Cách vòng Bắc Cực hàng trăm dặm về phía bắc, các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đảm bảo thu thập dữ liệu thời tiết và khí hậu quan trọng. Bằng cách chuyển đổi khí được sử dụng trong khinh khí cầu thời tiết của mình, họ đã giảm dấu ấn ẩn dụ của mình đối với hệ sinh thái mong manh ở Bắc Cực.
Hơn ba năm trước, cơ sở đo lường khí quyển do Sandia vận hành ở Alaska đã chuyển từ việc phóng khí heli sang phóng các khí cầu thời tiết chứa đầy hydro được sản xuất tại chỗ. Kể từ đó, họ đã phóng gần 5.000 quả bóng bay hydro với các vấn đề tối thiểu.
Công tắc này giúp giảm đáng kể chi phí vận chuyển và lượng khí thải của việc vận chuyển helium đến Utqiaġvik, trước đây gọi là Barrow, thành phố cực bắc của Hoa Kỳ và là địa điểm của cơ sở đo lường khí quyển North Slope of Alaska.
Đài quan sát do Sandia vận hành cho cơ sở người dùng Đo lường bức xạ khí quyển của Văn phòng Khoa học Năng lượng, đã thu thập dữ liệu thời tiết và khí hậu , bao gồm dữ liệu chuyên biệt về các đám mây ở Bắc Cực, trong hơn 25 năm. Dữ liệu của ARM được cung cấp miễn phí cho các nhà nghiên cứu tại các trường đại học và phòng thí nghiệm quốc gia, và rất quan trọng để tinh chỉnh các mô hình khí hậu, đặc biệt là các mô hình ở Bắc Cực đang nóng lên nhanh chóng.
Việc chuyển đổi từ helium không thể tái tạo sang hydro được thực hiện nhờ sự hợp tác giữa Dịch vụ thời tiết quốc gia và DOE. Dịch vụ thời tiết quốc gia đã cung cấp thiết bị điện phân, sử dụng điện để biến nước thành khí hydro và khí oxy, đồng thời cung cấp dịch vụ bảo trì thiết bị thường xuyên. Đổi lại, cơ sở ARM do Sandia điều hành sẽ phóng hai quả bóng bay thời tiết mỗi ngày cho dịch vụ thời tiết .
"Giữa Utqiaġvik và Oliktok Point, một triển khai di động ARM dài hạn đã kết thúc hoạt động vào năm 2021, chúng tôi là những người sử dụng helium nhiều nhất ở bang Alaska," Fred Helsel, kỹ sư hệ thống, người đứng đầu nỗ lực đảm bảo việc chuyển đổi được thực hiện. an toàn và trơn tru. "Dịch vụ thời tiết quốc gia thật tuyệt khi được làm việc cùng."
Đảm bảo phóng an toàn
Việc chuyển đổi từ helium sang hydro này không phải là không có những lo ngại về an toàn—hydro nổi tiếng là dễ cháy, còn helium thì không—nhưng Helsel đã làm việc với Dịch vụ thời tiết quốc gia, điều phối viên môi trường, an toàn và sức khỏe của bộ phận, phòng cháy chữa cháy và an toàn áp suất Sandia, người dùng ARM cơ sở và nhà sản xuất thiết bị phóng khinh khí cầu tự động để giảm rủi ro.
Andrew Glen, giám đốc nhóm nghiên cứu khoa học khí quyển của Sandia cho biết: “Hydrogen đang trở thành một nguồn năng lượng xanh và là một giải pháp thay thế sạch hơn cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống để vận chuyển. "Dự án này sử dụng hydro theo một cách khác, tận dụng các đặc tính nhẹ hơn không khí của nó để phóng khinh khí cầu. Chúng tôi có lợi cho quốc gia và thế giới để giảm sự phụ thuộc vào sản phẩm phụ của nhiên liệu hóa thạch, helium và giảm lượng khí thải carbon bằng cách không vận chuyển bình khí heli đến địa điểm."
Một trong những biện pháp an toàn mà nhóm đưa ra bao gồm đảm bảo rằng bể chứa hydro nằm bên ngoài tòa nhà nơi thiết bị điện phân hoạt động. Helsel cho biết điều này đã làm giảm lượng khí dễ cháy có sẵn bên trong tòa nhà để đáp ứng các quy tắc an toàn quốc gia và các yêu cầu của Sandia. Ông nói thêm, một số địa điểm của Dịch vụ thời tiết quốc gia đã chuyển sang sử dụng hydro đã lưu trữ các thùng chứa riêng biệt với máy phát điện, nhưng phân tích an toàn của Sandia đã khuyến khích dịch vụ điều chỉnh thiết kế của họ để nâng cấp địa điểm tiếp theo.
Sandia đã sử dụng máy phóng khinh khí cầu tự động trong hơn một thập kỷ, nhưng nó thỉnh thoảng gặp sự cố kỹ thuật. Khi điều này xảy ra, những người quan sát ở Utqiaġvik sẽ đổ đầy khí heli dự phòng vào các quả bóng bay thời tiết ARM và phóng chúng bằng tay. Helsel cho biết thêm, cơ sở này không có phê duyệt an toàn để đổ đầy và phóng một quả bóng bay bằng hydro theo cách thủ công.
An toàn cũng vốn có trong máy phóng khinh khí cầu tự động. Helsel cho biết quả bóng chứa đầy khí bên trong một ống phóng giúp giữ hydro bên ngoài tòa nhà phóng. Và ống phóng có các quạt đảm bảo rằng hydro không thể tích tụ bên trong nó, ngay cả khi một quả bóng bay bị rò rỉ hoặc vỡ trong quá trình bơm hơi.
Tiết kiệm tiền và môi trường
Helsel cho biết khinh khí cầu hydro chính thức đầu tiên được phóng từ Utqiaġvik vào ngày 16 tháng 12 năm 2019, lúc 2:01 chiều giờ địa phương, với gần 5.000 lần phóng kể từ đó mà chỉ gặp sự cố nhỏ. Máy phóng khinh khí cầu tự động ban đầu đã được thay thế vào tháng 8 năm ngoái bằng một mẫu mới hơn.
Trang web Utqiaġvik phóng bốn quả bóng bay thời tiết mỗi ngày, hai quả bóng bay cho Dịch vụ thời tiết quốc gia và hai quả bóng bay cho ARM. Mỗi khinh khí cầu thời tiết mang một gói cảm biến đặc biệt ở độ cao hàng chục nghìn feet vào tầng bình lưu để thu thập và truyền dữ liệu về áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của khí quyển. Dữ liệu từ các quả bóng bay của Dịch vụ thời tiết quốc gia, được phóng 12 giờ một lần, được sử dụng để dự báo thời tiết. Helsel cho biết dữ liệu từ các quả bóng bay ARM, được phóng ra sau đó 6 giờ, được sử dụng để nghiên cứu khí quyển và khí hậu.
Helsel cho biết cơ sở ở Utqiaġvik đã từng chi khoảng 60.000 đô la mỗi năm cho khí heli và chi phí vận chuyển cho bóng bay thời tiết ARM . Tuy nhiên, với tình trạng thiếu hụt khí heli và lạm phát hiện nay, tổng số tiền tiết kiệm được trong ba năm rưỡi qua nhờ việc chuyển đổi có thể dễ dàng lên tới hơn 200.000 USD.
Glen cho biết phần lớn vật liệu rời được vận chuyển đến Utqiaġvik bằng sà lan hàng năm từ Anchorage. "Một con tàu, mỗi năm một lần," anh nói thêm. "Nếu nó không ở trên đó, nó phải đến trên một chiếc máy bay." Ông nói , và việc vận chuyển các xi lanh khí nén lớn bằng đường hàng không đi kèm với lượng khí thải carbon khá lớn bên cạnh lượng khí thải thoát ra từ quá trình xử lý helium.
Glen cho biết, các trang web ARM khác ở những nơi khác ở Hoa Kỳ đang đánh giá xem liệu có hợp lý hay không khi chuyển từ helium—một sản phẩm phụ của ngành dầu khí—sang hydro tại chỗ hoặc được sản xuất tại địa phương .
"Bắc Cực là một cộng đồng rất chặt chẽ, vì vậy việc duy trì mối quan hệ giữa Cơ quan Thời tiết Quốc gia, Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia, ARM, Sandia và người Iñupiaq của Utqiagvik cùng nhau là rất quan trọng để hoàn thành công việc ở đó," Glen nói.
"Bắc Cực là điểm bùng phát của biến đổi khí hậu. Chúng tôi đang chứng kiến nhiệt độ ở Bắc Cực tăng gấp bốn lần so với phần còn lại của Hoa Kỳ. Dữ liệu từ trang web ARM rất quan trọng đối với hồ sơ dài hạn và đối với các mô hình khí hậu tính đến những thay đổi đó."
