Infraestrutura hídrica no Polo Sul
(brr.fyi)- Ao contrário de McMurdo, na costa, a Estação do Polo Sul não tem fonte de água líquida; por isso, derrete neve com milhares de pés de espessura para produzir água potável e de uso doméstico, e também trata o esgoto por um método separado
- A água doce começa em um poço subterrâneo na neve chamado Rodwell: água quente circula para criar um lago subterrâneo, e essa água é bombeada para uma estação de tratamento
- A neve profunda no Polo Sul fica a cerca de -60°F e, para transformar 1 galão em líquido a 50°F, são necessários cerca de 618 Wh, somando 268 Wh para elevar a temperatura e 350 Wh de calor latente de fusão; portanto, a própria produção de água é intensiva em energia
- Na estação de tratamento, a água é distribuída após passar por contatores de calcário, filtros, carbonato de sódio, cloro, tanques de armazenamento e tanques pressurizados; as tubulações usam isolamento térmico e cabos aquecedores para evitar congelamento
- O esgoto não é descarregado após tratamento como em McMurdo; ele é armazenado sem tratamento em um Rodwell no fim da vida útil e, em junho de 2024, uma estação de tratamento de esgoto no Polo Sul não estava incluída no planejamento nem no orçamento
Diferenças entre bases costeiras e o Polo Sul no interior
- A maioria das estações de pesquisa antárticas fica na costa ou perto dela
- Isso ocorre porque o oceano modera o clima, oferece acesso logístico por navios e fornece uma fonte de água e um meio de descarte de efluentes
- Muitos locais de pesquisa científica também ficam próximos da costa
- A Estação do Polo Sul é uma das estações interiores operadas o ano todo, não costeira
- Fica em um planalto interior, cerca de 975 milhas ao sul da McMurdo Station
- Ao contrário das bases costeiras, onde há água líquida disponível, é preciso derreter neve para obter água
Infraestrutura de água doce de McMurdo
- Como McMurdo é uma base costeira, ela tem acesso a água do mar líquida o ano todo na beira-mar abaixo da vila
- Mesmo quando a temperatura cai para -30°F no inverno, ainda há água líquida sob o gelo
- A água do mar é bombeada pela Seawater Intake Facility, no building 179
- A tubulação de água do mar usa isolamento espesso e cabos heat trace
- heat trace é um fio de alta resistência controlável instalado ao longo da tubulação
- Quando a eletricidade passa por ele, gera calor, e o isolamento retém esse calor para impedir que a água dentro da tubulação congele
- A água do mar de McMurdo é usada para duas finalidades
- Aquários de água do mar do Crary Lab
- Produção de potable water, ou seja, água de uso doméstico para a operação da estação
- A produção de água de uso doméstico passa por várias etapas na McMurdo water treatment plant
- A água do mar entra a cerca de 28°F e, por causa da salinidade, permanece líquida em temperaturas mais baixas que a água doce
- É aquecida até cerca de 37°F com calor residual da usina
- É filtrada para remover sedimentos
- A osmose reversa remove sais e minerais de ocorrência natural, e o material restante é devolvido ao mar
- Na etapa de polishing, a dureza e o pH são ajustados, e uma pequena quantidade de cloro é adicionada para reduzir o impacto de contaminação no sistema de armazenamento e distribuição
- McMurdo armazena centenas de milhares de galões de água tratada
- A população no pico do verão pode passar de 1.000 pessoas
- Também é necessária água para combate a incêndios, o que exige uma capacidade de armazenamento significativa
Água doce no Polo Sul: água que começa no Rodwell
- No Polo Sul não há fonte de água líquida, e a estação fica sobre um planalto interior frio, a centenas de milhas da costa
- A água é produzida derretendo neve com milhares de pés de espessura
- A neve em profundidade fica a cerca de -60°F
- Para aquecer 1 galão de água em 1°F, são necessários 2,44 Wh, ou 8,33 BTU, de calor
- Para elevar a temperatura de -60°F a 50°F, uma diferença de 110°F, são necessários 268 Wh
- Incluindo o calor latente de fusão para passar de sólido a líquido, são necessários mais 350 Wh por galão, totalizando cerca de 618 Wh
- O abastecimento de água no Polo Sul começa no Rodwell
- Rodwell é abreviação de “Rodriguez Well”
- O projeto original foi criado por Raul Rodriguez para um acampamento na Groenlândia
- O poço atualmente em operação é chamado oficialmente de “Rodwell 3”
- Vários locais de futuros Rodwell também já estão planejados
- O funcionamento básico do Rodwell é simples
- Perfura-se um buraco na neve
- Injeta-se água quente para derreter a neve
- A água derrete a área ao redor e cria um lago subterrâneo
- A água líquida é bombeada desse lago subterrâneo
- Ao manter a circulação de água quente, é possível preservar e expandir o lago subterrâneo
- O edifício de suporte do Rodwell abriga equipamentos de controle e monitoramento, e é aquecido
- O poço desce por centenas de pés
- Passam juntos a tubulação que traz a água bombeada para cima, a tubulação que envia água quente de volta para baixo, os cabos elétricos da bomba submersível e as linhas de sinal dos sensores e circuitos de controle
Circulação do Rodwell e prevenção de congelamento
- A água que sai do Rodwell percorre centenas de pés até a estação principal de tratamento de água
- Parte dela é usada como água de uso doméstico da estação
- O restante passa por trocadores de calor da estação de tratamento e retorna ao Rodwell
- A água bruta bombeada do Rodwell fica em torno de 36°F
- Depois de passar pela estação de tratamento e pelos contatores de calcário, chega a cerca de 42°F
- A água de recirculação que retorna ao Rodwell é aquecida até cerca de 84°F
- O edifício de suporte do Rodwell tem caldeira e trocador de calor de backup
- Isso garante que sempre haja fornecimento de água quente ao Rodwell, mesmo que surja um problema na tubulação de retorno entre a estação de tratamento e o Rodwell
- Se o loop de circulação de água quente for perdido, há risco de dano ao Rodwell
- A entrada contínua de calor é uma condição essencial para operar o Rodwell
- Um Rodwell é usado por vários anos
- Quando fica grande demais, seu volume chega a milhões de galões
- Depois disso, ele deixa de ser usado como fonte de água doce, e um novo Rodwell é iniciado em outro local
- O Rodwell antigo é convertido em armazenamento de esgoto
- Mais documentos históricos relacionados aos Rodwell podem ser vistos no site South Pole Station, de Bill Spindler
Estação de tratamento de água do Polo Sul
- A água do Rodwell segue até a estação principal de tratamento passando por ice tunnels subterrâneos
- ice tunnels são uma rede subterrânea de corredores de utilidades escavados em neve fortemente compactada
- As tubulações contam com isolamento e heat trace
- A estação de tratamento fica dentro dos arches ao lado da usina, na parte inferior do beer can
- O glycol loop que transporta calor residual dos geradores vem da usina ao lado, facilitando seu uso em trocadores de calor
- A água que entra na estação de tratamento passa primeiro por contatores de calcário
- Os contatores de calcário adicionam minerais para aumentar o pH da água
- Isso melhora a resistência à corrosão e torna a água adequada para consumo humano
- Dependendo do resultado de tratamento desejado, os contatores podem ficar online ou offline
- Toda a água passa pelos contatores, inclusive a água que retornará ao Rodwell
- A água destinada ao uso doméstico recebe tratamento adicional
- Passa por filtros de sedimentos e filtros de carvão
- O pH é ajustado de forma mais fina com carbonato de sódio, ou soda ash
- Cloro na forma de calcium hypochlorite é usado como desinfetante
- A água de uso doméstico tratada é armazenada em grandes tanques não pressurizados
- Há dois tanques, de modo que a operação pode continuar mesmo se um deles for retirado para manutenção
- Cada tanque tem capacidade de milhares de galões
- Eles funcionam como buffer de armazenamento para interrupções planejadas ou não planejadas no fornecimento do Rodwell ou no processo de tratamento
- A qualidade da água é verificada em vários pontos do processo de tratamento e distribuição
- Há um ponto de amostragem na saída dos tanques de água tratada, pouco antes de ela ser pressurizada pelas bombas de água doméstica
- A bancada da estação de tratamento conta com instrumentos de medição
Distribuição de água doméstica e instalações internas da estação
- A etapa final do tratamento de água doméstica é pressurizar a água e armazenar um volume de fornecimento estável
- Bombas elevam a água tratada até a pressão de distribuição da estação
- Tanques pressurizados de distribuição de água armazenam o volume usado pela estação
- A água sobe dos tanques da estação de tratamento pelo beer can até a elevated station
- Há uma elevação vertical de cerca de 50 pés, que precisa ser considerada na configuração de pressão do sistema de distribuição
- Como o beer can não é aquecido, as tubulações são isoladas
- A elevated station também tem tanques pressurizados para combate a incêndio
- Toda a estação possui sprinklers automáticos contra incêndio
- Os pontos de uso de água dentro da estação são semelhantes aos de um edifício comum
- O dish pit da cozinha é um dos grandes consumidores de água
- A lavanderia funciona de forma parecida com uma lavanderia residencial
- Para economizar energia, a maioria das máquinas de lavar tem apenas conexão de água fria, e apenas algumas têm conexões de água quente e fria
- As secadoras usam trocadores de calor diretos conectados ao glycol loop de aquecimento do edifício, em vez de aquecimento por resistência elétrica
- Banheiros e bebedouros também ficam dentro da elevated station
- O bebedouro é um modelo Elkay EZS8SF com o add-on LK1110 glass filler
Como o esgoto é tratado no Polo Sul
- O esgoto do Polo Sul é tratado de uma forma completamente diferente da de McMurdo
- McMurdo faz o esgoto passar por um processo completo de tratamento de efluentes
- O efluente tratado é descarregado no mar, e os sólidos são enviados aos Estados Unidos para descarte
- No Polo Sul, um Rodwell no fim da vida útil é usado como reservatório de esgoto
- Quando o Rodwell atinge seu tamanho máximo, a água doce deixa de ser retirada dele
- Depois disso, ele é convertido em “sewage outfall” para armazenamento de efluentes
- Esgoto bruto e outros efluentes seguem pela rede de tubulações de esgoto até o sewage outfall atual
- São armazenados no subsolo por tempo indefinido
- Não há tratamento antes do envio para o subsolo
- O outfall sob a Estação do Polo Sul armazena milhões de galões de efluentes não tratados
- Em junho de 2024, uma estação de tratamento de esgoto para a Estação do Polo Sul não está atualmente planejada nem prevista no orçamento
- No entanto, ela já foi discutida várias vezes ao longo da história da estação
- O South Pole Station Master Plan Draft 2024, no site da NSF, inclui uma estação de tratamento de esgoto como recomendação
- O descarte por injeção de esgoto bruto sob o gelo é permitido pelo Antarctic Treaty System
- Na legislação dos EUA, isso está codificado em 45 CFR § 671.12(f)
Coleta e descarte de esgoto e limitações dos prédios externos
- O esgoto da elevated station sai pelos ralos domésticos e se acumula em holding pits
- A elevated station tem dois holding pits principais
- O objetivo dos holding pits é duplo
- Fornecer um buffer temporário de armazenamento para que as instalações hidráulicas internas da estação continuem podendo ser usadas durante manutenção na tubulação de descarga ou no sewer outfall
- Acumular esgoto até ficar cheio e então descarregá-lo forçadamente com alta vazão, transportando sólidos suspensos com mais eficiência
- Se o esgoto escoasse até o sewer outfall na mesma velocidade em que é gerado, sólidos poderiam se depositar durante o trajeto e causar entupimentos
- O holding pit do pod “B” fica dentro da Emergency Power Plant
- Essa área faz parte do “lifeboat”, uma wing de infraestrutura redundante capaz de funcionar de forma independente caso outras partes da station sejam danificadas
- Normalmente descarrega no sewage/wastewater outfall principal
- Se houver um problema no outfall principal, também pode descarregar em um emergency outfall menor
- No mesmo espaço, também há infraestrutura emergencial de purificação de água capaz de derreter neve para produzir potable domestic water
- O wastewater pit do pod “A” fica em uma grande sala mecânica no primeiro andar do A pod
- O esgoto de todas as instalações do A pod se reúne por gravidade
- Ele é descarregado no outfall principal
- Quando um pit enche, ele descarrega automaticamente para o sewer outfall
- O trajeto é, em geral, parecido com o da tubulação de abastecimento de água doméstica
- Sai da station, desce pelo beer can, passa pelos ice tunnels e chega ao sewer outfall atual
- O heat trace é aplicado para que o esgoto não congele até o último trecho vertical
- Nem todos os prédios do Polo Sul estão conectados ao sistema de tubulações
- Os locais com running water e wastewater connection são apenas a elevated station e o power plant arch
- Prédios externos como IceCube, MAPO, DSL e ARO são distantes demais, e até hoje não houve viabilidade econômica para conectá-los
- Também há alternativas para pessoas que trabalham fora da station
- No verão, com população maior, porta-potties são distribuídos pelo campus
- Quando os resíduos dos porta-potties se acumulam, precisam ser transportados de volta para a station
- Prédios externos permanentes usam várias soluções, de baldes a dry toilets com reservatórios removíveis
- Equipes que saem para locais distantes podem levar garrafas Nalgene de HDPE de 32 oz fornecidas pelo USAP; elas devem ser recebidas no início da temporada e devolvidas após limpeza e desinfecção antes da partida
Infraestrutura essencial invisível
- Ao abrir uma torneira dentro da elevated station, ela funciona como em um edifício comum, mas por trás disso estão conectados Rodwell, ice tunnels, heat trace, trocadores de calor a glycol e tanques pressurizados
- Os sistemas de água e esgoto do Polo Sul operam em meio a frio extremo, vento, neve que continua se acumulando, longas cadeias de suprimento e dificuldades para garantir pessoal especializado e peças de reposição
- Essa infraestrutura é a base essencial que permite aos humanos viver e trabalhar no ponto mais ao sul da Terra
1 comentários
Comentários do Hacker News
Esse tipo de texto é sempre interessante e nos faz observar como a vida se sustenta de formas incomuns, como na estação do Polo Sul
Toda a operação parece estar em equilíbrio sobre uma lâmina, entre a entropia avançando o tempo todo e a energia que precisa ser investida para contê-la, o que dá até um certo medo. Fica ainda mais evidente, especialmente em um ambiente tão frio, o quão rápido tudo desmoronaria se houvesse um problema com os geradores e como, no fim, combustível é o que sustenta tudo
Também queria ler algo sobre a manutenção dessas instalações. Seria ainda melhor se fossem histórias sobre problemas que chegaram a ameaçar a continuidade da base e como eles foram superados. Mesmo com projetos redundantes, parece inevitável que algo falhe, já que tudo existe no mundo físico
Também existe o AN8, uma mistura própria para uso polar. Há muita redundância no projeto e eles também têm equipamentos para consertos no local: https://www.jeffreydonenfeld.com/blog/2012/12/the-south-pole...
É sempre bom ver textos da brr.fyi no HN
Viver no Polo Sul é praticamente como viver em um planeta alienígena
É estranho pensar que uma quantidade enorme de excremento está enterrada sob o Polo Sul
Às vezes é melhor não saber certas coisas
É sempre bom olhar pelo lado otimista
A Antártida talvez permaneça intacta por milhões de anos, até que alienígenas pousem lá e descubram um lago extra misterioso cheio de todos os tipos de micróbios
Um detalhe que ficou faltando: a primeira usina de dessalinização de McMurdo do OP no passado era operada com energia nuclear, mas esse método foi abandonado e hoje ela usa diesel
https://en.wikipedia.org/wiki/McMurdo_Station#Nuclear_power_...
Diesel parece muito mais prático
https://theconversation.com/remembering-antarcticas-nuclear-...
Sempre gostei no HN de textos que se aprofundam desse jeito em temas interessantes
Fiquei um pouco surpreso de ver até as fotos todas em Fahrenheit. Os túneis de gelo são realmente incríveis. Quem cresceu vendo Star Wars, como poderia não gostar disso?
Antes de o primeiro Rodwell ser concluído, para onde ia o esgoto?
Há várias histórias sobre saída de esgoto, congelamento de tubulações e troca de bombas elevatórias. Provavelmente era um buraco cavado no chão
Em edifícios externos sem esgoto nem infraestrutura hídrica, ainda hoje se usa esse tipo de método. A resposta provavelmente está em algum lugar do southpolestation.com do Bill Spindler
Esses banheiros improvisados são literalmente feitos com ar quente. A água potável é tirada de uma caverna de neve e colocada com pá no derretedor de água
“Para aquecer o equivalente a 1 galão de água de -60°F até 50°F, uma temperatura razoável para distribuição, é preciso elevar a temperatura em impressionantes 110°F. Só para elevar 1 galão de água até a temperatura de distribuição são necessários 268Wh de energia pura!”
Na prática, é ainda mais do que isso. A mudança de fase de sólido para líquido também exige muita energia
330kJ/kg, ou 1250kJ por galão, o que dá cerca de 350Wh. Então a energia necessária para descongelar 1 galão de água é maior do que a necessária para os outros 110°F de aumento de temperatura
Em termos de física, isso se chama calor latente de fusão e é a energia necessária para provocar a mudança de estado entre sólido e líquido. Alguns anos atrás vi alguém calcular a energia necessária para derreter o gelo na frente de uma locomotiva em movimento e, se bem me lembro, seria algo do nível de um reator nuclear pequeno, nada nada prático
Fiquei chocado que usem Fahrenheit para medir a temperatura da água numa base científica dessas
Passei uma semana procurando um parafuso métrico de um tamanho específico, então a dor é bem real
Primeiro, vale deixar claro que a maior parte da base não é “ciência”, e sim infraestrutura onde as pessoas vivem. Faz sentido usar unidades imperiais, porque quem faz a manutenção dos prédios está acostumado com elas. Os materiais e componentes usados nos reparos também são comprados de empresas americanas e, em muitos casos, isso é até exigido por lei
Por exemplo, se você faz a ronda diária na usina, todas as medições de temperatura dos motores estão em F. Praticamente todos os termômetros de fluido em linha marcam F. Todos os termostatos internos também estão em F. As dimensões dos edifícios provavelmente também foram especificadas quase todas em pés
Então a unidade da temperatura da água não importa muito. Não se faz pesquisa sobre água aqui; fora o trabalho técnico de calcular vazão, o que se precisa é apenas de um fornecimento estável e potável
A meteorologia é reportada em sistema métrico, porque METAR é o formato padrão. Mas, quando entra a aviação, a altitude volta a ser quase universalmente em pés
Mas os telescópios são realmente extremos. Tem hardware imperial por toda parte. Ainda assim, a parte criogênica usa Kelvin
Em contextos em que esse viés humano não seja vantajoso, imagino que não usariam Fahrenheit
Além disso, a maior parte do equipamento, especialmente a tubulação, provavelmente vem de fornecedores americanos, e nesse caso é muito mais fácil comprar em polegadas
Um amigo que trabalha no norte disse que coletou meteoritos da neve derretida para usar como água
Fico curioso se também haverá um pouco de poeira de meteorito acumulada no fundo do Rodwell
Antigamente desciam ímãs para recuperar objetos que caíam, como ferramentas. Quando puxavam o ímã de volta, ele vinha com pó metálico grudado. Mas, como a água circula continuamente, é difícil evitar a objeção de que aquilo pode ser só partícula desgastada da tubulação ou de outras máquinas. Isso assumindo que haja material ferroso no sistema de circulação
Interessante
“Para aquecer o equivalente a 1 galão de água de -60°F até 50°F, que é uma temperatura de distribuição razoável, é preciso elevar a temperatura em nada menos que 110°F. Só para levar 1 galão de água até a temperatura de distribuição são necessários 268Wh de energia pura! Essa é uma das razões pelas quais os banhos são limitados a 2 minutos”
Se todo mundo que está lendo isso tentasse passar uma semana tomando um banho de 2 minutos por dia, talvez desse para avaliar se conseguiria se candidatar a esse trabalho
Não é tão difícil quanto parece. Molha o corpo, fecha, ensaboa, enxágua e fecha de novo. Com prática, dá para ficar bem limpo usando só 20 a 30 segundos de água
Só que não é exatamente satisfatório. Se você tem cabelo comprido ou usa condicionador, é difícil imaginar como esse número não aumentaria
A menos que você faça trabalho muito pesado fisicamente ou um trabalho com muita poeira e sujeira, não é necessário tomar banho completo todos os dias
Quando estava criando o hábito, eu marcava 5 minutos, mas hoje naturalmente fico em algo como 2 minutos. Claro, o “frio” do Colorado é diferente do “frio” da Antártida. Ainda assim, se você não estiver se perdendo em vapor e pensamentos sobre o chuveiro para curtir o luxo, 2 minutos são tempo suficiente para um banho