À des centaines de kilomètres au nord du cercle polaire arctique, les chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia assurent la collecte de données météorologiques et climatiques importantes. En changeant le gaz utilisé dans leurs ballons météorologiques, ils ont réduit leur empreinte métaphorique sur le fragile écosystème arctique.
Il y a plus de trois ans, l’installation de mesure atmosphérique exploitée par Sandia en Alaska est passée du lancement de ballons météorologiques remplis d’hélium au lancement de ballons météorologiques remplis d’hydrogène produit sur place. Depuis lors, ils ont lancé près de 5 000 ballons à hydrogène avec un minimum de problèmes.
Ce changement réduit considérablement les coûts de transport et les émissions d’expédition d’hélium vers Utqiaġvik, anciennement connue sous le nom de Barrow, la ville la plus septentrionale des États-Unis et le site de l’installation de mesure atmosphérique du versant nord de l’Alaska.
L’observatoire, exploité par Sandia pour l’installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique du Department of Energy Office of Science, recueille des données météorologiques et climatiques, y compris des données spécialisées sur les nuages arctiques, depuis plus de 25 ans. Les données d’ARM sont librement accessibles aux chercheurs des universités et des laboratoires nationaux, et sont essentielles pour affiner les modèles climatiques, en particulier ceux de l’Arctique qui se réchauffe rapidement.
Le passage de l’hélium non renouvelable à l’hydrogène a été rendu possible grâce à un partenariat entre le National Weather Service et le DOE. Le Service météorologique national a fourni l’équipement d’électrolyse, qui utilise l’électricité pour transformer l’eau en hydrogène gazeux et en oxygène gazeux, et a assuré l’entretien régulier de l’équipement. En échange, l’installation ARM exploitée par Sandia lance deux ballons météo par jour pour le service météo.
« Entre Utqiaġvik et Oliktok Point, un déploiement mobile ARM à long terme qui a mis fin aux opérations en 2021, nous étions les plus grands utilisateurs d’hélium dans l’État de l’Alaska », a déclaré Fred Helsel, l’ingénieur système qui a dirigé les efforts pour s’assurer que le commutateur était sûr et lisse. « Le National Weather Service a été un plaisir de travailler avec. »
Assurer un lancement en toute sécurité
Ce passage de l’hélium à l’hydrogène n’est pas sans problèmes de sécurité – l’hydrogène est notoirement inflammable, et l’hélium ne l’est pas – mais Helsel a travaillé avec le National Weather Service, le coordinateur de l’environnement, de la sécurité et de la santé de sa division, Sandia fire protection and pressure safety, l’utilisateur ARM installation et le fabricant de lanceurs de ballons automatisés pour réduire les risques.
« L’hydrogène gagne du terrain en tant que ressource d’énergie verte et constitue une alternative plus propre aux combustibles fossiles traditionnels pour le transport », a déclaré Andrew Glen, directeur du groupe de recherche sur les sciences atmosphériques de Sandia. « Ce projet utilise l’hydrogène d’une manière différente, en utilisant ses propriétés plus légères que l’air pour lancer des ballons. Il est dans l’intérêt de la nation et du monde que nous réduisions notre dépendance à un sous-produit de combustible fossile, l’hélium, et réduisions notre empreinte carbone en ne transportant pas de bouteilles d’hélium sur le site. »
L’une des mesures de sécurité mises en place par l’équipe consiste à s’assurer que le réservoir de stockage d’hydrogène se trouve à l’extérieur du bâtiment où fonctionne l’équipement d’électrolyse. Cela a réduit la quantité de gaz inflammables disponibles à l’intérieur du bâtiment pour répondre aux codes de sécurité nationaux et aux exigences de Sandia, a déclaré Helsel. Certains des sites du National Weather Service qui étaient déjà passés à l’hydrogène stockaient les réservoirs séparément du générateur, mais l’analyse de sécurité de Sandia a encouragé le service à modifier leur conception pour les mises à niveau ultérieures du site, a-t-il ajouté.
Sandia utilise un lanceur de ballons automatisé depuis plus d’une décennie, mais il a parfois des problèmes techniques. Lorsque cela se produit, les observateurs basés à Utqiaġvik remplissent les ballons météorologiques ARM avec une réserve d’hélium de secours et les lancent à la main. L’installation n’a pas d’approbations de sécurité en place pour remplir et lancer manuellement un ballon avec de l’hydrogène, a ajouté Helsel.
La sécurité est également inhérente au lanceur de ballons automatisé. Le ballon est rempli de gaz à l’intérieur d’un tube de lancement qui maintient l’hydrogène à l’extérieur du bâtiment de lancement, a déclaré Helsel. Et le tube de lancement est équipé de ventilateurs qui empêchent l’hydrogène de s’accumuler à l’intérieur, même si un ballon fuit ou éclate pendant le processus de gonflage.
Économiser de l’argent et de l’environnement
Le premier ballon à hydrogène officiel a été lancé depuis Utqiaġvik le 16 décembre 2019 à 14 h 01, heure locale, a déclaré Helsel, avec près de 5 000 lancements depuis lors avec seulement des problèmes minimes. Le lanceur de ballons automatisé d’origine a été remplacé en août dernier par un modèle plus récent.
Le site d’Utqiaġvik lance quatre ballons météo par jour, deux pour le Service météorologique national et deux pour l’ARM. Chaque ballon météo transporte un ensemble spécial de capteurs à des dizaines de milliers de pieds dans la stratosphère pour collecter et transmettre des données sur la pression atmosphérique, la température et l’humidité. Les données des ballons du National Weather Service, qui sont lancés toutes les 12 heures, sont utilisées pour les prévisions météorologiques. Les données des ballons ARM, qui sont lancés six heures plus tard, sont utilisées pour la recherche atmosphérique et climatique, a déclaré Helsel.
L’installation d’Utqiaġvik dépensait environ 60 000 dollars par an en hélium et en frais d’expédition pour les ballons météorologiques ARM, a déclaré Helsel. Cependant, avec la pénurie actuelle d’hélium et l’inflation, le total économisé au cours des trois dernières années et demie grâce au changement pourrait facilement dépasser 200 000 $.
Une grande partie des matériaux en vrac expédiés à Utqiaġvik provient d’une barge annuelle d’Anchorage, a déclaré Glen. « Un navire, une fois par an », a-t-il ajouté. « Si ce n’est pas là-dessus, ça doit venir dans un avion. » Et l’expédition de grandes bouteilles de gaz comprimé par voie aérienne entraîne une empreinte carbone importante en plus des émissions issues du traitement de l’hélium, a-t-il déclaré.
D’autres sites ARM ailleurs aux États-Unis évaluent s’il est judicieux de passer également de l’hélium – un sous-produit de l’industrie pétrolière et gazière – à l’hydrogène produit sur place ou localement, a déclaré Glen.
« L’Arctique est une communauté très soudée, il est donc essentiel de maintenir ces relations entre le National Weather Service, la National Oceanic and Atmospheric Administration, ARM, Sandia et les Iñupiaq d’Utqiagvik pour faire avancer les choses là-bas », a déclaré Glen.
« L’Arctique est un point de basculement pour le changement climatique. Nous constatons une augmentation de la température quatre fois plus élevée dans l’Arctique que dans le reste des États-Unis. Les données du site ARM sont importantes pour l’enregistrement à long terme et pour que les modèles climatiques puissent tenir compte de ces changements. »