Development of a low-cost multi-parameter probe for marine and continental waters
Développement d'une sonde multiparamètres à bas coût pour les eaux marines et continentales
Résumé
Observing the ocean is crucial for enhancing our comprehension of the impact climate change has on its metabolism, carbon uptake, primary production, and many other parameters directly linked to human society and all forms of life. While remote sensing delivers extremely valuable data, in-situ sensors are still essential for understanding the complex physical and biogeochemical processes. Various sensors are available on the market that can perform the required measurements, such as Argo floats: these floats are capable of making vertical profiles in the water column while measuring Conductivity, Temperature, and Depth. Biogeochemical-Argo (BGC) floats have recently added parameters such as oxygen, nitrate, chlorophyll, and pH to the list of variables acquired by standard Argo floats. Despite the success of this international program, one of the most limiting factors of these floats is directly related to their cost, which is between 10,000 and 15,000 euros per unit in the case of Argo, and around 100,000 euros for a BGC Argo. With about 40% of the world’s population living within 100 km of the coast, reinforcing our ability to collect data in these key areas is particularly important for improving spatial and temporal measurements. Coastal areas cannot be accurately measured by remote sensing, and are currently not yet routinely covered by the Argo program; this is achieved by various programs and observatories (like COAST-HF). For all these use-cases, oceanographers express the need to have access to affordable, compact, low-power, robust sensors with the ability to operate in-situ in remote locations without human intervention for long periods of time. The OpenProbe project aims to provide a low-cost device to complement these existing in-situ observation systems by developing a low-cost multi-parametric probe that can be integrated into all types of marine vectors (drones, profilers, buoys...). The parameters measured include conductivity, temperature, depth (CTD), dissolved oxygen, chlorophyll a, turbidity, and photosynthetically active radiation. The main objective is to deliver relevant accuracy, resolution, and dynamic range for each parameter to generate useful data, at a fraction of the cost of current solutions like multiparameter sondes. To do so, our approach builds upon the use of Commercial Off-The-Shelf (COTS) components which are repurposed from their primary use and turned into environmental sensors. Integration and marinization are achieved using rapid prototyping techniques like stereolithography, xurography, or overmolding. A modular, open-source/open-hardware strategy ensures that the system can be easily replicated or modified by potential users for specific use-cases, and paves the way towards citizen science projects to increase spatial and temporal coverage of coastal areas. Ultimately, this work demonstrates the capability of building a functional multiparameter probe capable of measuring seven parameters for a manufacturing cost of less than 300€ with adequate performance to generate scientifically meaningful data. This data could, in the near future, contribute to the monitoring of coastal areas, understanding ocean circulation, climate processes, and phenomena related to climate change.
L'observation de l'océan est essentielle pour mieux comprendre l'impact du changement climatique sur son métabolisme, l'absorption du carbone, la production primaire et de nombreux autres paramètres directement liés à la société humaine et à toutes les formes de vie. Si la télédétection fournit des données extrêmement précieuses, les capteurs in situ restent essentiels pour comprendre les processus physiques et biogéochimiques complexes. Il existe sur le marché différents capteurs capables d'effectuer les mesures requises, tels que les flotteurs Argo : ces flotteurs sont capables d'établir des profils verticaux dans la colonne d'eau tout en mesurant la conductivité, la température et la profondeur. Les flotteurs biogéochimiques-Argo (BGC) ont récemment ajouté des paramètres tels que l'oxygène, les nitrates, la chlorophylle et le pH à la liste des variables acquises par les flotteurs Argo standard. Malgré le succès de ce programme international, l'un des facteurs les plus limitants de ces flotteurs est directement lié à leur coût, qui se situe entre 10 000 et 15 000 euros par unité dans le cas d'Argo, et autour de 100 000 euros pour un BGC Argo. Étant donné qu'environ 40 % de la population mondiale vit à moins de 100 km des côtes, il est particulièrement important de renforcer notre capacité à collecter des données dans ces zones clés afin d'améliorer les mesures spatiales et temporelles. Les zones côtières ne peuvent pas être mesurées avec précision par télédétection et ne sont pas encore couvertes de manière routinière par le programme Argo ; ceci est réalisé par divers programmes et observatoires (comme COAST-HF). Pour tous ces cas d'utilisation, les océanographes expriment le besoin d'avoir accès à des capteurs abordables, compacts, de faible puissance, robustes et capables de fonctionner in situ dans des endroits éloignés sans intervention humaine pendant de longues périodes. Le projet OpenProbe vise à fournir un dispositif à bas coût pour compléter ces systèmes d'observation in-situ existants en développant une sonde multi-paramétrique à bas coût qui peut être intégrée dans tous les types de vecteurs marins (drones, profileurs, bouées...). Les paramètres mesurés sont la conductivité, la température, la profondeur (CTD), l'oxygène dissous, la chlorophylle a, la turbidité et le rayonnement photosynthétiquement actif. L'objectif principal est de fournir une précision, une résolution et une gamme dynamique appropriées pour chaque paramètre afin de générer des données utiles, à une fraction du coût des solutions actuelles telles que les sondes multiparamètres. Pour ce faire, notre approche repose sur l'utilisation de composants commerciaux disponibles sur étagère (COTS) qui sont réaffectés de leur utilisation principale et transformés en capteurs environnementaux. L'intégration et la marinisation sont réalisées à l'aide de techniques de prototypage rapide telles que la stéréolithographie, la xurographie ou le surmoulage. Une stratégie modulaire, open-source/open-hardware garantit que le système peut être facilement reproduit ou modifié par des utilisateurs potentiels pour des cas d'utilisation spécifiques, et ouvre la voie à des projets de science citoyenne visant à accroître la couverture spatiale et temporelle des zones côtières. En fin de compte, ce travail démontre la capacité de construire une sonde multiparamétrique fonctionnelle capable de mesurer sept paramètres pour un coût de fabrication inférieur à 300 € avec des performances adéquates pour générer des données scientifiquement significatives. Ces données pourraient, dans un avenir proche, contribuer à la surveillance des zones côtières, à la compréhension de la circulation océanique, des processus climatiques et des phénomènes liés au changement climatique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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