寒冷地研究工学研究所
ニューハンプシャー州ハノーバーにあるアメリカ陸軍工兵隊の施設

寒冷地研究工学研究所
設立1961年2月1日 （1961年2月1日）
研究の種類寒冷地科学と工学
監督ジョセフ・L・コリヴォー[1]
住所ライムロード72番地
位置アメリカ合衆国ニューハンプシャー州ハノーバー
北緯43度43分26秒 西経72度16分23秒 / 北緯43.72389度 西経72.27306度 / 43.72389; -72.27306
03755-1290
Webサイトwww.erdc.usace.army.mil/Locations/CRREL/

寒冷地研究工学研究所（CRREL）は、ニューハンプシャー州ハノーバーに本部を置く、米国陸軍工兵隊工兵研究開発センターの研究施設です。寒冷環境を中心に、米国政府および軍に科学技術支援を提供しています。CRRELは、政府機関以外の顧客にも技術支援を提供しています。

CRRELは、冷戦期における北部戦略地域における重要な要素として、凍土、永久凍土、雪、氷を理解することを目的とした3つの前身組織の統合によって設立されました。設立後25年間、CRRELの研究者は、極地の氷床、永久凍土、そしてアラスカなどの寒冷地における天然資源開発のための工学技術の理解に貢献してきました。近年では、CRRELの研究者は、気候変動に関する科学、センサーシステムのための波動伝播の理解、構造物への積雪や航行水路の氷の制御、軍事施設の 環境修復などに貢献しています。

ミッション領域

CRRELの公言された使命は、「地球の寒冷地域に関連する独自の中核的能力を備え、あらゆる季節と気候における複雑な環境、材料、プロセスに科学と工学を進歩させ、適用することにより、米国陸軍工兵隊、陸軍、国防総省、そして国家の学際的かつ戦略的に重要な問題を解決すること」である。[2]

アラスカ州アンカレッジ近郊のイーグル・リバー・フラッツで、水鳥の死因となっている汚染物質を調べるために泥の堆積物を採取している。

CRRELのスタッフが従事しているとされる技術分野は以下のとおりです。[3]

  • 土壌中の生物地球化学的プロセス– 軍事訓練地の管理と修復、凍結する土壌における微生物の生存特性の解明を網羅する。 [4]
  • 寒冷地域のインフラ整備–建物の外皮、舗装技術、地盤工学、航空機滑走路の設計と修理、極地施設などを扱います。 [5]
  • 環境中における化学物質の運命と移動– 土壌中の化学物質汚染物質の検出と分布および移動のモデル化を扱います。永久凍土の劣化に関するトピックも含まれます。[6]
  • 水文学と水力学– 河川、閘門、ダムにおける氷に関連するプロセスとそれらが船舶に与える影響を網羅しています。この取り組みを支援するのが、CRRELアイスジャムデータベースです。 [7]また、様々な調査手法を用いて雪の分布と流出率を特徴づけることで、積雪水文学にも取り組んでいます。 [8]
グリッドの中心からヘリコプターを検出する確率を示す地形のシミュレーション。
  • 軍事機動性と航空作戦の支援– 積雪、氷、凍結・融解の影響を受ける地形における車両の移動を支援する。これには、最小限の改良着陸地点における航空機の運用が含まれる。関連作業として、南極大陸における作戦、氷上輸送、雪氷滑走路の支援が挙げられる。[9]
  • センサーおよび画像システムへの信号伝搬– 地中レーダー、レーダー、地震センサー、音響センサーを用いて、ミリ波、地震、音響信号の様々な媒体を介した伝搬をモデル化する手法の開発を網羅する。この研究は、不発弾や軍事目標の探知に応用されている。[10]
  • 寒冷地域における陸生・気象プロセス– 自然地形および人工地形の状態を研究し、その物理的特性をモデル化します。海氷や氷河の科学から、雪や氷の結晶の形成を反映する微小スケールのプロセスまでを網羅しています。科学的課題には、地球規模の気候変動や気象が航空・交通に与える影響などが含まれます。[11]
  • 水資源追跡のための地理空間アプリケーション-地理的な規模での環境問題や技術的問題を理解するために、リモートセンシング技術とマッピング画像の使用を重視します。 [12]

設備

氷工学施設の冷蔵試験槽内の氷に覆われた水上の油を抑制する界面活性剤の評価。
CRREL永久凍土トンネル 1987

主要施設はニューハンプシャー州ハノーバー、ダートマス大学の北に位置し、以下の施設を備えています。

  • 冷凍材料の実験のための冷蔵室
  • 舗装などの大規模な土壌系の研究に特化した霜影響研究施設 (FERF)。
  • 氷工学施設 (IEF) は、航行可能な水路における氷の影響、水文学および水力学の問題、洪水、および氷の形成によって生じる可能性のあるその他の問題の研究に専念しています。
  • リモートセンシングおよび地理情報システム（RS/GIS）施設
  • アラスカ州フェアバンクス近郊の永久凍土トンネル。[13]
  • メイン州フェアバンクスとトリート島にある、着氷と塩分環境にさらされたコーティングを試験するための施設。[14]

その他の研究室では化学、生物学、土木工学の分野を扱っています。[15]

CRRELは、アラスカ州フェアバンクス近郊のフォート・ウェインライトと、アラスカ州アンカレッジの陸軍工兵隊アラスカ地区に事務所を置いている。[13]

歴史

CRRELは1961年2月1日に、以前の雪氷永久凍土研究施設（SIPRE）[16]と北極建設および霜の影響研究所（ACFEL） の合併により設立されました。

先例と確立

SIPREの雪と氷を研究するための冷蔵室

CRRELの前身と設立経緯は公式の歴史書に記録されている。[17] 1944年から1953年にかけて、米国陸軍工兵隊はCRRELの前身となる3つの独立した組織を設立した。ニューイングランド支部内には、 1944年にマサチューセッツ州ボストンに拠点を置く「凍結の影響を受ける地域における道路、飛行場、構造物の設計と建設に対する凍結の影響に関する研究を調整する」ための凍結影響研究所が設立された。ミネソタ州セントポール地区の工兵隊は、 1944年に永久凍土部を設立し、永久凍土上に飛行場を建設するための設計方法と建設手順を決定した。

陸軍工兵隊は1949年にSIPRE（雪氷永久凍土研究施設）を設立し、1951年にイリノイ州ウィルメットに移転した。その目的は「雪、氷、凍土に関する基礎研究と応用研究の実施」であった。1953年、陸軍工兵隊はセントポール地区の霜影響研究所と永久凍土部を統合し、ボストンにACFEL （北極建設および霜影響研究所）を設立した。1959年、SIPREの研究者はグリーンランドのキャンプ・センチュリーの設立に参加し、グリーンランド氷床をモデルとした施設で技術的・科学的問題を研究した。統合されたSIPREとAFCELの組織のために新しい施設を建設した後、陸軍工兵隊は1961年2月1日にニューハンプシャー州ハノーバーにCRRELを設立した。

1961-1986

キャンプ・センチュリーのグリーンランド氷床を掘削するために使用された熱ドリル

最初の四半世紀の間、CRREL の研究者とスタッフは北極、南極、アラスカ、五大湖で活動し、気候履歴データの提供、資源抽出問題への対応、冬季航行の延長に取り組んできました。

氷床の掘削

1966年、CRRELの研究者たちはグリーンランド氷床を4,550フィート（1,390メートル）の深さまで掘削することに成功しました。この作業には3年を要しましたが、12万年以上にわたる連続した氷床コアが得られました。これにより、科学者の気候史解釈能力が高まり、地球規模の気候変動に関する初期の情報源となりました。1968年には、同じCRRELチームが南極氷床を7,100フィート（2,200メートル）以上掘削し、世界で2番目の地点における気候記録を提供しました。[17] [18]

アラスカ北斜面の石油開発を促進

アラスカの不連続永久凍土を横断するヒートパイプで支えられたトランスアラスカパイプライン

1967 年、アラスカのブルックス山脈の北で石油が発見されたことにより、2 つの基本的な疑問が生じました。CRREL は、参加石油会社のコンサルタントとして、凍土、永久凍土、または一年中凍っているボーフォート海の海底から石油をどのように抽出するか、そして、精製および消費のために原油を米国本土に最も効率的に輸送するにはどうすればよいかという疑問に答える立場にありました。

CRRELの職員は、砕氷タンカーの使用と、永久凍土地域を越えてアラスカの大部分を横断する陸上パイプラインの使用という2つの輸送オプションの調査に参加した。ボーフォート海に関しては、CRRELの研究者は、沖合掘削作業に問題となる北極海の海氷の特性と挙動の研究を実施した。 [19] CRRELの研究者は、砕氷 タンカー SSマンハッタンの2回の航海に積極的に参加し、海上輸送オプションの実現可能性を評価した。同時に、CRRELの技術者はトランスアラスカパイプラインの連邦検査官にレビューと助言を行った。パイプラインの建設中、CRRELの研究者は永久凍土と氷の上の基礎と道路の工学的影響を研究した。[17] [20]

淡水航行

1970年代、CRRELは冬季を通じて五大湖とセントローレンス水路の航行を延長するという陸軍工兵隊の取り組みを支援しました。彼らは、閘門の着氷や浮氷による水路の閉塞に対処するため、ブーム、バブラー、閘門コーティングなどの対策を開発しました。[17] [21]

冷戦の役割

DYE 2レーダー施設をグリーンランド 氷床の新しい基礎に移転

CRRELは、冷戦時代にアメリカ空軍による遠距離早期警戒（DEW）ライン施設の設置[22]と維持を支援する役割を果たした。1976年には、CRRELの研究者が、グリーンランド氷床上に設置されていた高さ10階建て、重量3,300トンのDEWライン施設を、氷の移動によって脆弱になっていた基礎から新しい基礎へと移転する作業に尽力した。[23] 1984年には、CRRELの職員がDEWラインに代わる新たな北方警戒システムの31地点の調査報告書を完成させた。[17] [24]

1972年にはCRRELとソ連の寒冷地研究機関との間で継続的な科学交流が始まった。これにはレニングラードの北極・南極研究所やヤクーツクの永久凍土研究所などが含まれていた。[17]

1986年～現在

CRRELの次の25年間は、ソビエト連邦の崩壊、冷戦の終結、そして資金のシフトによって議会からの直接予算の重点が減り、CRRELの顧客からの研究費の償還への依存度が高まった時期であり、これは技術レポートのスポンサーシップによって証明されている。[ 25] CRRELの研究に資金を提供する顧客には、米国陸軍、空軍、海軍のさまざまな部隊が含まれていた。さらに、国立科学財団、環境保護庁、NASAなどの民間機関も研究の答えをCRRELに求めた。さらに、さまざまな民間組織が直面する問題を解決するためにCRRELの研究に資金を提供した。CRRELの技術レポートのリストには、科学と工学をカバーする27のトピックカテゴリが記載されている。[26]

軍事研究

雪解けの状況下での軍用車両の操縦

CRRELは、赤外線画像、レーダー、[27] 、 音響[28]、または地震[29]センサーを介してあらゆる気象条件下で敵の動きを検知することを可能にする信号伝播プログラムを通じて、米軍へのサービス提供能力を継続的に向上させました。また、訓練場における主に不発弾[30]や不発弾（UXO）[31]による汚染物質の特定と除去を促進することで、米軍の環境ニーズにも応えました。他の研究者は、雪や泥濘地における車両の移動性の問題に取り組みました。CRRELの研究者は、C-17軍用輸送機の戦術滑走路要件の定義にも参加しました。 [32]

民間研究

氷上基地SHEBA、カナダ沿岸警備隊の船舶Des Groseilliers（右）とCCGS Louis S. St-Laurent
2011 年 7 月、ICESCAPE の乗組員が雪解け水池を渡り、空中投下された物資を回収する。
ボーイング C-17が離陸する際、マクマード基地の車輪付き航空機用フェニックス滑走路の受け入れテストを監視する研究土木技師。

CRRELの職員は、北極と南極の両方において、極地研究において引き続き成果を上げました。北極では、CRRELの研究者は北極海航路の海上輸送モデル[33]や、1997年10月から1998年10月にかけて北極海で実施された北極海表層熱収支（SHEBA）実験に積極的に取り組み、地球規模の気候モデルに極地の情報を提供しました。[34] [35]他の研究者は、地球規模の気候変動に関連するデータを収集するために、南極大陸とグリーンランドを横断しました。[36] 2010年には、CRRELの研究者が、砕氷船を用いた別の科学ミッション「気候変動が北極太平洋環境の生態系と化学に与える影響」（ICESCAPE）の共同主任科学者を務め、「気候変動がチュクチ海とボーフォート海の生物地球化学と生態系に与える影響」を解明しました。[37]

CRRELの他の研究者たちは、南極にある米国国立科学財団の研究施設のアップグレードと維持管理の方法を開発しました。これには、新しい南極基地の設計と建設、そして現代の航空機が雪上滑走路に着陸するための基準の策定が含まれます。[38] CRRELのスタッフは、南極基地への物資供給コストを削減するため、ロス棚氷を南極山脈と南極氷床を越えて横断する新しい陸上補給ルートの調査と開発を支援しました。[39] [40] 2016年、CRRELの研究土木技術者は、マクマード基地のために「フェニックス」と呼ばれる新しい雪上滑走路を設計、建設、試験しました。この滑走路は、年間約60回の大型車輪付き輸送機の出撃に対応できるように設計されています。[41]

CRRELの研究者たちは、陸軍工兵隊土木工事ミッションにおいて、氷の詰まりを回避する革新的な方法と、広範囲に発生する氷の問題に対処するためのデータベースを開発しました。[42]これらの問題のモデリングを支援するため、大規模な氷工学施設が建設されました。また、衛星画像と情報マッピングのリソースをより有効に活用し、世界中の問題に対処するために、リモートセンシングおよびGIS （地理情報システム）施設と組織が設立されました。 [43]もう一つの主要施設である凍結影響研究施設は、凍結融解の影響を受ける飛行場や道路に関連する問題を研究するために建設されました。自動荷重負荷試験機が導入され、舗装路面における車両や航空機のタイヤの走行をシミュレートしました。[44]建築技術分野では、研究者たちは、米国全土における積雪荷重と氷結荷重を特定するための統計的手段[45] 、熱損失の測定基準[46] 、 [47]、屋根の水分検出[48]、および凍結防止された浅い基礎[49]の開発に貢献しました。

再編

1999年10月、CRRELは陸軍工兵隊の研究所を統括する組織であるエンジニア研究開発センター（ERDC）に加盟しました。ミシシッピ州ビックスバーグの沿岸水理学、環境、地盤工学・構造、情報技術研究所、イリノイ州シャンペーンの建設工学研究所、ニューハンプシャー州のCRREL、バージニア州アレクサンドリアの地形工学センターの7つ​​の研究所が統合され、全米4か所にERDCが設立されました。[50]

トリクロロエチレン流出の修復

当初、CRRELの冷蔵施設では、冷媒としてトリクロロエチレン（TCE）を使用していました。当時、TCEに起因する環境有害性はほとんど知られていませんでしたが、その後、TCEは発がん性物質であることが判明しました。1970年、産業事故により約3,000ガロンのTCEが流出しました。1978年には、実験井戸からTCEが地中に流入しました。1990年に地下水からTCEが検出された後、CRRELは、ニューハンプシャー州環境局（NHDES）の承認を得て、米国陸軍毒性物質局および陸軍工兵隊ニューイングランド支部の支援を受けて修復計画に着手しました。NHDESの報告によると、CRRELは現在、敷地内にTCEを保管しておらず、地下水中のTCEの修復は試験井戸でのモニタリングの対象となっています。[51]地元紙が引用した陸軍のプレスリリースによると、[52]陸軍はCRRELキャンパス内の他の場所でもTCEの監視を拡大し、2011年にいくつかの場所で高い数値を確認しました。その後、監視井戸と土壌サンプル採取プログラムを開始し、敷地内の物質濃度をマッピングしました。2012年の報告書によると、得られた情報は、敷地内の新たな浄化戦略につながるはずです。[53]陸軍の環境専門家は、近隣の住宅地と学校の敷地でTCEを検出しました。[54] [55]

受賞歴

陸軍研究開発

陸軍研究開発功績賞は、陸軍研究所システム内で研究する優れた研究者に授与されます。著名なCRREL受賞者には次のような方がいます。[17]

  • 1967年 – ライル・ハンソン（グリーンランドと南極における氷床コア掘削）。ウィルフォード・ウィークス（海氷の形成と物理的特性に関する研究）。[56]
  • 1970年 - グンター・フランケンシュタイン、SSマンハッタンの作業と撃墜されたB-52の回収支援。[56]
  • 1971年 – ジェームズ・ヒックス、飛行場の霧消散技術[56]
  • 1976年 – ピーター・フクストラ、ポール・セルマン、スティーブン・アルコーネ、アラン・デラニー：トランス・アラスカ・パイプラインに関連する地下物理探査技術の開発。マルコム・メラー：雪、氷、凍土の掘削と発破に関する研究。これにより凍土の迅速な掘削と閘門壁の氷の切断が可能になり、南極大陸の大規模な氷壁を制御発破して補給船の接岸用桟橋を建設。[56]
  • 1977年 – マルコム・メラー、掘削機械の設計に役立つ工学原理の開発。[56]
  • 1978年 – ウェイン・トビアソン、グリーンランド氷床上の10階建て、3,300トンの遠距離早期警戒（DEW）ライン施設の移転により推定150万ドルを節約。[56]
  • 1979年 – フレデリック・クロリー、トランス・アラスカ・パイプライン建設における永久凍土の杭基礎に関する助言。[56]
  • 1980年 ウィルフォード・ウィークス 浮氷、特に海氷に関する工学的問題に対する科学的根拠を確立した。[56]
  • 1982年 – ジョージ・アシュトン、河川と湖沼の氷の熱プロセスの研究。エアバブラーと温水排出による氷の形成制御が可能になった。[56]
  • 1983年 – マイケル・フェリック：スペースシャトル・コロンビア号の過冷却燃料タンクにおける氷形成の予測においてNASAを支援した。中野義介、ジョセフ・オリファント、アラン・タイス：核磁気共鳴（NMR）技術を用いて凍結土壌の水分含有量と水分移動を調査。デビッド・デック：再発性洪水を軽減するための脆性氷制御構造の設計。[56]
  • 1985年 – リチャード・L・バーグ、エドウィン・J・チェンバレン・ジュニア、デビッド・M・コール、タデウス・C・ジョンソン：舗装システムの凍結・融解時の熱と水分のフラックスを計算する技術。[56]
  • 1986年 – ジョン・H・ランドとベン・ハナモト、陸軍工兵隊の航行閘門の氷を制御するシステムの開発。[56]
  • 1987年 – マイケル・G・フェリック：河川の氷の崩壊を記述する水力学理論の開発。トーマス・F・ジェンキンス・ジュニア、ダニエル・C・レゲット：陸軍弾薬工場の廃水中の残留爆薬濃度を測定するための標準分析法の開発。マルコム・メラー、マーク・F・ウェイト、ダリル・J・カルキンス、バリー・A・クーターマーシュ、デイビッド・A・ルルー：河川の氷床にリボンブリッジを設置する技術の開発。スティーブン・A・アルコーン、ポール・V・セルマン、アラン・J・デラニー：地球物理学的手法を用いて永久凍土の地下特性を解明。[56]
  • 1988年 – エドウィン・J・チェンバレン・ジュニア、イスカンデル・K・イスカンデル、C・ジェームズ・マーテル：下水汚泥、浚渫土、堆積物の処理技術、および凍結を利用した有害廃棄物処理場の除染技術。ジョージ・L・ブレイズデル：雪中走行用車輪付き車両の研究。デビッド・S・デック：発電所の冷却池水を利用した河川の氷結防止。フレデリック・C・ガーンハルトとチャールズ・J・コルホネン：積層屋根膜の膨れを迅速に修復する装置。[56]
  • 1989年 – レイチェル・ジョーダン、積雪の表面温度を予測する解析モデル[56]
  • 1990年 – オースティン・コヴァックスとレックスフォード・M・モリー、海氷と淡水氷の厚さと電磁気的特性を測定するレーダーと電磁誘導システム、そして地球温暖化の速度の解明。[56]
  • 1991年 – エドガー・L・アンドレアス、空気の乱流が光伝送に与える影響についての理解を深めた。[56]
  • 1995年 – ダニエル・ローソン、スティーブン・アルコーン、アラン・デラニー：地中レーダー技術による地下有害廃棄物および有毒廃棄物の特性評価。ジェームズ・ウェルシュとジョージ・ケーニッヒ：熱赤外線合成シーン生成技術の先駆的開発。[56]
  • 1996年 ドナルド・G・アルバート：凍土や雪が存在する状況での音響および地震波の伝播を記述する理論[56]
  • 1998年 – キャスリーン・F・ジョーンズ、電力線や通信塔などの構造物にかかる設計氷荷重に関する新しい国家標準地図を作成した。[56]
  • 2001年 – ロバート・E・デイビス、現状モデリング、水文学、リモートセンシングに関連する物理理論の発展に対して。[56]
  • 2004年 – D. キース・ウィルソン：大気の乱流を記述する準ウェーブレットを用いて大気音響効果の現実的なシミュレーションを可能にする音響伝播理論とモデリング。[56]
  • 2005年 – D. Keith Wilson（Sandra L. Collier、David H. Martinと共著）多孔質材料および移動する乱流流体中の音波伝播に関する時間領域理論と数値解析法を用いた音波伝播理論とモデリング、および大気乱流による散乱を考慮した音波伝播計算。[57]
  • 2008年 – スティーブン・アルコーン、ヨーフン・コー、ランボー・​​リュー：地形を介した電波伝搬の解明、特に近斜角における電波の前方散乱の測定にドップラー法を用いた。アントニオ・パラッツォとティモシー・キャリー：軍事訓練場での使用を目的とした新たな遺伝資源の開発。[58]
  • 2009年 – デビッド・コールとマーク・ホプキンス（ジョン・ピーターズと共著）は、実験結果によって検証された離散要素モデリングを通じて粒状材料に関する知識を統合しました。[59]

陸軍研究所賞

CRRELは研究所として、1975年と1978年に陸軍から優秀賞を受賞しました。[17] 1991年と1994年には、CRRELは陸軍研究所オブ・ザ・イヤー賞を受賞しました。[60] [61] 1997年には、研究所は総合的な陸軍研究所オブ・ザ・イヤー賞を受賞しました。[62] 1999年にERDCに加わって以来、CRRELは一貫して成果に貢献しており、ERDCは最初の8年間で5回、陸軍研究所オブ・ザ・イヤー賞を頻繁に受賞するようになりました。[63]

参考文献

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  • CRRELウェブページ
  • デジタル化されたCRREL技術レポート
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