovery.
This method offers cost-effectiveness and simplicity in manufacturing, with an estimated material cost of only $0.50 per balloon. As described here, the manufacturing process is easy to follow, making balloon tag production accessible to anyone.

Autor im Rampenlicht: Entwicklung kostengünstiger und anpassbarer Ballon-Tags für Fischpassagenstudien 

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

This research focuses on developing and evaluating cost-effective balloon tags for fish passage studies and hydraulic structures. Our aim is to assess the effectiveness of different balloon tag configurations for the recovery of sensor fish and live fish after they pass through these hydraulic structures. The balloon tag protocol we developed offer a cost effectiveness, customizability, and adjustable inflation times.It is a low-cost solution for large scale studies with limited budgets. It helps to understand the impact of hydraulic structures on fish and can be tailored to different species and environments. We have developed a cost-effective balloon tag manufacturing process.This will enhance our understanding of balloon tag performances under different conditions, enabling tailored testing and facilitating environmental impact assessments for developing and operating fish-friendly hydropower systems.

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...

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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.

Fish may experience injuries and mortality when they pass through hydraulic conveyances at hydropower dams, even if these conveyances are designed to be ...

Diese Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und Evaluierung kostengünstiger Ballonanhänger für Fischpassagestudien und hydraulische Bauwerke. Unser Ziel ist es, die Wirksamkeit verschiedener Ballon-Tag-Konfigurationen für die Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen nach dem Passieren dieser hydraulischen Strukturen zu bewerten. Das von uns entwickelte Ballon-Tag-Protokoll bietet Kosteneffizienz, Anpassbarkeit und einstellbare Aufblaszeiten.Es ist eine kostengünstige Lösung für groß angelegte Studien mit begrenzten Budgets. Es hilft, die Auswirkungen von hydraulischen Strukturen auf Fische zu verstehen und kann auf verschiedene Arten und Umgebungen zugeschnitten werden. Wir haben ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für Ballonanhänger entwickelt.Dies wird unser Verständnis der Leistung von Ballonanhängern unter verschiedenen Bedingungen verbessern, maßgeschneiderte Tests ermöglichen und Umweltverträglichkeitsprüfungen für die Entwicklung und den Betrieb fischfreundlicher Wasserkraftsysteme erleichtern.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish and Live Fish Recovery

1.0K Aufrufe.  Pacific Northwest National Laboratory. Diese Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und Evaluierung kostengünstiger Ballonanhänger für Fischpassagestudien und hydraulische Bauwerke. Unser Ziel ist es, die Wirksamkeit verschiedener Ballon-Tag-Konfigurationen für die Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen nach dem Passieren dieser hydraulischen Strukturen zu bewerten. Das von uns entwickelte Ballon-Tag-Protokoll bietet Kosteneffizienz, Anpassbarkeit und einstellbare Aufblaszeiten.Es ist eine kostengünsti...

Serie: Autor im Rampenlicht: Entwicklung kostengünstiger und anpassbarer Ballon-Tags für Fischpassagenstudien 

Fish may experience injuries and mortality when they pass through hydraulic conveyances at hydropower dams, even if these conveyances are designed to be fish-friendly, such as downstream bypass systems, modified spillways&#160;and turbines. The main methods used to study fish passage conditions in hydraulic structures involve direct, in situ testing using Sensor Fish technology and live fish. Sensor Fish data helps identify physical stressors and their locations in the fish passage environment, while live fish are assessed for injuries and mortality. Balloon tags, which are self-inflating balloons attached externally to Sensor Fish and live fish, aid in their recovery after passing through hydraulic structures.
This article focuses on the development of balloon tags with varying numbers of dissolvable, vegetable-based capsules containing a mixture of oxalic acid, sodium bicarbonate powders, and water at two different temperatures. Our research determined that balloon tags with three capsules, injected with 5 mL of water at 18.3 &#176;C, consistently achieved the desired balloon volume. These tags had a mean inflation volume of 114 cm3 with a standard deviation of 1.2 cm3. Among the balloon tags injected with water at 18.3 &#176;C, it was observed that the two-capsule balloon tags took the longest time to reach full inflation. In addition, the four-capsule balloon tags demonstrated a faster inflation start time, while the three-capsule balloon tags demonstrated a faster deflation start time. Overall, this approach proves to be effective for validating the performance of new technologies, improving turbine design, and making operational decisions to enhance fish passage conditions. It serves as a valuable tool for research and field evaluations, aiding in the refinement of both the design and operation of hydraulic structures.

A protocol is presented for designing and manufacturing balloon tags to recover Sensor Fish and live fish, allowing assessment of their physical condition and biological performance in hydraulic structures. The method optimizes balloon tag performance by considering factors such as balloon volume, inflation/deflation times, component selection, and the characteristics of the injected water.

Forschung

Ingenieurwesen

Acid/Base Encapsulation for Balloon Tag Assembly

To begin, in a mixing cup, combine oxalic acid and sodium bicarbonate, maintaining a weight ratio of one to two. If the acid-based powder mix becomes crystalline, grind it into a fine powder using a mortar and pestle. To fill the capsules using a semi-automatic capsule filling machine, place the cap sheet on a clean, dry surface.Align the encapsulation sheet over the cap sheet. Separate the capsule tops and bottoms unless using pre-separated capsules. Pour the capsule tops into the encapsulation sheet and shake the sheet gently in a circular motion to fill the holes with the tops.Collect the leftover capsule tops in a clean cup. Detach the encapsulation sheet from the completely filled cap sheet and keep the cap sheet aside. Identify and flip the capsule tops that are upside down.Next, place the body or bottom sheet on a clean, dry, flat surface. Fix the encapsulation sheet to the bottom sheet and secure the alignment with the black pegs. Pour the cap bottoms onto the encapsulation sheet and shake as described previously to fill all the holes.Then pour off the excess capsule bottoms from the sheet. Remove the encapsulation sheet from the filled bottom sheet. Flip any capsule bottoms found upside down.Now, disperse the acid base powder mixture onto the filled bottom sheet. Using a plastic spreader, fill the capsule bottoms with the powder. After positioning the filled cap sheet on a flat surface, mount the middle sheet on its top.Invert the cap sheet affixed to the middle sheet on the filled bottom sheet, ensuring a proper mutual alignment. Press gently, but equally on all sides of the cap sheet to join and fit the tops and bottoms of the capsules. Then remove the cap sheet and the middle sheet from the bottom sheet, leaving the capsule tops and bottoms joined.Check each capsule to ensure its top and bottom are fitted tightly. If not, manually press and tighten the top and bottom together. Finally, transfer the filled capsules to an airtight sealable container.

Säure-Base-Verkapselung für die Ballon-Tag-Montage

Manufacturing Silicone Stopper for Balloon Tag Assembly

To begin, mix both commercial silicone mold material components in a mixing cup, maintaining a one-to-one weight ratio. Stir thoroughly with a disposable spoon for about five minutes until the mixture becomes uniform in appearance. Then position the 3D-printed mold plate fitted with packing tape over a sheet of paper.Pour the silicone mixture into each stopper hole, ensuring all the holes are filled. Using a rubber squeegee, spread the silicone evenly into each stopper hole before clearing any leftover silicone. Leave the rubber stoppers to dry for four hours.Once the stoppers have fully cured as indicated by the complete drying and hardening of the silicone mixture, take off the tape from the back of the mold plate and pull the stoppers out of the mold. Finally, clean any surplus silicone attached to the stoppers.

Herstellung von Silikonstopfen für die Ballon-Tag-Montage

Balloon Tag Assembly and Attachment to Sensor Fish Caps

To begin the balloon tag assembly, carefully insert the piercing tool into the silicone stopper. Then insert the piercing tool attached to the stopper into a 15 gauge syringe needle. After that, remove the piercing tool from the silicone stopper leaving only the needle embedded in the stopper.Cut a six inch piece from a 50 pound fishing line. Insert the fishing line piece into the silicone stopper through the 15 gauge needle. While holding the stopper and the fishing line together, carefully retract the needle from the stopper leaving the fishing line inside the stopper.Next, insert two acid-based powder filled capsules into a latex balloon. Using a rubber band expansion tool like a castration band plier, gently expand the balloon opening. Then carefully insert one silicone stopper into the balloon opening, making sure to keep the two ends of the fishing line outside the balloon.Place two O-rings onto the rubber band expansion tool and expand them. Push the neck of the latex balloon through the two expanded O-rings. Carefully pull the two O-rings away from the rubber band expansion tool leaving them tightly wrapped around the balloon's neck centered on the stopper.Insert one end of the fishing line through one of the small holes in the sensor fish cap and pull it through the large hole at the center. Tie both ends of the fishing line together leaving a 0.5 to one inch gap from the top of the cap to the balloon base. Keep the extra fishing line attached as cutting it too close to a knot might cause it to untie.Studying the average inflation time for balloon tags with different volumes of water at two different temperatures revealed that full inflation occurred faster when using water at 18.3 degrees Celsius as compared to 12.7 degrees Celsius. A slower dissolution of the capsules at lower temperatures caused delayed inflation. Among the tested conditions, the three capsule balloon tags injected with five milliliters of water at 18.3 degrees Celsius exhibited consistent size with a mean volume of 114 cubic centimeters.At 18.3 degrees Celsius, the four capsule balloon tags demonstrated a faster inflation start time. However, the full inflation times for the two capsule and four capsule balloon tags were nearly identical. The three capsule balloon tag began deflating first followed by the four capsule, and finally, the two capsule balloon tags.