Nowatorski sposób pobierania próbek wody za pomocą dronów pozwala na bezpieczniejsze i tańsze badania

Woda to źródło życia

Dla większości Amerykanów woda jest luksusem, którym można się cieszyć bez zastanowienia. Niestety istnieją też rejony takie jak Flint, Michigan, i wiele innych małych, wiejskich miasteczek w całych Stanach Zjednoczonych gdzie dostęp do czystej wody jest poważnie utrudniony.

Agencja Ochrony Środowiska (EPA) reguluje prawie 50 000 systemów wody publicznej (eng. CWSs – community water systems) w USA. W 2018 r. agencja zgłosiła naruszenia w ponad 30% tych systemów w zakresie jakości. Agencja chce teraz zmniejszyć liczbę niezgodnych z przepisami systemów wody publicznej o co najmniej jedną czwartą. I chce to zrobić przed końcem 2022 roku.

To właśnie tutaj wkraczają drony, odpowiadając na zapotrzebowanie na niedrogą technologię pobierania próbek wody z dużą częstotliwością w celu monitorowania i ulepszania naszych zasobów wodnych.

Reign Maker, nowojorska firma specjalizująca się w budowaniu niestandardowych rozwiązań dronowych, od 2014 roku współpracuje z Nowojorskim Departamentem Ochrony Środowiska (DEP) w zakresie efektywnego monitorowania zbiorników i obiektów ściekowych.

Kilka lat temu, Jessica Chosid, dyrektor generalny Reign Maker, podsłuchała zastępcę komisarza wyrażającego zaniepokojenie logistycznymi zawiłościami w zakresie pobierania próbek wody. Postanowiła przedstawić swojemu zespołowi inżynierów lotniczych i mechanicznych wyzwanie: zbudować narzędzie do pobierania próbek wody, które ułatwiłoby dronom zbieranie próbek i zapewniłoby łatwe zarządzanie danymi wodnymi.

Dziś firma Reign Maker ogłosiła wprowadzenie na rynek Nixie, nowatorskiego systemu pobierania próbek wody i śledzenia danych z czujników za pomocą dronów, który ma skrócić czas pobierania próbek wody o 75%.

Dlaczego pobieranie próbek wody ma znaczenie: perspektywa globalna

Zapewnienie dostępu do czystej wody i infrastruktury sanitarnej dla wszystkich jest jednym z 17 Celów Zrównoważonego Rozwoju wyznaczonych przez Organizację Narodów Zjednoczonych. Osiągnięcie tego celu nie będzie łatwe, biorąc pod uwagę, że jedna na trzy osoby na świecie nie ma dostępu do czystej wody pitnej.

Zrozumienie, co jest, a co nie jest obecne w naszych wodach, jest jednym z pierwszych kroków w kierunku opracowania polityki ochrony i dystrybucji wody.

Regularne, ilościowe pobieranie próbek wód powierzchniowych pozwala lokalnym społecznościom i osobom zarządzającym środowiskiem lepiej zrozumieć, w jaki sposób części wód zmieniają się w odpowiedzi na zanieczyszczenia i jak je chronić. Eksperci ds. jakości wody również potrzebują częstego pobierania próbek, aby przewidzieć, jak wody powierzchniowe zareagują na czynniki wyzwalające, takie jak przyszły rozwój gospodarczy lub zmiany klimatyczne.

I jak zauważa Chosid, „Potrzeba pobierania próbek będzie tylko rosła w najbliższej przyszłości, wraz ze wzrostem populacji, rozwojem przemysłowym i mieszkaniowym, rosnącymi regulacjami dotyczącymi wody i obawami związanymi z bezpieczeństwem narodowym.”

Tradycyjne techniki pobierania próbek wody nie sprawdzają się

Agencje rządowe, podmioty prywatne, grupy ochrony wód, jak również publiczne i prywatne przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mają do dyspozycji wiele metod i urządzeń do pobierania próbek wody EPA. Należą do nich: zanurzanie pojemnika z próbką, czerpaki, pompy perystaltyczne, dyskretne próbniki głębokościowe, kabłąki, wiadra, pompy zatapialne, a nawet automatyczne próbniki.

To, jaka metoda zostanie ostatecznie zastosowana, jest zwykle podyktowane fizyczną lokalizacją badacza. Idealnie byłoby jednak unikać pobierania próbek z górnej powierzchni wody, ponieważ nie jest to prawdziwie charakterystyczne dla danego zbiornika wodnego.

Problem polega na tym, że większość technik pobierania próbek wody jest czasochłonna, skomplikowana logistycznie, pracochłonna i w dużym stopniu zależna od użycia łodzi i zespołu do ich obsługi. Są one również podatne na błędy ludzkie.

„Podczas gdy wielu myśli, że analiza jakości wody zaczyna się w laboratorium, tak naprawdę zaczyna się ona podczas zbierania próbki,” wyjaśnia Chosid. „Zbieranie próbek jest krytycznie ważne, ponieważ większość błędów podczas analizy jakości wody występuje właśnie na tym etapie”.

Usprawnione pobieranie próbek wody z drona dzięki Nixie

Metoda pobierania Nixie jest najbardziej podobna do metody zanurzania, która wykorzystuje pojemnik na próbki. Tyle tylko, że zamiast łodzi używa dronów.

Urządzenie zostało zaprojektowane tak, aby pomieścić zatwierdzone przez EPA butelki do pobierania próbek wody i może z łatwością zanurzyć się na głębokość 0.6 metra w wodach o nurcie do 5 węzłów. Takie możliwości pozwalają Nixie spełniać, a nawet wykraczać poza federalne wytyczne EPA, gwarantując, że nie zbiera się jedynie wierzchniej warstwy wody.

Sposób działania jest również dość prosty: Podłączasz Nixie do drona DJI M600 lub Matrice 300 RTK i wkładasz butelkę zbierającą – cała procedura odbywa się gdy dron unosi sie w pobliżu Ciebie. Następnie nawigujesz dronem do obszaru docelowego i opuszczasz Nixie pod powierzchnię wody. Po zakończeniu procesu zbierania próbek, wyjmujesz butelkę z próbką w ten sam sposób jak podczas wkładania butelki. Potem wystarczy już tylko powtórzyć cały proces tyle razy ile potrzebujesz.

Wstępne wdrożenia Nixie dowiodły, że urządzenie może skrócić czas pobierania próbek wody o 75 procent, mówi Chosid.

„DEP w Nowym Jorku zbiera około 30 próbek dziennie, używając łodzi, kapitanów i trzyosobowej załogi próbkującej. Nixie może zebrać 120 próbek w ciągu tej samej 7-godzinnej zmiany.”

Nixie jest nie tylko znacznie szybszy, ale także o wiele bardziej precyzyjny i skuteczny niż tradycyjne procedury pobierania próbek wody.

Oprócz zbierania próbek jakości wody, Nixie wykorzystuje GPS drona do rejestrowania danych telemetrycznych – współrzędnych czasu i lokalizacji. Ten krok w znacznym stopniu przyczynia się do poprawy łańcucha nadzoru nad próbką. Ponadto, mając dostęp do historycznych logów GPS, Nixie może zanurzyć się dokładnie w tym samym miejscu, co poprzednio, aby przedstawić najdokładniejszy obraz zmieniającej się jakości wody.

„I nie zapominajmy, że pobieranie próbek wody za pomocą drona z Nixie może być przeprowadzone natychmiast po krytycznym zdarzeniu wodnym, nawet w obszarach, w których może nie być bezpieczne dla ludzi, prowadzących badania fizycznie” – dodaje Chosid.

Co ciekawe, Reign Maker rozwija również Nixie Advanced – system oparty na czujnikach, który całkowicie wyeliminuje potrzebę fizycznego zbierania próbek. System będzie okresowo badał ponad 20 różnych parametrów wody i automatycznie przesyłał dane do tablicy analitycznej, aby w przyszłości stać się pierwszą na świecie scentralizowaną bazą danych wody.

Obniżenie kosztów dzięki pobieraniu próbek wody za pomocą drona

„Nowy Jork zbiera 14,000 próbek dotyczących jakości wody rocznie. Średnio, kosztuje to ponad 100 dolarów za próbkę. Dzięki pobieraniu próbek wody za pomocą drona Nixie, koszt może być tak niski, jak 10 dolarów za zanurzenie.”

Zasadniczo, Nixie jest planowany jako produkt pasywnego gromadzenia danych, zapewniający zarówno pobieranie próbek wody z drona, jak i platformę aplikacji do zarządzania danymi. Częstsze zanurzenia i zbieranie danych umożliwia Reign Maker znaczne obniżenie kosztów pobierania próbek dla agencji rządowych i zakładów wodociągowych.

Ekosystem dronów DJI napędza innowacje

Cała ta kluczowa praca, jak mówi Chosid, nie byłaby możliwa bez DJI Payload SDK i ekosystemu deweloperów, gdzie jedynym czynnikiem ograniczającym jest własna wyobraźnia deweloperów.

„Ponieważ większość innowacji w ekosystemie dronów pochodzi od małych, zdolnych deweloperów, technologia musi być dostępna i łatwo skalowalna”. I to jest dokładnie to, co robi DJI.

Chociaż Nixie jest przewidziany do adaptacji do każdej platformy dronów ciężkich w nadchodzących czasach, Chosid mówi, że skupiła się na platformach M600 i Matrice 300 RTK dla wstępnej integracji ze względu na dominację rynkową tych produktów.

Podkreśla, „Otwarte SDK firmy DJI pozwala na bezproblemową integrację payloadu, co jest niezbędne dla rozwoju progresywnych technologii. Rozwijające się firmy, takie jak nasza, potrzebują otwartego systemu, aby kontynuować innowacje w krytycznej dziedzinie zrównoważonego rozwoju wody.”

Zrównoważona gospodarka wodna ma rzeczywiście kluczowe znaczenie dla zapewnienia Amerykanom i reszcie ludności świata łatwego dostępu do tego, co uważa się za podstawowe prawo człowieka. Jak wyraźnie stwierdza Organizacja Narodów Zjednoczonych, bez lepszej gospodarki wodnej ucierpi produkcja żywności, miliony ludzi będą nadal umierać z powodu chorób związanych z zanieczyszczeniem wody, a także nastąpi dalsza utrata bioróżnorodności i odporności ekosystemów.

Pobieranie próbek wody za pomocą dronów jest zdecydowanie krokiem w dobrym kierunku jeśli chodzi o lepszą ocenę jakości wody i badanie przyczyn jej pogorszenia.