Проект автономного микрокатера с лазерным устройством для оценки загрязнения микропластиком акватории водоёмов

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:

• обнаружение микрочастиц пластика в исследуемом объёме водной среды, где размеры частиц на несколько порядков меньше исследуемого объёма;
• идентификация микрочастиц при наличии в исследуемом объёме водной среды частиц других видов веществ;
• оценка количества частиц в условном объёме водной среды.

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.

1. Plastic 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).

2. 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/S0321059621010181

3. Зобков 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/S0030157418010148

4. Lenz 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/w10081055

5. Hildebrandt 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.2019.104768

6. Патент 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.

7. 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/es2031505

8. Ourgaud 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.1c08870

9. Yang 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.2023.119711

10. Coldewey 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).

11. 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.

12. Шаубергер В. Энергия воды / В. Шаубергер. – Москва: Эксмо, 2007. – 320 с.

13. Збинден Р. Инфракрасная спектроскопия высокополимеров / Р. Збинден. – М.: Мир, 1966. – 355 с.

14. Шыхалиев К.С. Изучение механизма сшивания и структуры сшитого полиэтилена / К.С. Шыхалиев // Евразийский союз ученых. – 2018. – № 4. – С. 73‒77.

15. Спектры молекул и твердых тел. Спектр поглощения воды [Электронный ресурс]. ‒ Режим доступа: http://www.myshared.ru/slide/644303/ (дата доступа: 04.05.2023).

16. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды / Г.В. Юхневич. – М.: Наука, 1973. – 210 с.

17. Купцов А.Х. Фурье-КР и Фурье-ИК спектры полимеров / А.Х. Купцов, Г.Н. Жижин. – Москва: Техносфера, 2013. – 696 с.

18. 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: 10.21122/2220-9506-2019-10-2-151-159

19. Патент 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.

20. 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.2018.12.46936.156-18

21. Mid-Infrared (MIR) Photodiode: Electro Optical Components, Inc. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eoc-inc.com/ (дата доступа: 03.06.2023).