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Turbine eoliche ispirate alle balene
Gli scienziati marini sospettano da tempo che l'incredibile agilità delle megattere derivi dalle protuberanze sui bordi d'attacco delle loro pinne. Ora i ricercatori dell'Università di Harvard hanno escogitato un modello matematico che aiuta a spiegare questo vantaggio idrodinamico. Il lavoro dà peso teorico a un numero crescente di prove empiriche che urti simili potrebbero portare a progetti di aeroplani più stabili, sottomarini con maggiore agilità e pale di turbine in grado di catturare più energia dal vento e dall'acqua.
Ispirazione: I dossi sul bordo d'attacco della pinna della megattera gli conferiscono un vantaggio idrodinamico. I ricercatori stanno scoprendo che urti simili potrebbero rendere più efficienti le turbine eoliche, le pale dei ventilatori e le ali degli aeroplani.
Siamo rimasti sorpresi di essere stati in grado di replicare molti dei risultati ottenuti dalle gallerie del vento e dell'acqua utilizzando una teoria relativamente semplice, afferma Ernst van Nierop , dottorando presso la School of Engineering and Applied Sciences di Harvard. È coautore dello studio con il professore di matematica Michael Brenner e il ricercatore Silas Alben.
Il vantaggio della pinna megattera sembra essere l'angolo di attacco di cui è capace, l'angolo tra il flusso d'acqua e la superficie della pinna. Quando l'angolo di attacco di una pinna di balena o di un'ala di aeroplano diventa troppo ripido, il risultato è qualcosa chiamato stallo. In aviazione, stallo significa che non c'è abbastanza aria che scorre sulla superficie superiore dell'ala. Ciò causa una combinazione di maggiore resistenza e portanza persa, una situazione potenzialmente pericolosa che può comportare un'improvvisa perdita di quota. Esperimenti precedenti hanno mostrato, tuttavia, che l'angolo di attacco di una pinna megattera può essere fino al 40% più ripido di quello di una pinna liscia prima che si verifichi lo stallo.
In un carta recentemente pubblicato in Lettere di revisione fisica ed evidenziato nel diario Natura , il team di ricerca di Harvard ha dimostrato che le protuberanze sulla pinna a schiena d'asino, note come tubercoli, modificano la distribuzione della pressione sulla pinna in modo che alcune parti si blocchino prima di altre. Poiché diverse parti della pinna stallano con angoli di attacco diversi, è più facile evitare uno stallo brusco. Questo effetto dà anche alla balena più libertà di attaccare ad angoli più alti e la capacità di prevedere meglio i suoi limiti idrodinamici.
I ricercatori hanno anche scoperto che l'ampiezza delle protuberanze gioca un ruolo maggiore rispetto al numero di protuberanze lungo il bordo anteriore di una pinna. L'idea è che potresti realizzare un aereo molto più difficile da fermare e più facile da controllare, afferma van Nierop. Ad esempio, i caccia da combattimento potrebbero essere progettati per essere più acrobatici senza il rischio di incidenti causati da stallo. In acqua, i sottomarini navali potrebbero essere resi più agili.
La ricerca di Harvard convalida i primi test controllati in galleria del vento di modelli di pinne, condotti cinque anni fa presso l'Accademia navale degli Stati Uniti, ad Annapolis, MD, dove è stato dimostrato che lo stallo che si verifica tipicamente con un angolo di attacco di 12 gradi è ritardato fino al l'angolo raggiunge i 18 gradi. In questi test, la resistenza è stata ridotta del 32% e la portanza è migliorata dell'8%.
Tale ricerca è stata dettagliata in a studio del 2004 in collaborazione con la West Chester University e la Duke University. Questo [lavoro di Harvard] mostra sostanzialmente che la teoria e le misurazioni empiriche sono vicine e aggiunge maggiore peso alla nostra affermazione originale sulla funzione dei tubercoli, afferma Frank Fish, professore di biologia a West Chester e autore principale dello studio originale.
Si stanno già facendo tentativi per incorporare il design del tubercolo nei prodotti commerciali. Fish è presidente di un'impresa con sede a Toronto, in Ontario, chiamata potere della balena , che ha iniziato a dimostrare i vantaggi dei tubercoli quando sono integrati nei bordi d'attacco della turbina eolica e delle pale dei ventilatori.
I prototipi di pale di turbine eoliche (vedi immagine sotto) hanno dimostrato che lo stallo ritardato raddoppia le prestazioni delle turbine a velocità del vento di circa 17 miglia all'ora e consente alla turbina di catturare più energia dai venti a bassa velocità. Ad esempio, le turbine generano la stessa quantità di energia a 10 miglia all'ora che le turbine convenzionali generano a 17 miglia all'ora. I tubercoli incanalano efficacemente il flusso d'aria attraverso le pale e creano vortici vorticosi che migliorano la portanza.
WhalePower, con sede a Toronto, in Ontario, sta testando questa pala di una turbina eolica in una struttura di test del vento nell'Isola del Principe Edoardo. Le protuberanze, o tubercoli, sul bordo anteriore della pala riducono il rumore, ne aumentano la stabilità e le consentono di catturare più energia dal vento.
Credito: WhalePower
Stephen Dewar, direttore della ricerca e sviluppo di WhalePower, afferma che test in corso presso l'Istituto per l'energia eolica del Canada, nella provincia dell'isola del Principe Edoardo, hanno dimostrato che le lame rivestite di tubercolo sono più stabili, silenziose e durevoli rispetto alle lame convenzionali. La turbina è sopravvissuta all'impatto del bordo di un uragano, ed è sopravvissuta alla neve e al ghiaccio spinti dal vento, dice.
WhalePower ha anche dimostrato nelle dimostrazioni che le pale rivestite di tubercolo sui ventilatori da soffitto industriali possono funzionare il 20 percento in modo più efficiente rispetto alle pale convenzionali e fanno un lavoro migliore nel far circolare il flusso d'aria in un edificio. I risultati sono stati sufficientemente drammatici da convincere il più grande produttore canadese di ventilatori di ventilazione a concedere in licenza il design, che apparirà in una nuova linea di prodotti prevista per il rilascio alla fine di aprile.
Questo accordo di licenza con la compagnia di fan è fantastico, dice Fish. In pratica mostra una delle tante potenziali applicazioni di questa tecnologia. L'unione di biologia e ingegneria attraverso la biomimetica renderà possibili future innovazioni.
Lo studio di Harvard giunge alla stessa conclusione. È possibile che le lezioni apprese dalle pinne delle megattere trovino presto la loro strada nella progettazione di ali speciali, aliscafi, turbine eoliche e pale di elicotteri.