南極点の水資源インフラ
(brr.fyi)- 南極点基地は、海岸のMcMurdoとは異なり、液体の水源がないため、数千フィートの厚さの雪を溶かして飲料水や生活用水を作り、排水も別方式で処理している
- 淡水は Rodwell と呼ばれる地下の雪中井戸から始まり、熱い水を循環させて地下湖を作り、その水を汲み上げて処理施設へ送る
- 南極点の深い雪は約 -60°F で、1ガロンを 50°F の液体にするには、温度上昇 268Wh と 融解潜熱 350Wh を合わせて約 618Wh が必要であり、水の生産自体がエネルギー集約的である
- 処理施設では、石灰石接触槽、フィルター、炭酸ナトリウム、塩素、貯水タンク、加圧タンクを経て水を配水し、配管は 断熱とヒートトレース で凍結を防ぐ
- 排水は McMurdo のように処理後放流されるのではなく、寿命を終えた Rodwell に 未処理のまま 貯留され、2024年6月時点で南極点の排水処理場は計画・予算に含まれていない
海岸基地と内陸の南極点の違い
- 南極の研究基地の大半は海岸、または海岸近くにある
- 海が気候を緩和し、船舶物流へのアクセスを提供し、水源と排水の放流手段も提供するためである
- 科学研究の場所も海岸近くに多い傾向がある
- 南極点基地は、海岸ではない 内陸の通年運用基地 の一つである
- McMurdo Station から南へ約 975 マイル離れた内陸高原にある
- 液体の水がすぐ得られる海岸基地と違い、水を得るには雪を溶かさなければならない
McMurdo の淡水インフラ
- McMurdo は海岸基地であるため、集落の下側の海辺で 通年液体の海水 にアクセスできる
- 冬に気温が -30°F まで下がっても、氷の下には液体の水が残っている
- 海水は Seawater Intake Facility である building 179 のポンプを通じて汲み上げる
- 海水配管には厚い断熱材と ヒートトレースケーブル が使われている
- heat trace は配管に沿って設置された制御可能な高抵抗電線である
- 通電すると熱が発生し、断熱材がそれを閉じ込めて、配管内の水が凍らないようにする
- McMurdo の海水は2つの用途に使われる
- Crary Lab の海水水槽
- 基地運用向けの potable water、すなわち生活用水の生産
- 生活用水の生産は McMurdo water treatment plant で複数段階を経る
- 海水は約 28°F で入り、塩分のため淡水より低い温度でも液体を保つ
- 発電所の排熱で約 37°F まで加熱する
- 沈殿物を除去するためにろ過する
- 逆浸透 により塩分と自然由来のミネラルを除去し、残った物質は海へ戻す
- polishing 段階で硬度と pH を調整し、貯蔵・配水系統での汚染の影響を減らすために少量の塩素を加える
- McMurdo は処理水を数十万ガロン単位で貯蔵している
- 夏のピーク人口は 1,000 人を超えることがある
- 消防用水も必要なため、相当量の貯水が求められる
南極点の淡水: Rodwell から始まる水
- 南極点には液体の水源がなく、基地は海岸から数百マイル離れた寒冷な内陸高原の上にある
- 水は数千フィートの厚さの雪を溶かして生産する
- 深部の雪は約 -60°F である
- 水 1 ガロンの温度を 1°F 上げるには 2.44Wh、すなわち 8.33BTU の熱が必要である
- -60°F から 50°F まで 110°F 上げるには 268Wh が必要である
- 固体から液体に変わる 融解潜熱 まで含めると、1 ガロンあたり追加で 350Wh が必要となり、合計で約 618Wh を要する
- 南極点の給水は Rodwell から始まる
- Rodwell は “Rodriguez Well” の略である
- 元の設計は Greenland のキャンプ向けに Raul Rodriguez が作ったものである
- 現在運用中のものは正式には “Rodwell 3” である
- 今後使用する複数の Rodwell の位置も計画されている
- Rodwell の基本動作は単純である
- 雪の中に穴を開ける
- 熱い水を入れて雪を溶かす
- 水が周囲を溶かしながら地下湖を作る
- 液体の水を地下湖からポンプで汲み上げる
- 熱い水を継続的に循環させれば、地下湖を維持・拡張できる
- Rodwell 支援建屋には制御・監視装置があり、建屋は暖房されている
- 井戸は数百フィート下まで達している
- 汲み上げた水の配管、熱い水を再び送り込む配管、水中ポンプ用の電線、センサー・制御回路用の信号線が一緒に入っている
Rodwell の循環と凍結防止
- Rodwell から出た水は、数百フィート離れた主浄水施設へ移送される
- 一部は基地の生活用水として使われる
- 残りは浄水施設の熱交換器を通って再び Rodwell に戻る
- Rodwell から汲み上げる原水は約 36°F である
- 浄水施設と石灰石接触槽を通過した後は約 42°F になる
- Rodwell に戻る循環水は約 84°F まで加熱される
- Rodwell 支援建屋には バックアップボイラーと熱交換器 がある
- 浄水施設と Rodwell の間の返送配管に問題が起きても、Rodwell に常に熱い水を供給するためである
- 熱水循環ループを失うと Rodwell が損傷するおそれがある
- 継続的な熱投入は Rodwell 運用の中核条件である
- Rodwell は数年間使用される
- 大きくなりすぎると規模は数百万ガロンに達する
- その後は淡水供給源としては使わず、新たな場所で新しい Rodwell を始める
- 既存の Rodwell は排水貯留用に転用される
- Rodwell 関連の歴史資料は Bill Spindler の South Pole Station サイトでさらに見られる
南極点の浄水施設
- Rodwell の水は地下の ice tunnels を通って主浄水施設へ向かう
- ice tunnels は、固く締め固められた雪を掘って作った地下ユーティリティ通路網である
- 配管には断熱と heat trace が施されている
- 浄水施設は発電所の隣の arches 内、beer can の下部にある
- 発電機の排熱を運ぶ glycol loop を隣接する発電所から引き込み、熱交換器で容易に利用できる
- 浄水施設に入った水は、まず 石灰石接触槽 を通る
- 石灰石接触槽はミネラルを加えて水の pH を上げる
- 耐腐食性を高め、人が飲むのに適した水にする
- 目標とする処理結果に応じて、接触槽をオンラインまたはオフラインにできる
- Rodwell に戻る水も含め、すべての水が接触槽を通過する
- 生活用水に向かう水は追加処理を受ける
- 沈殿物フィルターと炭素フィルターを通る
- 炭酸ナトリウム、すなわち soda ash で pH をさらに細かく調整する
- calcium hypochlorite 形態の塩素を消毒剤として使用する
- 処理済みの生活用水は大型の無圧貯水タンクに貯蔵される
- タンクは 2 基あり、1 基を保守で止めても運用できる
- 各タンクは数千ガロン規模である
- Rodwell 供給や処理工程の計画・非計画停止に備える貯水バッファの役割を果たす
- 水質は処理と配水の複数地点で確認される
- 生活用水ポンプで加圧される直前、処理水貯水タンクの流出部にサンプリングポイントがある
- 浄水施設の実験台には測定機器が置かれている
生活用水の配水と基地内設備
- 生活用水処理の最終段階は、水を加圧し、安定した供給量を貯えることである
- ポンプが処理水を基地の配水圧まで昇圧する
- 加圧された配水タンクが基地で使う水を貯える
- 水は浄水施設のタンクから beer can に沿って上がり、elevated station に入る
- 約 50 フィートの垂直上昇があるため、配水システムの圧力設定に反映しなければならない
- beer can は暖房されていないため、配管は断熱されている
- elevated station には消火用の加圧タンクもある
- 基地全体に自動火災スプリンクラーが設置されている
- 基地内の水の使用先は一般的な建物と似ている
- 厨房の dish pit は大きな水消費先の一つである
- 洗濯室は家庭のランドリールームと似たように動作する
- ほとんどの洗濯機は省エネルギーのため冷水のみ接続されており、一部だけが温水と冷水の両方に接続されている
- 乾燥機は電気抵抗加熱の代わりに、建物の glycol 暖房ループに接続された直接熱交換器を使う
- 浴室と給水器も elevated station 内にある
- 給水器は Elkay EZS8SF に LK1110 glass filler add-on を付けたモデルである
南極点の排水処理方式
- 南極点の排水は McMurdo と まったく異なる方式 で処理される
- McMurdo では排水を完全な排水処理プロセスに通す
- 処理済み排水は海へ放流され、固形物は米国へ送って廃棄する
- 南極点では寿命を終えた Rodwell を排水貯留槽として使う
- Rodwell が最大サイズに達すると、それ以上淡水を汲み上げない
- その後、排水貯留用の “sewage outfall” に転用される
- 未処理の下水やその他の排水は下水配管網を通って現在の sewage outfall に流れる
- 地下に 無期限に貯留 される
- 地下へ送る前に排水処理は行われない
- 南極点基地の下の outfall には数百万ガロンの未処理排水が貯留されている
- 2024年6月時点で、南極点基地の排水処理場は現在計画も予算化もされていない
- ただし、南極点基地の歴史の中で何度も議論されてきた
- NSF ウェブサイトの South Pole Station Master Plan Draft 2024 には、排水処理場が勧告事項として含まれている
- 氷の下に未処理下水を圧入して処分する方式は Antarctic Treaty System で認められている
- 米国法では 45 CFR § 671.12(f) として成文化されている
排水の収集・排出と外部建物の制約
- elevated station の排水は生活排水口から出て holding pit に集められる
- elevated station には主要な holding pit が 2 つある
- holding pit の目的は 2 つある
- 排出配管や sewer outfall の保守中でも、基地内の配管設備を使えるよう一時的な貯留バッファを提供すること
- 排水を十分に貯めた後、高流量で強制排出して浮遊固形物をより効率よく搬送すること
- 排水が発生する速度のまま sewer outfall まで流れると、移送中に固形物が沈殿して詰まりが生じる可能性がある
- “B” pod の holding pit は Emergency Power Plant 内にある
- この区域は、station の他の部分が損傷した場合でも独立して機能できる冗長インフラ翼である “lifeboat” の一部である
- 通常は主 sewage/wastewater outfall に排出する
- 主 outfall に問題が生じた場合は、より小さい emergency outfall にも排出できる
- 同じ空間には、雪を溶かして potable domestic water を作れる非常用浄水インフラもある
- “A” pod の wastewater pit は A pod 1 階の大きな機械室内にある
- A pod のすべての設備から出た排水が重力で集まる
- 主 outfall に排出される
- pit が満杯になると、自動的に sewer outfall へ排出される
- 経路は生活用水供給配管とおおむね似ている
- station を出て beer can を下り、ice tunnels を通って現在の sewer outfall に到達する
- 最後の垂直区間まで下水が凍らないよう heat trace が施されている
- 南極点のすべての建物が配管システムに接続されているわけではない
- running water と wastewater connection があるのは elevated station と power plant arch だけである
- IceCube、MAPO、DSL、ARO などの外部建物は遠すぎ、現時点では接続に費用対効果がない
- station の外で働く人のための代替策もある
- 夏季は人口が多いため、キャンパス周辺に porta-potty が配置される
- porta-potty の廃棄物は満杯になると station へ戻して処理しなければならない
- 恒久的な外部建物では、バケツから着脱式貯留箱付きの dry toilet まで、さまざまな解決策が使われている
- 遠方へ出る要員は、USAP が提供する 32oz HDPE Nalgene ボトルを携行でき、シーズン開始時に受け取り、出発前に洗浄・消毒して返却しなければならない
見えない必須インフラ
- elevated station 内で蛇口をひねれば普通の建物のように使えるが、その背後では Rodwell、ice tunnels、heat trace、glycol 熱交換、加圧タンクが連動している
- 南極点の給排水システムは、極端な寒さ、風、降り積もり続ける雪、長い補給網、専門人材や予備部品の確保の問題の中で動作している
- このインフラは、人間が地球最南端で生活し働くことを可能にする 中核的な基盤施設 である
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
こういう記事はいつも面白く、南極点基地のように、なじみのない方法で生活を維持している様子をのぞかせてくれる。
運用全体が、エントロピーが絶えず押し寄せてくる状況と、それを食い止めるために投入しなければならないエネルギーとの間で、刃の上に立っているように見えて、どこか怖くもある。発電機に問題が起きたらどれほど早く崩れるのか、結局は燃料がすべてを支えているのだという点が、特に寒冷環境ではより強く感じられる。
こうした施設の保守についての記事も読んでみたい。基地の存続を脅かすような問題があり、それをどう乗り越えたのか、といった話ならなおよい。冗長設計があっても、物理世界に存在する以上、故障は避けられないように思える。
独自の極地用ブレンドであるAN8もある。冗長設計は多く、現場で修理するための装備もそろっている: https://www.jeffreydonenfeld.com/blog/2012/12/the-south-pole...
HNでbrr.fyiの記事を見るのはいつも良い。
南極点で暮らすというのは、ほとんど異星で暮らすようなものだ。
南極点の下に膨大な量の排泄物が埋まっていると考えると妙な気分になる。
知らないほうがいいこともある。
楽観的に見るのはいつだって良いことだ。
南極は何百万年もそのままで、やがて宇宙人が着陸し、あらゆる微生物でいっぱいの謎めいた追加の湖を発見するかもしれない。
抜けている点が一つ: OPの最初の例であるMcMurdoの淡水化施設は、かつて原子力で稼働していたが、その方式をやめて現在はディーゼルを使っている。
https://en.wikipedia.org/wiki/McMurdo_Station#Nuclear_power_...
ディーゼルのほうがずっと実用的に聞こえる。
https://theconversation.com/remembering-antarcticas-nuclear-...
こういうふうに興味深い対象を深く掘り下げる記事は、HNでいつも楽しく読んでいた。
写真まで含めて全部華氏なのは少し驚いた。氷のトンネルは本当に素晴らしい。Star Warsを見て育ったなら、あれを嫌いな人なんているだろうか？
最初のRodwellが完成する前、排水はどこへ行っていたのだろう？
下水放流口、配管の凍結、リフトポンプ交換の話がたくさん出てくる。おそらく地面に掘った穴だったのだろう。
下水道や水インフラのない外部の建物では、今でもこうした方式が使われている。答えはおそらくBill Spindlerのsouthpolestation.comのどこかにあると思う。
この簡易トイレは、単に熱風で作られている。飲料水は雪の洞窟から取ってきて、雪を溶かす装置にシャベルで入れる。
「水1ガロン相当の量を-60°Fから妥当な配給温度である50°Fまで温めるには、実に110°F上げなければならない。水1ガロンを配給温度まで上げるだけで純エネルギー268Whが必要だ！」
実際にはこれよりさらに大きい。固体から液体に変わる相変化にも多くのエネルギーが必要だからだ。
330kJ/kg、つまり1ガロンあたり1250kJで、約350Whになる。だから水1ガロンを解凍するのに必要なエネルギーは、残りの110°Fの温度上昇よりも大きい。
物理の用語では融解潜熱といい、液体と固体の間の状態変化を起こすために必要なエネルギーだ。数年前、誰かが走行中の機関車の前にある氷を溶かすのに必要なエネルギーを計算しているのを見たが、記憶が正しければ、小さくない原子炉1基分ほどのエネルギーが必要だった。実用的ではない。
そういう科学基地で水温の測定に華氏を使っているというのは衝撃だった
特定サイズのメートルねじを探すのに1週間費やしたが、本当に苦痛だった
まずはっきりさせておくと、基地の大部分は「科学」ではなく、人が暮らすためのインフラ。建物を保守する人たちはヤード・ポンド法に慣れているので、その単位を使うのは理にかなっている。修理に使う資材や部品も米国企業から調達しており、多くの場合は法的にもそうなっている
たとえば発電所を毎日巡回すると、エンジンの温度測定値はすべてF。実質的にすべてのインライン流体温度計がFを読む。室内のサーモスタットもすべてF。建物の寸法もほぼすべてフィートで指定されている可能性が高い
だから水温の単位はあまり重要ではない。ここで水の研究をしているわけではなく、処理量計算をする技術的な業務を除けば、安定して飲める供給が必要なだけ
気象はメートル法で報告する。METARが標準形式だから。ただし航空の話になると、高度にはまた一般的にフィートを使う
でも望遠鏡は本当にひどい。ヤード・ポンド法のハードウェアがそこら中にある。それでも極低温まわりではKelvinを使う
人間基準のバイアスが有利でない文脈では、華氏は使わないのではないか
そのうえ機器の大半、特に配管のようなものは米国サプライヤーの製品だろうし、そうなるとインチ単位で調達するほうがずっと簡単
北の方で働いている友人が、水として使うために溶かした雪から隕石を集めたと言っていた
Rodwellの底にも隕石の粉じんが少し積もっているのか気になる
昔は、落とした物、たとえば工具などを回収するために磁石を下ろしていた。磁石を引き上げると金属粉が付いてくる。だが水が絶えず再循環しているため、それが配管や他の機械から摩耗して出た粒子にすぎない、という反論を避けるのは難しい。循環系に鉄系の物質があるという前提での話だ
興味深い
「水1ガロン分を-60°Fから、妥当な配給温度である50°Fまで温めるには、実に110°Fも上げなければならない。水1ガロンを配給温度まで上げるだけで、正味268Whのエネルギーが必要になる！ これがシャワーが2分に制限されている理由の一つだ」
これを読む全員が、1日1回の2分シャワーで1週間過ごしてみれば、この仕事に応募できるかどうか見当がつくのではないか
聞こえるほど難しくはない。水をかけて止め、石けんをつけ、すすいで、止めればいい。練習すれば、水を使う時間20〜30秒でもかなりきれいになれる
ただし満足感はない。髪が長かったりコンディショナーを使ったりすると、この数字がどう増えるのかは想像しにくい
非常に肉体的にきつい仕事や、ほこり・汚れの多い仕事をしていないなら、毎日全身を洗う必要はない
習慣を作るときは5分で時間を測っていたが、今は自然に2分くらいになる。もちろんColoradoの「冷たさ」は南極の「冷たさ」とは違う。ただ、蒸気やシャワーのことに浸ってぜいたくに楽しむのでなければ、2分はシャワーには十分な時間だ