Un sistema di monitoraggio economico con parti stampate in 3D e sensori a basso costo potrebbe non durare quanto uno commerciale, ma può essere altrettanto preciso, ricercatori hanno trovato.

In tutti gli Stati Uniti, stazioni meteorologiche composte da strumenti e sensori monitorano le condizioni che producono le nostre previsioni locali, come la temperatura dell'aria, velocità del vento e precipitazioni. Questi sistemi non sono solo monitor meteorologici, sono anche potenti strumenti per la ricerca su temi dall'agricoltura alla generazione di energia rinnovabile.

Le stazioni meteorologiche commerciali possono costare migliaia di dollari, limitando sia la loro disponibilità e quindi la quantità di dati climatici che possono essere raccolti. Ma l'avvento della stampa 3D e dei sensori a basso costo hanno permesso di costruire una stazione meteorologica per poche centinaia di dollari. Potrebbero questi poco costosi, le versioni locali si comportano così come le loro controparti più costose?

La risposta è sì, fino a un certo punto, secondo i ricercatori, che ha messo alla prova una stazione meteorologica stampata in 3D in Oklahoma. Adam K. Theisen, uno scienziato dell'atmosfera e della Terra presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha guidato il progetto, che ha confrontato la stazione stampata con una stazione di livello commerciale per otto mesi per vedere se era accurata e quanto poteva resistere agli elementi.

La stampa tridimensionale utilizza modelli digitali per produrre oggetti fisici al volo. Il suo basso costo e la capacità di stampare parti ovunque tu possa portare una stampante potrebbe aiutare ad espandere il numero di queste stazioni, contribuendo a portare la raccolta dei dati in aree remote e a formare i ricercatori di domani.

Un team dell'Università dell'Oklahoma ha seguito la guida e i piani open source sviluppati dall'iniziativa 3-D-Printed Automatic Weather Station (3-D-PAWS) presso la University Corporation for Atmospheric Research per stampare oltre 100 parti di stazioni meteorologiche. Invece di usare acido polilattico, più comunemente usato nella stampa 3D, si sono rivolti all'acrilonitrile stirene acrilato, un tipo di filamento di plastica considerato più durevole all'aperto. Abbinato a sensori a basso costo, le parti stampate in 3D forniscono la base per questi nuovi sistemi, che l'iniziativa 3-D-PAWS ha stabilito come promettente in esperimenti precedenti.

"Affinché questo possa ottenere un'adozione più diffusa, deve passare attraverso studi di verifica e validazione come questo, " disse Thisen.

Mentre il sistema stampato in 3D ha iniziato a mostrare segni di problemi dopo circa cinque mesi dall'inizio dell'esperimento:il sensore di umidità relativa si è corroso e si è guastato, e alcune parti alla fine si sono degradate o si sono rotte:le sue misurazioni erano alla pari con quelle di una stazione di livello commerciale nell'Oklahoma Mesonet, una rete progettata e realizzata da scienziati dell'Università dell'Oklahoma e dell'Oklahoma State University.

"Non mi aspettavo che questa stazione avrebbe funzionato così bene come ha fatto, " ha detto Theisen. "Anche se i componenti hanno iniziato a degradarsi, i risultati mostrano che questo tipo di stazioni meteorologiche potrebbe essere praticabile per campagne più brevi".

tesino, che aveva sede presso l'Università dell'Oklahoma quando è iniziata la ricerca, ha continuato a supervisionare lo sforzo dopo essersi unito alle Argonne.

Nell'esperimento, i sensori a basso costo misurano con precisione la temperatura, pressione, piovere, UV e umidità relativa. Ad eccezione di un paio di strumenti, il materiale plastico resistito al clima dell'Oklahoma da metà agosto 2018 a metà aprile dell'anno successivo, un periodo che ha visto forti temporali, neve e temperature che vanno da 14 a 104 gradi F (da -10 a 40 gradi C). Un anemometro stampato in 3D, che misura la velocità del vento, non si è comportato altrettanto bene, ma potrebbe essere in parte migliorato con una migliore qualità di stampa.

Il progetto, condotto da studenti universitari dell'Università dell'Oklahoma, ha confermato sia l'accuratezza di una stazione meteorologica stampata in 3D sia il suo valore come strumento educativo.

"Gli studenti hanno appreso competenze che non avrebbero acquisito in classe, "Theisen ha detto. "Hanno sviluppato la proposta, progettato il telaio, e ha fatto la maggior parte della stampa e del cablaggio."

La capacità di stampare componenti specializzati potrebbe rendere più fattibili le stazioni meteorologiche in aree remote perché le parti di ricambio potrebbero essere fabbricate immediatamente quando necessario. E anche se un sensore più economico si rompe dopo pochi mesi, la matematica funziona ancora con un budget basso.

"Se stai parlando di sostituire due o tre di questi sensori economici rispetto al mantenimento e alla calibrazione di un $ 1, 000 sensori ogni anno, è un forte rapporto costi-benefici da considerare, " ha osservato Theisen.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Tecniche di misurazione atmosferica , 4 settembre 2020.