«Умный» дночерпатель повысит эффективность экологических исследований водоемов
Интеллектуальную систему управления дночерпателем — устройством для забора грунта со дна рек и озер — разработали в Санкт-Петербургском Федеральном исследовательском центре (СПб ФИЦ) РАН. Она способна автоматически распознавать тип грунта, проводить работы при значительном волнении на акватории, фиксировать температуру на различных глубинах с точностью до одного сантиметра и гарантировать корректность положения дночерпателя при отборе проб. Данные передаются по беспроводному интерфейсу. Функционал устройства позволит значительно повысить корректность и скорость отбора проб при проведении различных гидрографических и экологических исследований акватории.
Почти три четверти поверхности Земли покрыто водоемами, большинство из которых — важные объекты для функционирования экономики и обеспечения комфортной жизни общества. Одно из наиболее значимых направлений при исследовании водных пространств — это изучение дна соленых и пресных акваторий. Такие работы проводятся для того, чтобы сформировать представление о живых организмах, населяющих водоем, о химическом составе подводных отложений, об уровне загрязнения акватории и многих других аспектах. Поэтому для исследований ученым и экологам требуется высокоточное оборудование, которое может работать на большой глубине и при неблагоприятной погоде.
«Мы разработали систему управления дночерпателем, которая, в отличие от существующих аналогов, может оценить характеристики грунта и корректность положения на дне и самостоятельно принять решение о срабатывании захватывающих пробу ковшей, что практически исключает неудачное или некорректное срабатывание прибора, и, соответственно, исключить подъемы пустого дночерпателя и дополнительные спуски. Датчики под управлением микроконтроллера позволяют увеличить объем информации, получаемой в ходе исследований, значительно повысить точность и скорость проведения работ», — рассказывает сотрудник лаборатории комплексных проблем лимнологии Института озероведения РАН (СПб ФИЦ РАН) Михаил Дудаков.
В качестве дночерпателя исследователи СПб ФИЦ РАН взяли наиболее распространенный и надежный ДАК-250: его механическая часть состоит из двух захватов (ковшей), которые соединены осью. Он погружается с борта судна или лодки на тросе или на веревке и достигает дна, зарываясь в него под действием собственного веса и инерции. Решение о срабатывании принимает оператор, пуская по тросу или веревке груз (посыл).
Важно отметить, в случаях работы дночерпателя на больших глубинах посылу требуется время, чтобы спуститься на заданную глубину, например при спуске на 200–300 м это занимает до трех минут. Трос в это время должен оставаться натянутым и с небольшим отклонением от вертикали, что крайне сложно выполнить при значительном ветре и волне. Невыполнение этих условий приводит к холостому срабатыванию дночерпателя или к уменьшению площади захвата, что искажает данные.
Кроме того, на участках со сложной структурой донных осадков, например в скальных или моренных ландшафтах, дночерпателем без электронной системы управления будут производиться бессмысленные попытки отбора на каменистом дне, что приведет к потере рабочего времени. А в условиях качки с высотой до двух метров взятие проб уже становится практически невозможным, так как за время прихода посыла за счет натяжения троса дночерпатель уже может сменить свое положение.
Чтобы избежать таких проблем, ученые оснастили дночерпатель электромеханической системой управления и датчиками (акселерометром, гироскопом, высокоточным барометрическим датчиком, а также электронным термометром). Руководит системой микроконтроллер, он же обеспечивает хранение данных и беспроводную связь. За срабатывание ковшей отвечает автоматика и делает это оперативно и гарантированно с захватом достаточного объема пробы.
Дополнительным плюсом стало получение данных о механических свойствах грунта, точной глубине и послойных значениях температуры от места взятия пробы до поверхности.
«Мы уже испытали прибор в Ладожском озере на глубинах до 150 м (максимальная глубина для погружения устройства составляет 300 м) и получили очень хорошие результаты: из более 100 проб только 3–4 оказались малоинформативными (ранее ошибочных результатов могло быть в 10 раз больше). Сейчас производится совершенствование программного обеспечения и одновременно осуществляется наполнение базы данных по функционированию дночерпателя на различных типах грунтов в различных условиях эксплуатации, что должно еще больше увеличить эффективность его работы. Такие возможности прибора могут использоваться разными группами ученых, которые ведут лимнологические исследования, а также экологами при изучении различных загрязнителей в водоемах», — добавляет Михаил Дудаков.
Пока «умный» дночерпатель совершал погружения с судна на глубины до 150 м без постановки на якорь при умеренном ветре с высотой волны до 1,5 м. Однако в дальнейшем ученые планируют модернизировать программное обеспечение устройства и увеличить базу данных по типам грунтов, что должно уменьшить зависимость проведения работ от метеоусловий. По данному исследованию зарегистрирована заявка на выдачу патента на изобретение.
Дночерпатели... весьма емкое название. По ситуации