Sensor kapasitansi untuk mempelajari kadar air bukit pasir

Gurun mungkin tampak tidak aktif dan tidak bernyawa, tetapi sebenarnya mereka hidup. Bukit pasir, khususnya, cenderung tumbuh dan berpindah dari satu tempat ke tempat lain — dan menurut proyek penelitian yang telah berlangsung selama beberapa dekade, mereka juga menghirup udara lembab.

Untuk pertama kalinya, hasilnya menunjukkan bagaimana uap air menembus biji-bijian dan bubuk dan dapat memiliki aplikasi luas di luar gurun, dalam pertanian dan pengolahan makanan, penelitian farmasi, serta eksplorasi planet.

Makalah tim telah diterbitkan di Jurnal Penelitian Geofisika – Permukaan Bumi Pada 21 Maret^ST2022.

Di bawah bimbingan Michelle Loge, penulis utama studi ini, dan profesor teknik mesin dan kedirgantaraan di College of Engineering, proyek ini berlangsung dalam waktu yang lama dan berbagai medan. Ini dimulai hampir empat dekade lalu ketika Log mempelajari perilaku gas, cairan, dan partikel padat.

Logue ingin mengukur zat dengan sensitivitas yang lebih tinggi, jadi dia dan murid-muridnya merancang bentuk instrumen baru yang dikenal sebagai sensor kapasitansi, yang menggunakan beberapa sensor untuk merekam segala sesuatu mulai dari konsentrasi padat hingga kecepatan hingga kadar air. Semua ini dapat dilakukan dengan akurasi spasial yang tak tertandingi.

Di Universitas Utah, seorang rekan Luge telah menyarankan teknik yang mungkin berguna untuk mencitrakan lapisan massa es gunung dan mengevaluasi kemungkinan longsoran salju.

Selanjutnya, Log pergi ke garasinya, mengambil beberapa tentakel dan mengujinya dalam badai salju. Dia segera menjalin kerjasama dengan sebuah perusahaan, bernama Capacitec Inc, untuk menggabungkan keterampilan mereka masing-masing di bidang elektronik dan teknik. Probe kaskade juga terbukti berguna dalam penelitian hidrologi.

Pada awal tahun 2000-an, Luge mulai berkolaborasi dengan Ahmed Ould El Mokhtar dari Universitas Nantes, Prancis, menggunakan sensor untuk mempelajari kadar air bukit pasir untuk lebih memahami proses konversi lahan pertanian menjadi gurun – sebuah minat yang semakin mendesak dengan meningkatnya perubahan iklim global.

Log menyatakan,Masa depan bumi, jika kita terus seperti ini, adalah gurun. “

Sementara sensor lain dapat mengidentifikasi sejumlah besar materi, probe LOG masuk lebih dalam dan lebih dalam dan mengumpulkan data dengan skala milimeter untuk menentukan jumlah kelembaban yang tepat dan kepadatan pasir yang ada.

Beberapa modifikasi diperlukan agar sensor dapat beroperasi di lingkungan baru. Akibatnya, proses coba-coba selama satu dekade ini dimulai, dan Luge mulai melakukan perjalanan berkala ke gurun Mauritania dan Qatar, sehingga bereksperimen dengan berbagai versi penyelidikan.

Pada akhirnya, probe mengungkapkan penetrasi pasir, yang terdiri dari sejumlah kecil udara yang merembes melaluinya. Studi awal menunjukkan bahwa jenis rembesan ini ada di bukit pasir, tetapi belum ada yang bisa membuktikannya.

Angin mengalir di atas bukit pasir, dan sebagai hasilnya menciptakan ketidakseimbangan tekanan lokal, secara harfiah memaksa udara masuk dan keluar dari pasir. Jadi pasir bernafas, seperti organisme yang bernafas.

Michelle Loge, Profesor Teknik Mesin dan Dirgantara, Universitas Cornell

Meskipun suhu tinggi, apa yang disebut “pernapasan” memungkinkan mikroba untuk bertahan hidup di kedalaman bukit pasir yang sangat kering. Selama sebagian besar dekade terakhir, Luge telah bekerja sama dengan Anthony Hay, asisten profesor mikrobiologi di College of Agriculture and Life Sciences, untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang bagaimana mikroba dapat membantu menyelesaikan bukit pasir dan mencegahnya menyerang jalan dan infrastruktur.

Lebih lanjut, Luge dan timnya menentukan bahwa permukaan gurun cenderung bertukar lebih sedikit kelembaban dengan udara daripada yang diharapkan, dan bahwa penguapan air dari butiran pasir individu bertindak sebagai reaksi kimia yang lambat.

Sebagian besar data mereka dikumpulkan pada tahun 2011, tetapi Lug dan kolaboratornya membutuhkan waktu 10 tahun lagi untuk memahami temuan mereka, seperti mengidentifikasi gangguan tingkat permukaan yang mendorong gelombang kelembaban sesaat atau nonlinier untuk bersirkulasi ke bawah melalui bukit pasir dengan kecepatan tinggi. .

Kami dapat menerbitkan data 10 tahun yang lalu untuk melaporkan keakuratan pendekatan kami. Tapi itu tidak memuaskan sampai kami mengerti apa yang sedang terjadi. Tidak ada yang pernah melakukan hal seperti ini sebelumnya. Ini adalah pertama kalinya tingkat kelembaban yang rendah dapat diukur.

Michelle Loge, Profesor Teknik Mesin dan Dirgantara, Universitas Cornell

Para ilmuwan mengantisipasi bahwa penyelidikan mereka akan memiliki banyak aplikasi — mulai dari mempelajari cara tanah menyerap atau mengalirkan air di pertanian, untuk mengkalibrasi pengamatan satelit di atas gurun, hingga memeriksa lautan luar bumi yang mungkin mengandung sejumlah kecil air. Ini bukan pertama kalinya penelitian Luge sampai ke luar angkasa.

Namun, mungkin aplikasi yang paling mendesak adalah pendeteksian kontaminasi kelembaban yang ada dalam sediaan farmasi. Sejak 2018, Louge telah bekerja sama dengan Merck untuk memanfaatkan sensor dalam manufaktur berkelanjutan. Ini telah dilihat sebagai sistem yang lebih cepat, lebih efisien dan ramah anggaran dibandingkan dengan manufaktur batch.

Jika Anda ingin melakukan manufaktur berkelanjutan, Anda harus memiliki sensor yang memungkinkan Anda, sebagai fungsi waktu, dan di mana pun penting, untuk memeriksa apakah Anda memiliki perilaku yang benar untuk proses Anda..

Michelle Loge, Profesor Teknik Mesin dan Dirgantara, Universitas Cornell

Rekan penulis studi adalah Walad Al-Mukhtar; Jin Shu, Ph.D. 14; dan Alexandre Vallance dan Patrick Chassel dari Universitas Rennes, Prancis.

Studi ini didukung secara finansial oleh Qatar Foundation.

Referensi jurnal:

log, saya, dan lain-lain. (2022) Transportasi uap air melintasi permukaan berpasir kering – kopling termal nonlinier, adveksi berpori yang digerakkan oleh angin, gelombang bawah permukaan, dan pertukaran dengan lapisan batas atmosfer. permukaan bumi JGR. doi.org/10.1029/2021JF006490.

sumber: https://www.cornell.edu/