Scienza: sistemi di pompaggio piu' efficienti ispirati al cuore

 

MERCOLEDÌ 06 SETTEMBRE 2023 17.02.41

Scienza: sistemi di pompaggio piu' efficienti ispirati al cuore =

Scienza: sistemi di pompaggio piu' efficienti ispirati al cuore = (AGI) - Roma, 6 set. - Il pompaggio dei liquidi potrebbe sembrare un problema risolto, ma ottimizzare il processo e' ancora un'area di ricerca attiva. Qualsiasi applicazione di pompaggio, dalle scale industriali ai sistemi di riscaldamento domestico, trarrebbe beneficio da una riduzione della domanda energetica. Ricercatori dell'Istituto di Scienza e Tecnologia dell'Austria (Ista) hanno dimostrato come il pompaggio pulsato possa ridurre sia l'attrito sia il consumo di energia. Per questo, si sono ispirati a un sistema di pompaggio intimamente familiare a tutti: il cuore umano. Secondo uno studio internazionale, circa il 20% dell'energia elettrica globale viene utilizzato per il pompaggio dei liquidi, che va dalle applicazioni industriali per il pompaggio di petrolio e gas all'installazione di sistemi di riscaldamento nelle case private. Un team guidato da Davide Scarselli e Bjorn Hof dell'Ista ha cercato un modo per ridurre questa domanda energetica, prendendo ispirazione dalla natura. In uno studio recente, ora pubblicato sulla rivista scientifica 'Nature', i ricercatori hanno dimostrato che il pompaggio pulsato dei liquidi attraverso un tubo - simile a come il cuore umano pompa il sangue - puo' ridurre l'attrito nel tubo e quindi anche il consumo di energia. "Nel corso degli anni, ricercatori e ingegneri hanno cercato di rendere piu' efficiente il pompaggio dei fluidi", afferma Scarselli, primo autore dello studio. "Mentre molte soluzioni vengono simulate o testate in laboratorio, spesso sono troppo complesse e quindi troppo costose da implementare in vere applicazioni industriali. Stavamo cercando un approccio che non richiedesse cambiamenti strutturali complicati all'infrastruttura, come sensori e attuatori". Invece di cambiare la struttura dei tubi per ridurre l'attrito tra il liquido in movimento e le pareti dei tubi, gli scienziati hanno provato un approccio diverso. "Come qualsiasi parte del nostro corpo, il cuore umano e' stato modellato da milioni di anni di evoluzione", spiega Hof, professore all'Ista. "A differenza delle comuni pompe meccaniche, che creano un flusso costante di liquido, il cuore pulsa. Eravamo curiosi se ci potesse essere un vantaggio in questa particolare forma di propulsione". A questo scopo, Scarselli e il suo collega Atul Varshney hanno creato diverse configurazioni sperimentali utilizzando tubi trasparenti con diverse lunghezze e diametri attraverso i quali pompavano acqua. "Il punto di riferimento per i nostri esperimenti era un flusso costante d'acqua, in cui vortici ed eddies si muovevano caoticamente mentre venivano spinti attraverso il tubo", racconta Scarselli. Questi vortici ed eddies sono chiamati turbolenza e creano molta dell'attrito tra il liquido e le pareti del tubo, richiedendo energia per superarli. (AGI)Sci/Rob (Segue) 061702 SET 23 NNNN

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Scienza: sistemi di pompaggio piu' efficienti ispirati al cuore (2)=

Scienza: sistemi di pompaggio piu' efficienti ispirati al cuore (2)= (AGI) - Roma, 6 set. - I ricercatori hanno reso visibile la turbolenza aggiungendo minuscole particelle riflettenti all'acqua e facendo passare un raggio laser attraverso il tubo trasparente. "Il laser proietta la luce attraverso il tubo in una lamina orizzontale e viene riflessa dalle particelle", aggiunge Scarselli. "Abbiamo quindi scattato foto che potevano essere utilizzate per rilevare se il flusso era turbolento o laminare, quest'ultimo significando senza vortici ed eddies". Poi gli scienziati hanno provato diversi modi di pompaggio pulsato. Alcune modalita' di pulsazione acceleravano prima lentamente l'acqua e poi la fermavano rapidamente, mentre altre facevano il contrario. "Tipicamente, la pulsazione aumentava la resistenza e l'energia richiesta per il pompaggio, il che non era cio' che stavamo cercando", racconta Hof. "Tuttavia, quando abbiamo introdotto una breve fase di riposo tra le pulsazioni, in cui la pompa non spingeva l'acqua - proprio come fa il cuore umano - abbiamo ottenuto risultati molto migliori". Con queste fasi di riposo tra le pulsazioni di pompaggio ottimizzate, la quantita' di turbolenza nel tubo e' drasticamente diminuita. "Durante la fase di riposo, i livelli di turbolenza si riducono e rendono la fase successiva di accelerazione molto piu' efficace nel ridurre l'attrito", aggiunge Scarselli. Per un movimento di pompaggio pulsato ottimizzato simile a quello del cuore umano, i ricercatori hanno scoperto una diminuzione del 27% della frizione media e una riduzione del 9% nella domanda energetica. "Una riduzione dell'attrito e delle fluttuazioni turbolente e' chiaramente vantaggiosa nel contesto biologico perche' previene danni alle cellule sensibili allo stress di taglio che costituiscono lo strato piu' interno dei nostri vasi sanguigni. Potremmo potenzialmente imparare da questo e sfruttarlo in future applicazioni", spiega Hof. E Scarselli aggiunge: "Sebbene abbiamo dimostrato risultati promettenti in laboratorio, le applicazioni del mondo reale della nostra ricerca sono meno dirette. Le pompe dovrebbero essere modificate per produrre questi movimenti pulsanti. Tuttavia, questo sarebbe comunque molto meno costoso delle modifiche alle pareti dei tubi o all'installazione di attuatori. Speriamo che altri scienziati possano basarsi sui nostri risultati per esplorare queste soluzioni ispirate dalla natura per le applicazioni industriali". (AGI)Sci/Rob 061702 SET 23 NNNN