Gli scienziati ORNL realizzano pesci finti con stampa 3D e sensori per ricercare l’impatto ambientale delle dighe idroelettriche
L’energia idroelettrica – l’elettricità generata con l’energia dell’acqua in movimento – è la principale fonte di accumulo di energia su scala pubblica e di energia rinnovabile negli Stati Uniti, che costituisce il 6% della produzione totale di elettricità del paese. Tuttavia, gli sviluppatori devono ricercare come ridurre l’impatto ambientale sulle popolazioni ittiche quando rinnovano un progetto idroelettrico o ne autorizzano uno nuovo. I pesci possono entrare in tutti i tipi di problemi che causano lesioni, come turbolenze, pale di turbine e variazioni di pressione, quando nuotano attraverso dighe idroelettriche. Prima di modificare o creare un nuovo progetto, è necessario considerare quanto è grande ogni pesce e dove si trova il suo centro di massa, lo spessore e l’angolo delle pale della turbina e la velocità con cui girano.
I ricercatori del Oak Ridge National Laboratory ( ORNL ) nel Tennessee hanno supportato l’energia idroelettrica in passato, migliorando i processi normativi e le licenze, ma questa volta hanno deciso di scavare un po ‘più a fondo … o dovrei dire nuotare? ORNL ha creato un sistema per analizzare l’impatto dei progetti di turbine su specie di alto valore, come alcuni tipi di pesci, per le sue attività di valutazione ambientale legate all’energia idroelettrica.
Non c’è molto in termini di standardizzazione quando si tratta di progetti di energia idroelettrica, poiché queste dighe sono principalmente costruite per soddisfare le esigenze energetiche del cliente e costruite in base alla geografia del sito specifico.
“Vogliamo produrre energia idroelettrica in modo da non danneggiare i pesci che passano. C’è molta pressione sui proprietari e gli operatori della diga elettrica per ridurre il loro impatto ambientale. Ci sono molte sfide e dare ai pesci un passaggio più sicuro è uno di questi ”, ha spiegato Mark Bevelhimer, un recente pensionato della ORNL che ha lanciato il progetto, che è stato finanziato dal programma di ricerca e sviluppo del laboratorio diretto da ORNL.
Gli scienziati di ORNL stanno combinando le loro competenze in scienze ambientali, fisica, sensori e produzione di additivi per creare pesci modello da utilizzare nelle prove di progettazione di turbine idroelettriche. Il progetto supporta ecosistemi sani e energia idroelettrica, la più grande risorsa di energia rinnovabile della nazione.
Gli scienziati hanno deciso che la soluzione migliore sarebbe stata quella di costruire un dispositivo di prova antropomorfo (modello di pesce, in parole povere). I modelli di pesci potrebbero generare più punti dati per l’analisi e aiutare il team a comprendere meglio le forze delle pale delle turbine.
“Vogliamo capire le forze che le diverse specie di pesci incontrano e come tali forze possono provocare lesioni o mortalità. Potrebbero esserci delle modifiche che i progettisti e i produttori di turbine potrebbero fare per conservare le specie ittiche minimizzando allo stesso tempo l’impatto sulla produzione di energia “, ha spiegato Ryan Saylor, uno studente del Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education che lavora nella divisione di Scienze Ambientali di ORNL.
Hanno usato la stampa 3D per costruire modelli di pesci finti. Abbiamo visto pesci stampati in 3D e pesci finti con parti stampate in 3D utilizzati in progetti di ricerca prima, dallo studio della paura e dell’ansia al salvataggio della cosa reale . Ma invece di utilizzare la tecnologia per creare i modelli di pesci reali, hanno invece realizzato stampi stampati in 3D per realizzarli, che è molto più veloce e meno costoso . Gli scienziati hanno portato pesci veri al Manufacturing Demonstration Facility ( MDF ), una struttura utente designata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la stampa 3D presso l’ORNL, dove sono stati sottoposti a scansione laser. Quindi, un programma di progettazione CAD ha utilizzato i contorni per realizzare stampi stampati in 3D del pesce che sarebbero stati testati.
“Ogni specie ha una morfologia diversa, quindi la realizzazione di stampi ci consente di cogliere tali differenze. Siamo in grado di produrre un pesce unico nel suo genere abbastanza facilmente “, ha detto Brian Post, che ha guidato lo sforzo MDF. “Se dovessi produrre convenzionalmente gli stampi, occorrerebbe più tempo per sottrarre la forma da un blocco di materiale.”
Gli stampi stampati in 3D consentono ai ricercatori di creare una varietà di modelli di pesci in un periodo di tempo più breve. Il gel balistico, sviluppato originariamente per i militari, è stato utilizzato per creare i corpi dei pesci, in quanto può essere controllato per densità multiple per simulare il tessuto muscolare. L’olio di cannella, un agente antimicrobico economico, è stato miscelato con il gel e la combinazione è stata versata negli stampi e lasciata riposare.
Al fine di renderli il più vicino possibile alla cosa reale, gli scienziati hanno testato quanto “squishy” fosse ogni pesce falso. Una volta soddisfatti, i modelli di pesci sono stati quindi rivestiti con una vernice simile alla plastica che imita la pelle e le squame e li rende più rigidi.
“Imitare la biologia è difficile. Abbiamo lavorato per avvicinarci il più possibile a una buona rappresentanza senza l’uso di attrezzature specializzate che potrebbero aumentare i costi “, ha detto Saylor.
L’ultimo passo è stato l’inclusione di sensori nel pesce falso, che misurano l’accelerazione e la forza G in tre dimensioni in un simulatore di turbina. Inoltre, gli estensimetri hanno misurato il modo in cui i modelli di pesci si contraggono o si allungano a causa dei colpi simulati della pala della turbina.
Finora, gli scienziati dell’ORNL hanno finora stampato stampi 3D per, creato e testato modelli per quattro diverse specie di pesci: spigola, branzino, trota iridea e shad. Ma non hanno ancora finito con il modello: stanno continuando a migliorare, come ad esempio aumentare il tasso di risposta al fine di ottenere progressi nell’analisi e nell’estrazione dei dati, nonché una risoluzione più elevata dei dati stessi. In questo modo possono rendere le dighe idroelettriche più adatte ai pesci, il che supporta un ecosistema più sano
