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

Un sistema di monitoraggio economico con parti stampate in 3D e sensori a basso costo

Le stazioni meteorologiche commerciali possono costare migliaia di dollari, limitando 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. Queste versioni poco costose e fatte in casa potrebbero funzionare così come le loro controparti più costose?

“Non mi aspettavo che questa stazione si sarebbe esibita così bene come ha fatto. Anche se i componenti hanno iniziato a deteriorarsi, i risultati mostrano che questo tipo di stazioni meteorologiche potrebbe essere praticabile per campagne più brevi “. – Adam Theisen, scienziato dell’atmosfera e della Terra di Argonne.

La risposta è sì, fino a un certo punto, secondo i ricercatori, che hanno messo alla prova una stazione meteorologica stampata in 3D in Oklahoma. Adam K. Theisen, 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 bene potrebbe resistere agli elementi.

La stampa tridimensionale utilizza modelli digitali per produrre oggetti fisici al volo. Il suo basso costo e la possibilità di stampare parti ovunque sia possibile portare con sé una stampante potrebbero aiutare ad espandere il numero di queste stazioni, aiutando a portare la raccolta dei dati in aree remote e istruire i ricercatori di domani.

Un team dell’Università dell’Oklahoma ha seguito la guida e i piani open source sviluppati dall’iniziativa 3D-Printed Automatic Weather Station (3D-PAWS) presso la University Corporation for Atmospheric Research per stampare oltre 100 parti di stazioni meteorologiche. Invece di utilizzare l’acido polilattico, più comunemente utilizzato nella stampa 3D, si sono rivolti all’acrilonitrile stirene acrilato, un tipo di filamento di plastica considerato più durevole all’esterno.

Insieme a sensori a basso costo, le parti stampate in 3D forniscono la base per questi nuovi sistemi, che l’iniziativa 3D-PAWS ha stabilito come promettenti in esperimenti precedenti.

“Affinché questo possa ottenere un’adozione più diffusa, deve passare attraverso studi di verifica e convalida come questo”, ha detto Theisen.

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 nel Oklahoma Mesonet, una rete progettata e implementata da scienziati dell’Università dell’Oklahoma e dell’Oklahoma State University.

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

Theisen, che aveva sede presso l’Università dell’Oklahoma quando iniziò la ricerca, continuò a supervisionare lo sforzo dopo essersi unito ad Argonne. Nell’esperimento, i sensori a basso costo hanno misurato accuratamente temperatura, pressione, pioggia, UV e umidità relativa.

Con l’eccezione di un paio di strumenti, il materiale plastico ha 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 comprese tra 14 e 104 ° F (- Da 10 a 40 ° C). Un anemometro stampato in 3D, che misura la velocità del vento, non ha funzionato altrettanto bene, ma potrebbe essere migliorato in parte con una migliore qualità di stampa.

Il progetto, guidato 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 imparato set di abilità che non avrebbero imparato in classe”, ha detto Theisen. “Hanno sviluppato la proposta, progettato il telaio e fatto la maggior parte della stampa e del cablaggio”.

La possibilità di stampare componenti specializzati potrebbe rendere le stazioni meteorologiche più fattibili 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 comunque per un budget basso.

“Se stai parlando di sostituire due o tre di questi sensori economici rispetto alla manutenzione e alla calibrazione di un sensore da $ 1.000 ogni anno, è un forte rapporto costi-benefici da considerare”, ha osservato Theisen.

Lo studio, finanziato dal Cooperative Institute of Mesoscale Meteorological Studies presso l’Università dell’Oklahoma, è stato pubblicato sulla rivista Atmospheric Measurement Techniques, 4 settembre 2020.