Overvåking av forsuring av havet og behovet for å mate en økende befolkning

Havforsuring forårsaker ikke bare betydelig skade på marine økosystemer, men påvirker også levebrødet til millioner av fiskere og truer arter som leverer protein til mer enn 3,3 milliarder mennesker. Omfattende pH-overvåking er nødvendig for å forstå bedre hvordan forsuring påvirker skalldyr og andre fiskearters levedyktighet.

I 2021 inngikk Analog Devices, Inc. (ADI) et samarbeid med Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) for å etablere Ocean and Climate Innovation Accelerator (OCIA) for å akselerere og aktivere nye havbaserte løsninger for klimaendringer. OCIA er det første konsortium som samler industri, akademia og filantropi dedikert til å møte utfordringene med klimaendringer, beskytte marint liv og bevare havet. Utviklingen av en lavpris pH-sensor designet for utplassering på fiskefartøy er bare ett av prosjektene som ADI støtter ved WHOI.

Woods Hole Oceanographic Institution

Hos WHOI arbeider forskere og ingeniører arbeider for å forstå alle fasetter av havet og dets komplekse forbindelser med jordens atmosfære, land og hav, og veilede menneskenes forvaltning av planeten. WHOI ønsker å utvikle rimelige, skalerbare teknologier for å bedre forstå hav- og klimapåvirkning, samtidig som politikere informeres. Et fokus er å måle og overvåke havforsuring og adressere effekten på fiske, fiskere og global matusikkerhet.

Kort fortalt

Organisasjon

WHO er verdens største uavhengige havforskningsorganisasjon med over 300 forskere og ingeniører, 100+ studenter, to store skip og hundrevis av undervannsfartøyer.

Applikasjon

En ut-av-boksen optisk sensor for rask, kontinuerlig og høykvalitets in-situ pH-måling ned til 300 meter vanndybde muliggjort med ADIs ADPD4101-krets for behandling av LED-signalet og CN0503 tidsbesparende referansedesign.

Utfordringen

Lage et nøyaktig, rimelig, skalerbart, automatisert in-situ-instrument for måling av hav-pH som krever lite trening for å operere og som kan brukes på tusenvis av fiskeredskaper med fiskere som opererer som «borgerforskere».

Mål

Nøyaktig måling av kystvannets pH på stedet ved å bruke lavpris-pH-sensorene på fiskeredskaper i opp til 300 meters dybde og utvikle et kontinuerlig oppdatert værkart over kysthavregioner. Dataene innhentet fra sensoren kan brukes til å lage avbøtende retningslinjer, som kan være nyttige for å bekjempe havforsuring.

Overvåking av havforsuring og nedgang i marint liv

Menneskeskapte CO2-utslipp har resultert i en rekke endringer i sjøvann som har senket den gjennomsnittlige pH-verdien på overflaten med 0,1 enhet (det vil si økt surheten i vannet med ~30%) siden begynnelsen av den industrielle revolusjonen. I tillegg har økningen av CO₂ i atmosfæren økt lufttemperaturen, og denne lufttemperaturøkningen varmer opp havet.

Forsuring av hav forårsaker betydelig skade på dyr med eksoskjeletter og skjell, som koraller, østers, reker og kamskjell. Etter hvert som havet blir surere, sliter disse skapningene med å vokse og vedlikeholde strukturene sine, noe som resulterer i reduserte vekstrater og økt dødelighet. Havforsuring forstyrrer hele det marine nettverket, og forårsaker ubalanse i det naturlige økosystemet, med bølgeffekter over næringskjeden som påvirker fisk og andre arter som er avhengige av disse organismene for mat og habitat.

Milliarder er avhengig av marint liv for ernæring

Reduserte pH-nivåer i jordens hav har vidtrekkende implikasjoner for matsikkerhet over hele verden. Nesten én av tre mennesker i verden (2,37 milliarder mennesker) mangler tilgang til tilstrekkelig mat og ernæring, mens 720 millioner til 811 millioner mennesker møter sult. En jevn tilførsel av sunne skalldyr og andre sjømatprodukter er nødvendig for å hjelpe til med å mate verdens befolkning, som vokser med 1,1 % eller 83 millioner årlig. I følge FNs rapport, "State of World Fisheries and Aquaculture", er fisk og fiskeriprodukter anerkjent som noen av de sunneste matvarene på planeten. De representerer noen av de mindre innvirkningene på det naturlige miljøet. Økt forbruk av fisk, med dens varierte og verdifulle ernæringsegenskaper, kan direkte redusere forekomsten av underernæring og korrigere ubalanserte dietter med høyt kaloriinnhold og lavt mikronæringsstoff.

Et stadig surere hav påvirker helsen til mange fiskerier dramatisk, og påvirker fiskere og de som er avhengige av proteinet. Reduserte fangster resulterer i reduserte inntekter, påvirker den økonomiske levedyktigheten til fiskesamfunn over hele verden, og påvirker levebrødet til sårbare urfolk i stammefiskesamfunn.

Fiskere fra Maine-bukten til Chesapeake-bukten, Mexico-gulfen og Patagonia føler også virkningen. Lokale fangster er redusert ettersom mange fiskearter dør og andre migrerer bort fra skjær og kystområder til mindre skadelige farvann.

Bevare verdenshavene for fremtidige generasjoner

– Vi jobber med over et dusin team hos WHOI som står overfor designutfordringer og tilbyr finansiering for å støtte forskning, bruk av den nyeste avanserte maskinvaren og tilgang til ADIs tekniske ekspertise. Konsortiet hjelper WHOI og dets forskere og ingeniører med å akselerere arbeidet og utvikle innovative nye løsninger for å bedre forstå virkningene av klimaendringer på havene, sier Kathryn Hautanen, programleder, Ocean and Climate Innovation Accelerator (OCIA).

Teknologisk spill: nøyaktig, omfattende, lavere kostnadsmål nødvendig

Ett OCIA-prosjekt, med et inkubasjonsstipend på 100 000 USD til marinekjemikerne Dr. Z. Aleck Wang og Jennie Rheuban og fysisk oseanograf Glen Gawarkiewicz, har som mål å utvikle en prototype, lavpris in situ sensorsystem for høyfrekvente, tilpassbare målinger av sjøvanns-pH . Sensorutviklingen vil være rettet mot utplassering på fiskefartøy eller andre mulige plattformer for høyoppløselige målinger i hele vannsøylen i havkysten. – Vi planlegger å gi instrumentene til fiskerne, få dem til å spenne det fast på utstyret og kaste det ut i vannet, sier Jonathan Pfeifer, en MIT-WHOI Joint Program-student som jobber med prosjektet. – Ideelt sett ønsker vi å måle pH kontinuerlig når instrumentet går nedover vannsøylen. Når fiskerne tar enheten opp igjen, vil den overføre dataene trådløst til skyen der alle forskere og andre fiskere kan få tilgang til dem.

– Vi ønsker å utvide de eksisterende datasettene med en mye høyere tetthet av observasjoner i målrettede regionale områder for å gi et bredere bilde av hva som skjer (for havforsuring), sier Pfeifer. Å overvåke havforsuring effektivt og kostnadseffektivt er avgjørende for å spore forholdene i havet og beskytte skjellhelsen. Å utnytte fiskefartøyer som allerede er i regionen er en kostnadseffektiv måte å få data i stor skala. Fiskerne er sentrale interessenter i dataene.

– Å bruke halvledere kan gjøre enheter mindre, billigere og mer strømeffektive. Sensorteknologiene som brukes i WHOIs strømmer passer godt til skalaproduksjon av brikker, sier Hautanen.

ADI, WHOI-forskere og ingeniører, og Pfeifer samarbeider og utnytter ADI-teknologier som er utprøvd i forskjellige felt for å utvikle den første lille, rimelige, brukervennlige, automatiserte in situ pH-sensoren. Verktøyet må være i stand til å ta kontinuerlige målinger til sjøs og krever ikke komplekse og kostbare komponenter. Målet er å styrke en hær av borgerforskere med et kraftig instrument i kampen mot havforsuring, klimaendringer og matusikkerhet.

Måling av forsuring av havet

WHOIs utfordring var å identifisere og integrere den mest praktiske teknologien for å generere en lysstråle og behandle absorbsjonsdataene. 

pH-sensoren måler pH ved å bruke en liten mengde pH-følsomt fargestoff blandet med sjøvann. En lysstråle skinner deretter gjennom væskeblandingen for å måle absorbsjonen ved to bølgelengder. Svært høye presisjonsmålinger for oseanografisk pH kan oppnås ved hjelp av denne metoden.

Samarbeid for å lage et spektrometer

– Jeg snakket med OCIAs Kathryn Hautanen, som koblet meg med Guixue Bu, en ADI-stabsingeniør, sa Pfeifer. – Guixue gjennomgikk kravene våre og ADIs ADPD4101 analoge frontend (AFE) ble valgt for sin nøyaktighet, sanntidsegenskap, liten formfaktor, brukervennlighet og lave kostnader. Den miniatyriserte løsningen inkluderer en komplett, svært integrert fotometrisk, multimodal sensorfrontend som utkonkurrerer alle de andre prototypene av spektrometriske systemene vi hadde utviklet før, alt i en enkelt brikke.

Raskere utvikling med et referansedesign

ADI opprettet en referanseplattform for å muliggjøre rask prototyping av væskeanalysemålinger. Uten referansedesign krever de fleste løsninger en svært erfaren ingeniør for å utvikle kretser, skrive programvare, simulere, utføre omfattende testing, layout og produsere kortet. Prosessen kan ofte ta måneder.

– Hvis du har et krevende elektrisk problem, er det ikke alltid like enkelt å se hvordan du løser det, sier Pfeifer. Et referansedesign kan gi deg et raskt svar, ofte innen en dag etter åpning av boksen. Ved å bruke ADIs CN0503 referanseplattform for optisk væskeanalyse kunne jeg bare åpne boksen, plugge den inn, laste ned litt referansekode og begynne å gjøre målinger – hoppe over mye utviklingstid og eksperimentering.

– Analog Devices' CN0503-evalueringssett endret spillet for å teste ADPD4101, sier Pfeifer. – Det passet våre behov perfekt, sparte oss for måneder med utviklingstid, og ytelsen overgikk fullstendig forventningene våre. Det er tydelig at Analog Devices er i forkant av teknologien, og jeg gleder meg til å se hva annet de finner på.

Hav-værvarsel og de neste skrittene

En prototype av WHOIs lavpris pH-sensor er kommet godt i gang. – Kostnadene forventes å løpe på noen få tusen dollar, ti ganger billigere enn alle de andre estimatene vi har gjort for andre instrumenter, forklarer Pfeifer. – Neste trinn for oss er å sende inn et forslag til et føderalt byrå eller en privat stiftelse og skalere programmet opp over vannet utenfor USAs nordøstkyst som en demonstrasjon av mulighetene, sier Dr. Z. Aleck Wang, som leder prosjektet ved WHOI.

OCIAs initiativ for å overvåke havet er utformet for å gi data som hjelper til med å adressere nedgangen i fiskeutbytte – resultatet av klimaendringer og overfiske siden slutten av 1800-tallet. Forskning er nødvendig for å møte trusselen om havforsuring og bidra til å opprettholde det marine økosystemet. Å utforske nye løsninger for å håndtere havforsuring og dens innvirkning på livet i havet kan bidra til å ivareta matsikkerhet for milliarder av mennesker over hele kloden.

Analog Devices: www.analog.com