3D-trykte vejrstationer kunne muliggøre mere videnskab for færre penge

Et billigt overvågningssystem med 3D-trykte dele og billige sensorer holder muligvis ikke så længe som en kommerciel, men det kan være lige så præcist, fandt forskere.

I hele USA, vejrstationer bestående af instrumenter og sensorer overvåger de forhold, der producerer vores lokale prognoser, som lufttemperatur, vindhastighed og nedbør. Disse systemer er ikke kun vejrmonitorer, de er også stærke værktøjer til forskning om emner fra landbrug til produktion af vedvarende energi.

Kommercielle vejrstationer kan koste tusinder af dollars, begrænser både deres tilgængelighed og dermed mængden af ​​klimadata, der kan indsamles. Men fremkomsten af ​​3D-print og billige sensorer har gjort det muligt at bygge en vejrstation for et par hundrede dollars. Kan disse være billige, hjemmelavede versioner klarer sig lige så godt som deres dyrere kolleger?

Svaret er ja - op til et punkt, ifølge forskere, der testede en 3D-trykt vejrstation i Oklahoma. Adam K. Theisen, en atmosfærisk og jordforsker ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, ledet projektet, som sammenlignede den trykte station med en station i kommerciel kvalitet i otte måneder for at se, om den var præcis, og hvor godt den kunne holde til elementerne.

Tredimensionel udskrivning bruger digitale modeller til at producere fysiske objekter i farten. Dens lave omkostninger og muligheden for at udskrive dele, uanset hvor du kan slæbe en printer, kan hjælpe med at udvide antallet af disse stationer, hjælper med at bringe dataindsamling til fjerntliggende områder og uddanne morgendagens forskere.

Et team ved University of Oklahoma fulgte vejledningen og open source-planerne udviklet af 3D-trykt automatisk vejrstation (3-D-PAWS) Initiative ved University Corporation for Atmospheric Research for at udskrive over 100 vejrstationsdele. I stedet for at bruge polymælkesyre, mere almindeligt brugt i 3D-udskrivning, de vendte sig til acrylonitrilstyrenacrylat, en type plastfilament, der betragtes som mere holdbar udendørs. Kombineret med billige sensorer, de 3D-trykte dele danner grundlag for disse nye systemer, som 3-D-PAWS Initiative etablerede som lovende i tidligere forsøg.

"For at dette kan få en mere udbredt adoption, den skal gennemgå verifikations- og valideringsundersøgelser som denne, "Sagde Theisen.

Mens det 3D-trykte system begyndte at vise tegn på problemer omkring fem måneder inde i forsøget-den relative fugtighedssensor tærede og mislykkedes, og nogle dele blev til sidst forringet eller gik i stykker-dens målinger var på niveau med dem fra en kommerciel station i Oklahoma Mesonet, et netværk designet og implementeret af forskere ved University of Oklahoma og ved Oklahoma State University.

"Jeg forventede ikke, at denne station ville fungere næsten lige så godt som den gjorde, "sagde Theisen." Selvom komponenter begyndte at nedbrydes, resultaterne viser, at denne slags vejrstationer kan være levedygtige til kortere kampagner. "

Theisen, som var baseret på University of Oklahoma, da forskningen begyndte, fortsatte med at føre tilsyn med indsatsen efter tilslutning til Argonne.

I forsøget, lavpris sensorer nøjagtigt målt temperatur, tryk, regn, UV og relativ luftfugtighed. Med undtagelse af et par instrumenter, plastmaterialet holdt i Oklahoma-vejret fra midten af ​​august 2018 til midten af ​​april året efter, en periode, der oplevede stærke regnbyger, sne og temperaturer fra 14 til 104 grader F (-10 til 40 grader C). Et 3D-trykt vindmåler, som måler vindhastighed, præsterede ikke så godt, men kunne delvist forbedres med bedre udskriftskvalitet.

Projektet, som blev ledet af bachelorstuderende ved University of Oklahoma, bekræftede både nøjagtigheden af ​​en 3D-trykt vejrstation og dens værdi som et uddannelsesværktøj.

"Eleverne lærte færdigheder, de ikke ville have hentet i klasseværelset, "Theisen sagde." De udviklede forslaget, designet rammen, og lavede det meste af tryk og ledninger. "

Muligheden for at udskrive specialkomponenter kan gøre vejrstationer mere mulige i fjerntliggende områder, fordi udskiftningsdele kan fremstilles med det samme, når det er nødvendigt. Og selvom en billigere sensor går i stykker efter et par måneder, matematikken fungerer stadig for et lavt budget.

"Hvis du taler om at udskifte to eller tre af disse billige sensorer kontra vedligeholdelse og kalibrering af $ 1, 000 sensor hvert år, det er en stærk cost-benefit at overveje, "bemærkede Theisen.

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Atmosfæriske måleteknikker , 4. september, 2020.