Een goedkoop monitoringsysteem met 3D-geprinte onderdelen en goedkope sensoren gaat misschien niet zo lang mee als een commercieel systeem, maar het kan net zo nauwkeurig zijn, onderzoekers gevonden.

Over de hele Verenigde Staten, weerstations bestaande uit instrumenten en sensoren bewaken de omstandigheden die onze lokale voorspellingen produceren, zoals luchttemperatuur, windsnelheid en neerslag. Deze systemen zijn niet alleen weermonitors, het zijn ook krachtige instrumenten voor onderzoek naar onderwerpen van landbouw tot duurzame energieopwekking.

Commerciële weerstations kunnen duizenden dollars kosten, waardoor zowel hun beschikbaarheid als de hoeveelheid klimaatgegevens die kan worden verzameld, worden beperkt. Maar de komst van 3D-printen en goedkope sensoren hebben het mogelijk gemaakt om voor een paar honderd dollar een weerstation te bouwen. Kunnen deze goedkoop, versies van eigen bodem net zo goed presteren als hun duurdere tegenhangers?

Het antwoord is ja - tot op zekere hoogte, volgens onderzoekers, die een 3D-geprint weerstation op de proef stelde in Oklahoma. Adam K. Theisen, een atmosferische en aardwetenschapper bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), leidde het project, die het gedrukte station gedurende acht maanden vergeleek met een commercieel station om te zien of het nauwkeurig was en hoe goed het bestand was tegen de elementen.

Driedimensionaal printen maakt gebruik van digitale modellen om fysieke objecten on-the-fly te produceren. De lage kosten en de mogelijkheid om onderdelen te printen waar u maar een printer kunt meenemen, zou kunnen helpen om het aantal van deze stations uit te breiden, helpen om gegevensverzameling naar afgelegen gebieden te brengen en de onderzoekers van morgen op te leiden.

Een team van de University of Oklahoma volgde de richtlijnen en open source-plannen ontwikkeld door het 3D-Printed Automatic Weather Station (3-D-PAWS) Initiative van de University Corporation for Atmospheric Research om meer dan 100 weerstationonderdelen te printen. In plaats van polymelkzuur te gebruiken, vaker gebruikt bij 3D-printen, ze wendden zich tot acrylonitril-styreenacrylaat, een soort plastic filament dat buitenshuis als duurzamer wordt beschouwd. In combinatie met goedkope sensoren, de 3D-geprinte onderdelen vormen de basis voor deze nieuwe systemen, die het 3-D-PAWS-initiatief in eerdere experimenten als veelbelovend heeft bestempeld.

"Om ervoor te zorgen dat dit een bredere acceptatie krijgt, het moet door verificatie- en validatiestudies zoals deze gaan, ' zei Theisen.

Hoewel het 3D-geprinte systeem ongeveer vijf maanden na het experiment tekenen van problemen begon te vertonen, was de relatieve vochtigheidssensor gecorrodeerd en mislukt, en sommige onderdelen verslechterden of braken uiteindelijk - de afmetingen waren vergelijkbaar met die van een commercieel station in Oklahoma Mesonet, een netwerk ontworpen en geïmplementeerd door wetenschappers van de University of Oklahoma en de Oklahoma State University.

"Ik had niet verwacht dat dit station zo goed zou presteren als het deed, " zei Theisen. "Hoewel componenten begonnen te degraderen, de resultaten laten zien dat dit soort weerstations levensvatbaar kunnen zijn voor kortere campagnes."

Theisen, die was gevestigd aan de Universiteit van Oklahoma toen het onderzoek begon, bleef toezicht houden op de inspanning nadat hij bij Argonne was gekomen.

In het experiment, de goedkope sensoren nauwkeurig gemeten temperatuur, druk, regenen, UV en relatieve vochtigheid. Met uitzondering van een paar instrumenten, het plastic materiaal hield stand in het weer in Oklahoma van half augustus 2018 tot half april het volgende jaar, een periode met hevige regenbuien, sneeuw en temperaturen variërend van 14 tot 104 graden F (-10 tot 40 graden C). Een 3D-geprinte windmeter, die de windsnelheid meet, presteerde niet zo goed, maar kan gedeeltelijk worden verbeterd met een betere afdrukkwaliteit.

Het project, die werd geleid door niet-gegradueerde studenten aan de Universiteit van Oklahoma, bevestigde zowel de nauwkeurigheid van een 3D-geprint weerstation als de waarde ervan als educatief hulpmiddel.

"De leerlingen leerden vaardigheden die ze in de klas niet zouden hebben opgepikt, "Zei Theisen. "Ze ontwikkelden het voorstel, het frame ontworpen, en deed het grootste deel van het printen en bedraden."

De mogelijkheid om gespecialiseerde componenten te printen zou weerstations in afgelegen gebieden haalbaarder kunnen maken, omdat vervangende onderdelen meteen kunnen worden gefabriceerd wanneer dat nodig is. En zelfs als een goedkopere sensor na een paar maanden kapot gaat, de wiskunde werkt nog steeds voor een laag budget.

"Als je het hebt over het vervangen van twee of drie van deze goedkope sensoren versus het onderhouden en kalibreren van een $ 1, 000 sensor elk jaar, het is een sterke kosten-batenanalyse om te overwegen, ’ merkte Theisen op.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Atmosferische meettechnieken , 4 september 2020.