Toekomstige veranderingen in waterkwaliteit voorspellen

Aangezien de gevolgen van klimaatverandering en landgebruik het aquatisch milieu blijven aantasten, wordt het steeds belangrijker om veranderingen in de waterkwaliteit te meten en te controleren. Toen het Dublin City University (DCU) Water Institute zijn nieuwe mobiele laboratoriumtechnologie ontwikkelde om toekomstige veranderingen in de waterkwaliteit te helpen voorspellen, wendde het zich voor hulp tot maxon, specialist in precisieaandrijving en -motoren. 

Het project werd geleid door professor Fiona Regan, Joyce O’Grady, een promovendus aan DCU, en dr. Nigel Kent, destijds directeur van het centre of research and enterprise in engineering (engCORE) aan het Institute of Technology Carlow. Het project werd gesponsord door het Irish Marine Institute en omvat het bestuderen van zoetwaterlocaties met een goede waterkwaliteit en het monitoren van eventuele veranderingen die van invloed kunnen zijn op het ecosysteem. 

De centrifugale microfluïdische schijf die als een mobiel laboratorium functioneert

Het team ontwikkelde een sensor om lage fosfaatniveaus in geselecteerde stroomgebieden te detecteren voor real-time monitoring. Fosfaten zijn een indicatie voor vervuiling door nutriënten en bepalen het tempo waarin algen en waterplanten groeien.  Om het watermonster en de reagensvloeistof te mengen en te meten, ontwikkelden O'Grady en Kent een centrifugale microfluïdische schijf die fungeert als een mobiel laboratorium, met zes tests per schijf. Een mobiel laboratorium vermindert het risico van besmetting, zorgt voor een snellere doorlooptijd van de resultaten en produceert real-time gegevens.

Toen bij de ontwikkeling van de schijf ondersteuning nodig was, nam Kent contact op met Martin Leahy, sales engineer van maxon in Ierland, die een DCX 22 mm DC-motor en de robuuste 3-kanaals ENX 10 EASY encoder specificeerde voor de noodzakelijke hoge precisie en snelheidsregeling. Er werden ook wijzigingen aangebracht in de aslengte, aangezien er een langere as met een platte rand nodig was om de schijf te monteren.

Het was van cruciaal belang dat de motor tussen de 5.000 en 6.000 tpm kon maken om vloeistoffen gedurende ten minste 60 seconden naar de buitenkant van de schijf te drijven en, in de meetfase, de schijf in stappen van 60 graden te indexeren met een precisie van minder dan 1 graad. De gelijkstroommotor en encoder maken deel uit van een uitgebreider geïntegreerd firmwaresysteem. Het systeem moest volledig geïntegreerd zijn met een minimale behandeling van het monster om verontreiniging te voorkomen. 

Leahy introduceerde ook maxon’s Young Engineers Program (YEP). Dit programma, gericht op studenten en start-ups, ondersteunt innovatieve projecten met elektrische aandrijfsystemen. Het biedt technische ondersteuning, maxon producten tegen gereduceerde prijzen en promotiemogelijkheden op de kanalen van maxon.

Joyce O’Grady, een promovendus bij DCU

“Ik ging ervan uit dat de prijs een belemmering zou zijn, maar dankzij YEP was de keuze simpel, ook al omdat maxon altijd al bovenaan op mijn verlanglijstje stond. De klantspecifieke aanpassingsmogelijkheden van maxon zijn indrukwekkend en het advies van Martin was van onschatbare waarde voor het project,” voegt Kent toe. “Eerder had ik maxon producten alleen overwogen voor eindtoepassingen, niet voor prototyping.” 

De sensor is goedgekeurd en het onderzoek met het volledige apparaat wordt nu op andere locaties voortgezet. Eén onderzoek op de rivier de Liffey is afgerond en een ander is gepland in een lager gelegen stroomgebied. Hetzelfde systeem zal worden gebruikt voor nog eens vier onderzoeken. Het project zal dan in het vijfde jaar worden afgerond. 

“Industrie 4.0 vindt zijn weg naar veel verschillende sectoren. Het type systeem dat Joyce aan het ontwikkelen is, heeft de toekomst; autonome sensoren die je hun werk kunt laten doen en die realtime feedback verschaffen over de toestand van rivieren of meren, gaan een grote rol spelen in sectoren als Landbouw 4.0. Denk bijvoorbeeld aan drones die ingezet worden om slimmer te sproeien, waardoor minder water wegstroomt, watervervuiling wordt voorkomen en onze drinkwaterbronnen worden beschermd. De bedrijfstak zal zich de komende tien jaar hierop richten”, besluit Kent, momenteel assistent-professor aan de studierichting werktuigbouwkunde en productietechniek aan de DCU. 

Dublin City University (DCU) maakt deel uit van Beyond 2020, een onderzoekscluster bestaande uit zes Ierse en Britse instituten die nieuwe technologieën onderzoeken om het watermilieu op verschillende locaties te monitoren en zo inzicht te verkrijgen in de rol van aquatische ecosystemen in een veranderend mondiaal milieu.