$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Energia wodna jest znaczącym zasobem energii odnawialnej na całym świecie. Szacuje się, że w Stanach Zjednoczonych energia wodna dostarcza około 38%, czyli 274 TWh energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych1 i może przyczynić się do zwiększenia około 460 TWh rocznie2. Jednak wraz z rozwojem energetyki wodnej, obawy o obrażenia i śmiertelność ryb podczas przepływu hydraulicznego stały się najważniejsze3. Różne mechanizmy przyczyniają się do urazów ryb podczas przejścia, w tym szybka dekompresja (barotrauma), naprężenia ścinające, turbulencje, uderzenia, kawitacja i zgrzytanie4. Chociaż te mechanizmy urazów mogą nie mieć natychmiastowego wpływu na ogólną kondycję ryb, mogą sprawić, że będą one bardziej podatne na choroby, infekcje grzybicze, pasożyty i drapieżnictwo5. Ponadto bezpośrednie obrażenia fizyczne wynikające ze zderzeń z turbinami lub innymi konstrukcjami hydraulicznymi mogą prowadzić do znacznej śmiertelności, co podkreśla znaczenie ograniczania tych zagrożeń w rozwoju energetyki wodnej.
Jedną z najczęstszych metod oceny warunków przejścia dla ryb jest wypuszczanie ryb z czujnika i żywych ryb przez struktury hydrauliczne6,7. Sensor Fish to autonomiczne urządzenie przeznaczone do badania warunków fizycznych, jakich doświadczają ryby podczas przechodzenia przez konstrukcje hydrauliczne, w tym turbiny, przelewy i alternatywy dla obejścia zapory8,9. Wyposażony w akcelerometr 3D, żyroskop 3D, czujnik temperatury i czujnik ciśnienia9, Sensor Fish dostarcza cennych danych na temat warunków przejścia ryb.
Znaczniki balonów, które są samonapełniającymi się balonami przymocowanymi zewnętrznie do Sensor Fish i żywych ryb, pomagają w ich regeneracji po przejściu przez struktury hydrauliczne. Zawieszki balonowe składają się z rozpuszczalnych kapsułek wypełnionych substancjami chemicznymi wytwarzającymi gaz (np. kwasem szczawiowym i wodorowęglanem sodu), silikonowym korkiem i żyłką wędkarską. Przed rozstawieniem woda jest wstrzykiwana do balonu przez silikonowy korek. Woda rozpuszcza kapsułki na bazie roślin, wywołując reakcję chemiczną, w wyniku której gaz napełnia balon. W tej reakcji neutralizacji wodorowęglan sodu, słaba zasada, i kwas szczawiowy, słaby kwas, reagują, tworząc dwutlenek węgla, wodę i szczawian sodu10. Reakcja chemiczna jest przedstawiona poniżej:
2NaHCO3+ H2C2O4 → 2CO2 + 2H2O + Na2C2O4
Napompowany balon zwiększa wyporność ryb czujnikowych i żywych ryb, umożliwiając im unoszenie się na powierzchni wody dla łatwiejszego odzyskiwania.
Liczba znaczników balonów wymaganych do osiągnięcia flotacji i ułatwienia pobrania próbki (np. Sensor Fish lub żywej ryby) może się różnić w zależności od charakterystyki objętości i masy próbki. Czas napełniania zawieszki balonowej można regulować, wstrzykując wodę o różnych temperaturach. Zimniejsza woda wydłuży czas napompowania, podczas gdy cieplejsza woda go skróci. Znaczniki balonowe zostały z powodzeniem wykorzystane w różnych miejscach, w tym w Farmers Screen, unikalnej poziomej, płaskiej konstrukcji ekranu z rybami i szczątkami w Hood River w stanie Oregon11, oraz turbiny Francisa na zaporze Nam Ngum w Laotańskiej Republice Ludowo-Demokratycznej12. Innym dostępnym na rynku przykładem znacznika balonu jest Hi-Z Turb'N Tag13,14. Hi-Z Turb'N Tag umożliwia regulację czasu pompowania w zakresie od 2 min do 60 min, w zależności od temperatury wtryskiwanej wody13. Technologia ta została wykorzystana w badaniach ryb na wielu stanowiskach terenowych, w tym w badaniach z udziałem smoltów łososia Chinook wypuszczonych na zaporze Rocky Reach na rzece Columbia i młodych amerykańskich ryb w Hadley Falls Dam na rzece Connecticut15,16. Obie technologie wykorzystują kwasowo-zasadowe reakcje chemiczne do napompowania znaczników balonowych w celu ich odzyskania.
Ta metoda oferuje opłacalność i prostotę produkcji, z szacowanym kosztem materiału wynoszącym zaledwie $0.50 za balon. Jak opisano tutaj, proces produkcyjny jest łatwy do naśladowania, dzięki czemu produkcja zawieszek balonowych jest dostępna dla każdego.