Hunderte von Kilometern nördlich des Polarkreises sorgen Forscher der Sandia National Laboratories für die Sammlung wichtiger Wetter- und Klimadaten. Durch die Umstellung des in ihren Wetterballons verwendeten Gases haben sie ihren metaphorischen Fußabdruck auf dem fragilen arktischen Ökosystem reduziert.
Vor mehr als drei Jahren wechselte die von Sandia betriebene Atmosphärenmessanlage in Alaska vom Start von mit Helium gefüllten Wetterballons zum Start von Wetterballons, die mit vor Ort produziertem Wasserstoff gefüllt waren. Seitdem haben sie fast 5.000 Wasserstoffballons mit minimalen Problemen gestartet.
Dieser Wechsel reduziert die Transportkosten und Emissionen für den Versand von Helium nach Utqiaġvik, früher bekannt als Barrow, der nördlichsten Stadt der USA und Standort der atmosphärischen Messeinrichtung North Slope of Alaska, erheblich.
Das Observatorium, das von Sandia für die Atmospheric Radiation Measurement User Facility des Department of Energy Office of Science betrieben wird, sammelt seit mehr als 25 Jahren Wetter- und Klimadaten, einschließlich spezieller Daten zu arktischen Wolken. Die Daten von ARM stehen Forschern an Universitäten und nationalen Labors frei zur Verfügung und sind für die Verfeinerung von Klimamodellen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für die der sich schnell erwärmenden Arktis.
Die Umstellung von nicht erneuerbarem Helium auf Wasserstoff wurde durch eine Partnerschaft zwischen dem National Weather Service und dem DOE ermöglicht. Der nationale Wetterdienst stellte die Elektrolyseausrüstung zur Verfügung, die Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas umwandelt, und sorgte für die regelmäßige Wartung der Ausrüstung. Im Gegenzug lässt die von Sandia betriebene ARM-Anlage täglich zwei Wetterballons für den Wetterdienst starten.
„Zwischen Utqiaġvik und Oliktok Point, einem langfristigen mobilen ARM-Einsatz, der 2021 seinen Betrieb einstellte, waren wir die größten Heliumverbraucher im Bundesstaat Alaska“, sagte Fred Helsel, der Systemingenieur, der die Bemühungen leitete, um sicherzustellen, dass der Wechsel erfolgte sicher und glatt. „Die Zusammenarbeit mit dem Nationalen Wetterdienst war großartig.“
Gewährleistung eines sicheren Starts
Diese Umstellung von Helium auf Wasserstoff ist nicht ohne Sicherheitsbedenken – Wasserstoff ist bekanntermaßen brennbar und Helium nicht –, aber Helsel arbeitete mit dem National Weather Service, dem Umwelt-, Sicherheits- und Gesundheitskoordinator seiner Abteilung, Sandia Brandschutz und Drucksicherheit, dem ARM-Benutzer Einrichtung und dem Hersteller des automatischen Ballonstarters, um die Risiken zu reduzieren.
„Wasserstoff gewinnt als grüne Energiequelle an Zugkraft und ist eine sauberere Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen für den Transport“, sagte Andrew Glen, Leiter der Forschungsgruppe für Atmosphärenwissenschaften bei Sandia. „Dieses Projekt nutzt Wasserstoff auf andere Weise und nutzt seine Eigenschaften, die leichter als Luft sind, um Ballons zu starten. Es liegt im Interesse der Nation und der Welt, dass wir unsere Abhängigkeit von einem Nebenprodukt fossiler Brennstoffe, Helium, verringern und unsere CO2-Fußabdruck, indem keine Heliumflaschen zum Standort transportiert werden.“
Zu den Sicherheitsmaßnahmen, die das Team getroffen hat, gehört es sicherzustellen, dass sich der Wasserstoffspeicher außerhalb des Gebäudes befindet, in dem die Elektrolysegeräte betrieben werden. Dies hat die Menge an brennbarem Gas im Inneren des Gebäudes reduziert, um die nationalen Sicherheitsvorschriften und die Anforderungen von Sandia zu erfüllen, sagte Helsel. Einige der Standorte des Nationalen Wetterdienstes, die bereits auf Wasserstoff umgestellt hatten, lagerten die Tanks getrennt vom Generator, aber Sandias Sicherheitsanalyse ermutigte den Dienst, ihr Design für spätere Standort-Upgrades zu optimieren, fügte er hinzu.
Sandia verwendet seit mehr als einem Jahrzehnt einen automatischen Ballonwerfer, der jedoch gelegentlich technische Probleme hat. Wenn dies geschieht, füllen Beobachter aus Utqiaġvik die ARM-Wetterballons mit einem Reservevorrat an Helium und starten sie von Hand. Die Einrichtung verfügt nicht über Sicherheitsgenehmigungen, um einen Ballon manuell mit Wasserstoff zu füllen und zu starten, fügte Helsel hinzu.
Sicherheit ist auch innerhalb des automatischen Ballonstarters inhärent. Der Ballon ist in einem Startrohr mit Gas gefüllt, das den Wasserstoff außerhalb des Startgebäudes hält, sagte Helsel. Und das Startrohr verfügt über Ventilatoren, die dafür sorgen, dass sich darin kein Wasserstoff ansammeln kann, selbst wenn ein Ballon während des Aufblasvorgangs undicht wird oder platzt.
Geld sparen und die Umwelt schonen
Der erste offizielle Wasserstoffballon wurde am 16. Dezember 2019 um 14:01 Uhr Ortszeit von Utqiaġvik gestartet, sagte Helsel, mit fast 5.000 Starts seitdem mit nur minimalen Problemen. Der ursprüngliche automatische Ballonwerfer wurde im vergangenen August durch ein neueres Modell ersetzt.
Der Standort Utqiaġvik startet täglich vier Wetterballons, zwei für den Nationalen Wetterdienst und zwei für ARM. Jeder Wetterballon trägt ein spezielles Sensorpaket Zehntausende von Fuß in die Stratosphäre, um Daten über atmosphärischen Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu sammeln und zu übertragen. Die Daten der Ballons des Nationalen Wetterdienstes, die alle 12 Stunden gestartet werden, werden für die Wettervorhersage verwendet. Die Daten der ARM-Ballons, die sechs Stunden später gestartet werden, würden für die Atmosphären- und Klimaforschung verwendet, sagte Helsel.
Die Anlage in Utqiaġvik habe früher etwa 60.000 US-Dollar pro Jahr für Helium und Versandkosten für die ARM-Wetterballons ausgegeben, sagte Helsel. Angesichts der aktuellen Heliumknappheit und Inflation könnten die Gesamteinsparungen in den letzten dreieinhalb Jahren aufgrund des Wechsels jedoch leicht mehr als 200.000 US-Dollar betragen.
Ein Großteil des Schüttguts, das nach Utqiaġvik verschifft wird, kommt auf einem jährlichen Lastkahn aus Anchorage, sagte Glen. „Ein Schiff, einmal im Jahr“, fügte er hinzu. „Wenn es nicht darauf ist, muss es in einem Flugzeug kommen.“ Und der Versand großer Druckgasflaschen auf dem Luftweg hat zusätzlich zu den Emissionen, die bei der Heliumverarbeitung freigesetzt werden, einen beträchtlichen CO2-Fußabdruck, sagte er.
Andere ARM-Standorte in anderen Teilen der USA prüfen, ob es sinnvoll ist, ebenfalls von Helium – einem Nebenprodukt der Öl- und Gasindustrie – auf vor Ort oder lokal produzierten Wasserstoff umzusteigen, sagte Glen.
„Die Arktis ist eine sehr enge Gemeinschaft, daher ist es entscheidend, diese Beziehungen zwischen dem National Weather Service, der National Oceanic and Atmospheric Administration, ARM, Sandia und den Iñupiaq-Leuten von Utqiagvik zusammenzuhalten, um die Dinge dort oben zu erledigen“, sagte Glen.
„Die Arktis ist ein Wendepunkt für den Klimawandel. Wir sehen einen viermal höheren Temperaturanstieg in der Arktis als im Rest der USA. Die Daten von der ARM-Site sind wichtig für die Langzeitaufzeichnung und für Klimamodelle diese Änderungen berücksichtigen.“