pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2023-14-2-106-114pimi-822Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПроект автономного микрокатера с лазерным устройством для оценки загрязнения микропластиком акватории водоёмовThe Project of an Autonomous Microboat with a Laser Device for Estimation of Water Area Pollution by MicroplasticАлексеевВ. А.AlekseevV. A.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia

ЮранС. И.YuranS. I.

Адрес для переписки:Юран С.И. -Удмуртский государственный аграрный университет, ул. Студенческая, 11, г. Ижевск 426069, Россия. e-mail: yuran-49@yandex.ru

Address for correspondence:Yuran S.I. –Udmurt State Agrarian University, Studencheskaya str., 11, Izhevsk 426069, Russia e-mail: yuran-49@yandex.ru

yuran-49@yandex.ruЗариповМ. Р.ZaripovM. R.

ул. имени Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

Baramzina str., 34, Izhevsk 426067, Russia

УсольцевВ. П.UsoltsevV. P.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian FederationУдмуртский государственный аграрный университетРоссияUdmurt State Agrarian UniversityRussian FederationУдмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наукРоссияUdmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202309082023142106114Copyright © Алексеев В.А., Юран С.И., Зарипов М.Р., Усольцев В.П., 20232023Алексеев В.А., Юран С.И., Зарипов М.Р., Усольцев В.П.Alekseev V.A., Yuran S.I., Zaripov M.R., Usoltsev V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/822

Загрязнение акваторий водоёмов частицами микропластика размером менее 5 мм является серьезной экологической проблемой. Обычно исследования загрязнений водоёмов проводят методом взятия проб воды с дальнейшей их оценкой в лаборатории. Поэтому актуальной является задача исследования акваторий водоёмов на наличие пластика в режиме реального времени с выявлением пятен обширных загрязнений.

В статье рассматривается проект создания автономного беспилотного исследовательского аппарата, работающего в акватории водоёма, с передачей данных исследований в центр обработки информации. Аппарат производит лазерное зондирование водной среды для обнаружения микрочастиц полиэтилена и построения карт пятен загрязнений в исследуемой акватории водоёма.

Для реализации предлагаемого проекта решаются следующие задачи:

Предлагается новый подход, заключающийся в создании автономного микрокатера, который исследует акваторию водоёма по маршруту, задаваемому из центра управления, находящегося на берегу. Исследование предполагает обнаружение микрочастиц в определённом объёме жидкости, протекающей через исследовательскую трубу, установленную в днище катера. Внутри трубы расположена труба Шаубергера, в центральной части которой концентрируются частицы, что позволяет проводить поиск частиц при зондировании лазерным излучением с длиной волны около 3,5 мкм, на которой пиковое поглощение излучения полиэтиленом многократно превышает поглощение излучения водой.

Для обеспечения энергоэффективности микрокатера предложено использовать схему сложения импульсов лазерного излучения с использованием оптоволоконной линии оптической задержки. Это позволяет почти на порядок уменьшить энергопотребление лазера. Предлагаемый проект катера позволит проводить исследования крупных водоёмов с определением пятен загрязнений микрочастицами пластика. В статье приведены примеры используемого оптоволокна, фотоприёмника и лазерного излучателя для решаемой задачи.

Water area pollution by microplastic particles smaller than 5 mm is a serious environmental problem. Usually, studies of water pollution are carried out by taking water samples with their further analysis in the laboratory. Therefore, study of the water areas for the presence of plastic with the identification of extensive pollution sites in real time is actual.

The project of an autonomous unmanned research vehicle operating in water area and transferring the research data to the information processing center is discussed in the article. The device produces laser probing of the aquatic environment to detect polyethylene microparticles and to build maps of pollution sites in the studied water area.

To implement the proposed project, the following tasks are solved:

A new approach which consists in creating an autonomous microboat that explores the water area along a route set from a control center located on the shore is proposed. The study involves the detection of microparticles in a certain volume of liquid flowing through a research tube installed in the bottom of the boat. There is a Schauberger tube in the central part of which particles are concentrated inside the tube. It makes possible to search for particles by laser probing with a wavelength about 3.5 μm, on which the peak absorption of light by polyethylene many times exceeds the water absorption.

To ensure the energy efficiency of the microboat it is proposed to use a scheme for laser pulses combining using a fiber-optic delay line. This makes it possible to reduce the power consumption of the laser by almost an order of magnitude. The proposed project of the boat will make it possible to conduct studies of large water areas with the detection of plastic microparticles’ pollution sites. Examples of the used optical fiber, photodetector and laser source for the problem being solved are derived in the article.

лазерное зондированиемикрокатермикрочастицы пластикаlaser probingmicroboatplastic microparticlesReferencesPlastic Pollution in the World’s Oceans [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:// journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal. pone.0111913 (дата доступа: 04.05.2023).Plastic pollution of the world's oceans [Electronic Resource]. Available at: https://journals.plos.org/plosone/ article?id=10.1371/journal.pone.0111913 (accessed: 04.05.2023).Ильина О.В. Пластиковое загрязнение прибрежных поверхностных вод среднего и южного Байкала / О.В. Ильина, М.Ю. Колобов, В.В. Ильинский // Водные ресурсы. – 2021. – Т. 48. – № 1. – С. 42‒51. DOI: 10.31857/S0321059621010181Il'ina O.V., Kolobov M.YU., Il'inskij V.V. Plastikovoe zagryaznenie pribrezhnyh poverhnostnyh vod srednego i yuzhnogo Bajkala [Plastic pollution of the coastal surface water in the middle and southern Baikal]. Vodnye resursy [Water resources], 2021, vol. 48, no. 1, pp. 56‒64 (in Russian). DOI: 10.1134/S0097807821010188Зобков М.Б. Микропластик в морской среде: обзор методов отбора, подготовки и анализа проб воды, донных отложений и береговых наносов / М.Б. Зобков, Е.Е. Есюкова // Океанология. – 2018. – Т. 58. – № 1. – С. 149‒157. DOI: 10.7868/S0030157418010148Zobkov M.B., Esyukova E.E. Mikroplastik v morskoj srede: obzor metodov otbora, podgotovki i analiza prob vody, donnyh otlozhenij i beregovyh nanosov [Microplastics in the marine environment: review of methods for sampling, preparation and analysis of water samples, bottom sediments and coastal sediments]. Okeanologiya [Oceanology], 2018, vol. 58, no. 1, pp. 149‒157 (in Russian). DOI: 10.7868/S0030157418010148Lenz R., Labrenz M. Small Microplastic Sampling in Water: Development of an Encapsulated Filtration Device. Water, 2018, vol. 10, iss. 8, p. 1055. DOI: 10.3390/w10081055Lenz R., Labrenz M. Small Microplastic Sampling in Water: Development of an Encapsulated Filtration Device. Water, 2018, vol. 10, iss. 8, p. 1055. DOI: 10.3390/w10081055Hildebrandt L. [et al.] Evaluation of continuous flow centrifugation as an alternative technique to sample microplastic from water bodies. Marine Environmental Research, 2019, vol. 151, p. 104768. DOI: 10.1016/j.marenvres.2019.104768Hildebrandt L., Voigt N., Zimmermann T., Reese A., Proefrock D. Evaluation of continuous flow centrifugation as an alternative technique to sample microplastic from water bodies. Marine Environmental Research, 2019, vol. 151, p. 104768. DOI: 10.1016/j.marenvres. 2019.104768Патент 206110 РФ, МПК G01N 1/02. Пробоотборник для определения содержания микропластика в морской воде (HydroPuMP) / А.А. Ершова, Ю.А. Татаренко // Заявитель: Российский государственный гидрометеорологический университет. Заявка № 2020144043 от 28.12.2020. Опубл. 24.08.2021. Бюл. № 24.Ershova A.A., Tatarenko Yu.A. Probootbornik dlya opredeleniya soderzhaniya mikro-plastika v morskoj vode (Hydro PuMP) [Sampler for determining the content of microplastics in seawater (Hydro PuMP)]. Patent RF, no. 206110, 2021.Hidalgo-Ruz V., Gutow L., Thompson R.C., Thiel M. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environ. Sci. Technol, 2012, vol. 46, no. 6, pp. 3060– 3075 DOI: 10.1021/es2031505Hidalgo-Ruz V., Gutow L., Thompson R.C., Thiel M. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environ. Sci. Technol., 2012, vol. 46, no. 6, pp. 3060‒3075. DOI: 10.1021/es2031505Ourgaud M. [et al.] Identification and Quantification of Microplastics in the Marine Environment Using the Laser Direct Infrared (LDIR) Technique. Environ. Sci. Technol., 2022, vol. 56, no. 14, pp. 9999–10009. DOI: 10.1021/acs.est.1c08870Ourgaud M., Phuong N.N., Papillon L., Panagiotopoulos C., Galgani F., Schmidt N., Fauvelle V., BrachPapa C., Sempéré R. Identification and Quantification of Microplastics in the Marine Environment Using the Laser Direct Infrared (LDIR) Technique. Environ. Sci. Technol., 2022, vol. 56, no. 14, pp. 9999–10009. DOI: 10.1021/acs.est.1c08870Yang J. [et al.] Microplastics in different water samples (seawater, freshwater, and wastewater): Methodology approach for characterization using micro-FTIR spectroscopy. Water Research, 2023, vol. 232, no. 1. p. 119711 DOI: 10.1016/j.watres.2023.119711Yang J., Monnot M., Sun Y., Asia L., Wong-WahChung P., Doumenq P., Moulin P. Microplastics in different water samples (seawater, freshwater, and wastewater): Methodology approach for characterization using microFTIR spectroscopy. Water Research, 2023, vol. 232, no. 1, April, р. 119711. DOI: 10.1016/j.watres.2023.119711Coldewey D. Saildrone takes the wraps off its Voyager autonomous research vessel. Tech Crunch, March 2023. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://techcrunch.com/2023/03/28/saildrone-takes-the-wraps-off-its-voyager-autonomous-research-vessel/ (дата доступа: 04.05.2023).Coldewey D. Saildrone takes the wraps off its Voyager autonomous research vessel. Tech Crunch, March 2023. [Electronic Resource]. Available at: https://techcrunch.com/2023/03/28/saildrone-takes-the-wraps-off-its-voyager-autonomous-research-vessel (accessed: 04.05.2023).Патент 2775302 РФ, МПК G01N 1/10, G01N 21/01. Устройство для отбора и оценки проб жидкости / В.А. Алексеев, В.П. Усольцев, С.И. Юран // Заявитель Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. Заявка № 2021130069 от 14.10.2021. Опубл. 29.06.2022. Бюл. № 19.Alekseev V.A., Usoltsev V.P. Yuran S.I. Ustrojstvo dlya otbora i ocenki prob zhidkosti [Device for sampling and evaluation of liquid samples]. Patent RF, no. 2775302, 2022.Шаубергер В. Энергия воды / В. Шаубергер. – Москва: Эксмо, 2007. – 320 с.Schauberger V. Energiya vody [Water energy]. Moscow, Eksmo Publ., 2007, 320 p.Збинден Р. Инфракрасная спектроскопия высокополимеров / Р. Збинден. – М.: Мир, 1966. – 355 с.Zbinden R. Infrakrasnaya spektroskopiya vysokopolimerov [Infrared spectroscopy of high polymers]. Moscow, Mir Publ., 1966, 355 p.Шыхалиев К.С. Изучение механизма сшивания и структуры сшитого полиэтилена / К.С. Шыхалиев // Евразийский союз ученых. – 2018. – № 4. – С. 73‒77.Shyhaliev K.S. Izuchenie mekhanizma sshivaniya i struktury sshitogo polietilena [Study of the mechanism of crosslinking and the structure of cross-linked polyethylene]. Evrazijskij soyuz uchenyh [Eurasian Union of Scientists], 2018, no. 4, pp. 73‒77 (in Russian).Спектры молекул и твердых тел. Спектр поглощения воды [Электронный ресурс]. ‒ Режим доступа: http://www.myshared.ru/slide/644303/ (дата доступа: 04.05.2023).Spektry molekul i tverdyh tel. Spektr pogloshcheniya vody [Spectra of molecules and solids. Water absorption spectrum] [Electronic Resource]. Available at: http://www.myshared.ru/slide/644303/ (accessed: 04.05.2023) (in Russian).Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды / Г.В. Юхневич. – М.: Наука, 1973. – 210 с.Yuhnevich G.V. Infrakrasnaya spektroskopiya vody [Infrared spectroscopy of water]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 210 p.Купцов А.Х. Фурье-КР и Фурье-ИК спектры полимеров / А.Х. Купцов, Г.Н. Жижин. – Москва: Техносфера, 2013. – 696 с.Kuptsov A.H., Zhizhin G.N. Fur'e-KR i Fur'e-IK spektry polimerov [Fourier-Raman and Fourier-IR spectra of polymers]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2013, 696 p.Алексеев В.А. Повышение пиковой мощности импульсного источника лазерного излучения с применением кольцевой волоконной линии задержки / В.А. Алексеев [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10, № 2. – С. 151–159. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-2-151-159Alekseev V.A., Zaripov M.R., Perminov A.S., Sitnikova E.A., Usol’tsev V.P., Yuran S.I. Increasing of Pulsed Laser Source Peak Power by Use of Ring FiberOptic Delay Line. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 2, pp. 151‒159 (In Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-2-151-159Патент 189439 РФ, МПК H01S 3/10, G02B 6/00. Источник импульсного лазерного излучения / В.А. Алексеев [и др.] // Заявитель Ижевский ГТУ имени М.Т. Калашникова. Заявка №2018137513 от 23.10.2018. Опубл. 22.05.2019. Бюл. № 15.Alekseev V.A., Yuran S.I., Perminov A.S., Usoltsev V.P., Zaripov M.R. Istochnik impul'snogo lazernogo izlucheniya [Source of pulsed laser radiation]. Patent RF, no. 189439, 2019.Отечественные разработки ИК оптических материалов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия/ Л.В. Жукова [идр.] // Оптика и спектроскопия. – 2018. – T. 125. – Вып. 6. – С. 763–773. DOI: 10.21883/OS.2018.12.46936.156-18ZHukova L.V., L'vov A.E., Korsakov A.S., Salimgareev D.D., Korsakov V.S. [Domestic developments of IR optical materials based on solid solutions of silver halides and mono-valent thallium]. Optika i spektroskopiya [Optics and spectroscopy], 2018, vol. 125, iss. 6, pp. 763‒773 (in Russian). DOI: 10.21883/OS.2018.12.46936.156-18Mid-Infrared (MIR) Photodiode: Electro Optical Components, Inc. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eoc-inc.com/ (дата доступа: 03.06.2023).Mid-Infrared (MIR) Photodiode: Electro Optical Components, Inc. [Electronic Resource]. Available at: http://www.eoc-inc.com/ (accessed: 03.06.2023)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.