טכניקת ייצור תגי בלון לשחזור דגי חיישן ודגים חיים

Summary

מוצג פרוטוקול לתכנון וייצור תגי בלון לשחזור דגי חיישן ודגים חיים, המאפשר להעריך את מצבם הפיזי ואת ביצועיהם הביולוגיים במבנים הידראוליים. השיטה ממטבת את ביצועי תג הבלון על ידי התחשבות בגורמים כגון נפח הבלון, זמני ניפוח/דפלציה, בחירת רכיבים ומאפייני המים המוזרקים.

Abstract

דגים עלולים לחוות פציעות ותמותה כאשר הם עוברים דרך מסועים הידראוליים בסכרים הידרואלקטריים, גם אם מסועים אלה מתוכננים להיות ידידותיים לדגים, כגון מערכות מעקפים במורד הזרם, מברצים מותאמים וטורבינות. השיטות העיקריות המשמשות לחקר תנאי מעבר דגים במבנים הידראוליים כוללות בדיקות ישירות באתרן באמצעות טכנולוגיית Sensor Fish ודגים חיים. נתוני דגי חיישן מסייעים לזהות גורמי עקה פיזיים ואת מיקומם בסביבת מעבר הדגים, בעוד שדגים חיים מוערכים עבור פציעות ותמותה. תגי בלון, שהם בלונים המתנפחים מעצמם המחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים.

מאמר זה מתמקד בפיתוח תגי בלון עם מספר משתנה של כמוסות על בסיס ירקות נמסות המכילות תערובת של חומצה אוקסלית, אבקות סודיום ביקרבונט ומים בשתי טמפרטורות שונות. המחקר שלנו קבע כי תגי בלון עם שלוש כמוסות, שהוזרקו להם 5 מ"ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס, השיגו באופן עקבי את נפח הבלון הרצוי. תגים אלה היו בעלי נפח ניפוח ממוצע של 114 ס"מ 3 עם סטיית תקן של 1.2 ס"מ³. בין תגי הבלון שהוזרקו למים ב -18.3 מעלות צלזיוס, נצפה כי לתגי הבלון של שתי קפסולות לקח את הזמן הארוך ביותר להגיע לאינפלציה מלאה. בנוסף, תגי הבלון בעלי ארבע הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של ניפוח, בעוד שתגי הבלון בעלי שלוש הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של דפלציה. בסך הכל, גישה זו הוכחה כיעילה לאימות הביצועים של טכנולוגיות חדשות, שיפור תכנון הטורבינות וקבלת החלטות תפעוליות לשיפור תנאי מעבר הדגים. הוא משמש כלי רב ערך למחקר והערכות שטח, ומסייע בחידוד התכנון והתפעול של מבנים הידראוליים.

Introduction

כוח מים הוא משאב אנרגיה מתחדשת משמעותי ברחבי העולם. בארצות הברית, אנרגיה הידרואלקטרית תורמת כ-38% או 274 TWh של חשמל המופק ממקורות מתחדשים¹ ויש לה פוטנציאל להוסיף כ-460 TWh בשנה². עם זאת, ככל שפיתוח כוח המים גדל, חששות לגבי פגיעה ותמותה של דגים במהלך מעבר הידראולי הפכו לחשובים ביותר³. מנגנונים שונים תורמים לפציעות דגים במהלך המעבר, כולל דקומפרסיה מהירה (ברוטראומה), לחץ גזירה, מערבולות, מכות, קוויטציה ושחיקה⁴. למרות שלמנגנוני פגיעה אלה עשויה שלא להיות השפעה מיידית על מצבם הכללי של הדגים, הם יכולים להפוך אותם לפגיעים יותר למחלות, זיהומים פטרייתיים, טפילים וטריפה⁵. בנוסף, פגיעות פיזיות ישירות כתוצאה מהתנגשויות עם טורבינות או מבנים הידראוליים אחרים יכולות להוביל לתמותה משמעותית, תוך הדגשת החשיבות של הפחתת סיכונים אלה בפיתוח כוח מים.

אחת השיטות הנפוצות ביותר להערכת תנאי מעבר דגים היא שחרור דגי חיישן ודגים חיים דרך מבנים הידראוליים ^6,7. דג החיישן הוא מכשיר אוטונומי שנועד לחקור את התנאים הפיזיים שדגים חווים במהלך מעבר דרך מבנים הידראוליים, כולל טורבינות, מברצים וחלופות עוקפות סכר ^8,9. מצויד במד תאוצה תלת-ממדי, גירוסקופ תלת-ממדי, חיישן טמפרטורה וחיישן לחץ⁹, דג החיישן מספק נתונים חשובים על תנאי מעבר הדגים.

תגי בלונים, שהם בלונים המתנפחים מעצמם ומחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים. תגי הבלון מורכבים מקפסולות מתמוססות המלאות בכימיקלים מחוללי גז (למשל, חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט), פקק סיליקון וקו דיג. לפני הפריסה מוזרקים מים דרך פקק הסיליקון לתוך הבלון. המים ממיסים את הקפסולות הצמחיות, ומעוררים תגובה כימית המייצרת גז המנפח את הבלון. בתגובת נטרול זו, נתרן ביקרבונט, בסיס חלש, וחומצה אוקסלית, חומצה חלשה, מגיבים ליצירת פחמן דו חמצני, מים ונתרן אוקסלט¹⁰. התגובה הכימית מסופקת להלן:

2NaHCO₃+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C₂O₄

הבלון המנופח מגביר את הציפה של דגי החיישן והדגים החיים, ומאפשר להם לצוף על פני המים להתאוששות קלה יותר.

מספר תגי הבלון הנדרשים כדי להשיג הנפקה ולהקל על שליפת דגימה (למשל, דג חיישן או דג חי) עשוי להשתנות בהתאם למאפייני הנפח והמסה של הדגימה. ניתן להתאים את משך ניפוח תג הבלון על ידי הזרקת מים בטמפרטורות שונות. מים קרים יותר יגדילו את זמן הניפוח, בעוד מים חמים יותר יפחיתו אותו. תגי בלונים הופעלו בהצלחה במקומות שונים, כולל מסך האיכרים, מבנה אופקי ייחודי של דגים שטוחים ופסולת בהוד ריבר, אורגון¹¹, וטורבינת פרנסיס בסכר נאם נגום ברפובליקה הדמוקרטית העממית^{של לאוס 12}. דוגמה נוספת לתג בלון זמין מסחרית היא Hi-Z Turb'N Tag^13,14. תג Hi-Z Turb'N מאפשר לכוונן את זמן הניפוח בין 2 דקות ל-60 דקות, בהתאם לטמפרטורת המים המוזרקת¹³. טכנולוגיה זו שימשה במחקרי דגים באתרי שדה רבים, כולל מחקרים שכללו סמולט סלמון צ'ינוק ששוחרר בסכר Rocky Reach על נהר קולומביה ושאד אמריקאי צעיר בסכר מפלי האדלי על נהר קונטיקט^15,16. שתי הטכנולוגיות משתמשות בתגובות כימיות על בסיס חומצה כדי לנפח את תגי הבלון להתאוששות.

שיטה זו מציעה חסכוניות ופשטות בייצור, עם עלות חומר משוערת של 0.50 דולר בלבד לבלון. כפי שמתואר כאן, תהליך הייצור קל לביצוע, מה שהופך את ייצור תגי הבלון לנגיש לכל אחד.

Protocol

1. אנקפסולציה חומצית/בסיסית

1. ערבבו יחס של 1:2 לפי משקל של H 2, C_{, 2}, O₄ (חומצה אוקסלית) ו-NaHCO₃ (סודיום ביקרבונט) בכוס ערבוב (ראו טבלת חומרים). אם תערובת האבקה על בסיס חומצה מתגבשת, טחנו אותה באמצעות מכתש ומזיק (איור 1A).
2. אחזר את הקפסולות הצמחיות בגודל 3 ואת מכונת מילוי הקפסולות החצי-אוטומטית כדי להתחיל בתהליך (ראה טבלת חומרים).
3. הניחו את יריעת המכסה שטוחה על משטח נקי ויבש. יישרו את גיליון האנקפסולציה על גבי גיליון המכסה באמצעות היתדות השחורות כדי לקבע אותו כראוי במקומו (איור 1B).
4. יש להפריד בין החלק העליון והתחתון של הקפסולה, אלא אם כן משתמשים בכמוסות מופרדות מראש. גודל #3 כמוסות צמחיות, כאשר סגור, יש ממדים כוללים של 15.9 מ"מ אורך, 5.57 מ"מ בקוטר חיצוני (OD), 0.30 מ"ל בנפח, ולשקול 47 מ"ג.
5. שפכו את צמרות הקפסולה לתוך יריעת האנקפסולציה (איור 1C). נערו בעדינות את הצמרות לתוך החורים בתנועה סיבובית. תוך כדי כך, כסו את הרווח בדופן יריעת האנקפסולציה ביד אחת או במפזר אבקה כדי למנוע שפיכת החלק העליון (איור 1D).
   1. לאחר מילוי החורים, מזגו את עודפי הקפסולה לכוס נקייה (איור 1E). זהו כל קפסולה הפוכה והפכו אותה (איור 1F). ודא שכל הקפסולות פונות לכיוון הנכון בגיליון המכסה. חשוב להקפיד על כיוון נכון, שכן יישור לא נכון עלול לגרום לכך שחלק עליון של הקפסולה לא יתחבר כראוי עם תחתיות הקפסולה.
6. הסר את גיליון האנקפסולציה והניחו בצד את גיליון המכסה המלא.
7. הוציאו את הגוף או את הסדין "התחתון". הניחו אותו על משטח נקי, יבש ושטוח. קבע את גיליון האנקפסולציה לגיליון התחתון, והבטח יישור נכון על-ידי ניצול היתדות השחורות כדי למקם אותו כראוי במקומו.
8. יוצקים את תחתיות הקפסולה לתוך יריעת האנקפסולציה ומנערים כבעבר בתנועה סיבובית כדי למלא את החורים. יוצקים את עודפי תחתיות הקפסולה. זהה תחתיות קפסולה הפוכות והפוך אותן.
9. הסר את גיליון האנקפסולציה מהגיליון התחתון והנח אותו בצד.
10. שפכו את תערובת אבקת החומצה/הבסיס על היריעה התחתונה המלאה (איור 1G). השתמשו במפזר פלסטיק כדי למלא את תחתית הקפסולה באבקה (איור 1H). בדקו שכל תחתיות הקפסולה מלאות (איור 1I). יש להסיר אבקת חומצה/בסיס שאינה בשימוש.
11. הניחו את גיליון המכסה על משטח ישר ומקמו את היריעה האמצעית למעלה, יישרו אותה עם היתדות השחורות כדי להבטיח התאמה נכונה. הקפד ליישר את כל צמרות הקפסולה עם החורים המתאימים בסדין האמצעי.
12. הפוך את גיליון המכסה עם הגיליון האמצעי המודבק ויישר אותו עם הגיליון התחתון הממולא (איור 1J).
13. לחצו בעדינות כלפי מטה על יריעת המכסה באופן שווה מכל הצדדים כדי לחבר את החלק העליון והתחתון, והתאימו את שני צידי הקפסולה יחד (איור 1K).
14. הסר את גיליון המכסה ואת הגיליון האמצעי מהגיליון התחתון. בשלב זה, תחתיות הקפסולה והחלק העליון צריכים להיות מחוברים כראוי יחד.
    1. ודא שכל קפסולה עליונה ותחתונה מצוידות היטב; אם לא, לחץ ידנית על הקפסולה העליונה והתחתונה יחד כדי ליצור התאמה הדוקה. הסירו את הכמוסות המלאות והניחו אותן בכלי אטום וניתן לאטימה (איור 1L).
       הערה: לטיפול בטוח, חיוני שהמשתמשים ילבשו ציוד מגן אישי (PPE) והגנה על הפנים. יש להבטיח אוורור נאות ולנקוט אמצעי זהירות כדי למנוע בליעה, שאיפה ומגע עם החומר על העור, העיניים או הבגדים. בנוסף, חשוב למנוע היווצרות אבק. למידע מפורט בנוגע לבטיחות, עיין בגיליון נתוני הבטיחות (SDS) עבור חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט. כדי לשמור על שלמות כמוסות החומצה/בסיס, מומלץ לאחסן אותן הרחק מאור שמש ישיר ומלחות גבוהה. יש לאחסן את הכמוסות שאינן בשימוש בכלי אטום ואטום. כל עוד הכמוסות נשמרות יבשות וללא לחות, ניתן להשתמש בהן ביעילות כדי להבטיח פונקציונליות אופטימלית.

2. ייצור פקקי סיליקון

1. באמצעות מדפסת תלת-ממד למידול התכה (FDM) (ראה טבלת חומרים), הדפס לוח תבנית באמצעות קובץ STL המסופק בקובץ משלים 1.
2. הניחו סרט אריזה שקוף בצד התחתון של צלחת התבנית, כך שכל פתח יהיה אטום (איור 2A).
3. ערבבו יחס של 1:1 לפי משקל (למשל, 50 גרם כל אחד מחלק א' וחלק ב') של חומר תבנית הסיליקון הזמין מסחרית לכוס ערבוב (ראו טבלת חומרים). בעזרת כף חד פעמית מערבבים היטב את התרכובת הכימית במשך כ-5 דקות, או עד לקבלת אחידות.
4. מניחים את צלחת התבנית עם סרט האריזה על פיסת נייר. הנייר יתפוס כל שפיכת סיליקון פוטנציאלית מצלחת התבנית.
5. התחילו לשפוך את תערובת הסיליקון לתוך כל חור פקק, וודאו שכולם מלאים (איור 2B). השתמשו במכבש גומי כדי לפזר את הסיליקון לתוך כל חור פקק (איור 2C). מוציאים את שאריות תערובת הסיליקון מפני השטח של צלחת התבנית.
6. תנו לפקקי הגומי להתייבש במשך 4 שעות. אחרי שווידאתם שהפקקים נרפאו לגמרי (למשל, תערובת הסיליקון התייבשה והתקשתה לחלוטין), הסירו את הסרט מהחלק האחורי של צלחת התבנית (איור 2D), ואז התחילו למשוך את הפקקים החוצה מהתבנית (איור 2E).
7. הסירו את עודפי הסיליקון המחוברים לפקקים (איור 2F).

3. הרכבת תגי בלון

1. הכניסו בזהירות את כלי הפירסינג (למשל, פיק שיניים ישר) לתוך פקק הסיליקון (איור 3A) (ראו טבלת חומרים). הכניסו את כלי הפירסינג למחט מזרק 15G ולאחר מכן הסירו את כלי הפירסינג מפקק הסיליקון, והשאירו רק את מחט 15G בפנים (איור 3B). כלי הפירסינג ייצור חריץ בתוך פקק הסיליקון מבלי לחתוך או להסיר חומר כלשהו.
2. חתכו חתיכה של חוט דיג במשקל 50 ליברות (ראו טבלת חומרים) לאורך של 150 מ"מ. הכניסו את חוט הדיג דרך מחט מזרק 15G לתוך פקק הסיליקון (איור 3C).
   1. בזמן שאתם מחזיקים בזהירות את הפקק ואת חוט הדיג יחד, הסירו את מחט המזרק 15G מגוף הפקק, והשאירו את חוט הדיג בתוך הפקק (איור 3D). ודאו שאורך חוט הדיג אחיד משני צידי הפקק.
3. הכניסו שתי כמוסות מלאות חומצה/אבקת בסיס לבלון לטקס (איור 3E) (ראו טבלת חומרים). הרחיבו את פתח הבלון באמצעות כלי הרחבת הגומייה (כלומר, צבת גומייה לסירוס) ולאחר מכן הכניסו בזהירות פקק סיליקון אחד לפתח הבלון (איור 3F), תוך השארת שני הקצוות של חוט הדיג מחוץ לבלון.
4. הניחו שני אורינגים (רוחב 1.6 מ"מ, מזהה 8.1 מ"מ, ראו טבלת חומרים) על כלי הרחבת הגומייה והרחיבו אותם. הכניסו את צוואר בלון הלטקס דרך שתי טבעות ה-O המורחבות (איור 3G). משכו בזהירות את שתי טבעות ה-O מכלי הרחבת הגומיות, והשאירו אותן כרוכות בחוזקה סביב צוואר הבלון, במרכז הפקק (איור 3H).

4. חיבור תג בלון לכובעי דגים של חיישן

1. הכניסו קצה אחד של קו הדיג דרך אחד החורים הקטנים בכובע הדג (ראו טבלת חומרים) והעבירו אותו דרך החור הגדול במרכז הכובע (איור 4A).
2. קשרו את שני קצוות קו הדיג זה לזה, והשאירו כ-13 עד 26 מ"מ בין החלק העליון של הכובע לבסיס הבלון. השתמש בארבעה קשרים ידניים זה על גבי זה בעת קשירת חוט הדיג.
3. השאירו את חוט הדיג הנוסף מחובר, מאחר שחיתוך קרוב מדי לקשר עלול לגרום לקשר להתפרק (איור 4B).
4. בדוק את הקשר על ידי אחיזת חוט הדיג בכל צד של הקשר עם האצבעות ומשיכה חזקה ככל האפשר. היזהרו שלא להתקרב יותר מדי לבלון, מכיוון שהוא עלול לקרוע את חוט הדיג שלא במתכוון דרך פקק הגומי.

תוצאות

נערך מחקר לקביעת השיטות האופטימליות לייצור תגי בלון, תוך התמקדות בנפח ובטמפרטורה של המים המוזרקים לבלון. המחקר בחן פרמטרים שונים של תשומות, לרבות זמן התחלת אינפלציה, זמן אינפלציה מלא, זמן התחלת דפלציה ונפח הבלון באינפלציה מלאה. המחקר נערך ליד שולחן עם טמפרטורת סביבה של 21 מעלות צלזיוס.

Discussion

מחקר זה הגיע למסקנה כי תגי בלון של שלוש קפסולות שהוזרקו עם 5 מ"ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס היו בעלי זמן ניפוח התחלה איטי יותר ונפח גדול יותר באופן עקבי בהשוואה לתגי בלון של שתי קפסולות וארבע קפסולות. כאשר הוזרקו לתגי הבלון מים בטמפרטורה של 12.7 מעלות צלזיוס, הנפח הממוצע היה קטן יותר, וזמ...

Materials

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