Piękne, sękate, zakrzywione rafy otaczające tropikalne wyspy służą jako morskie schronienie i naturalny bufor przed wzburzonym morzem. Jednak w miarę jak zmiany klimatyczne powodują wybielanie i niszczenie raf koralowych na całym świecie, a ekstremalne zjawiska pogodowe stają się coraz częstsze, społeczności przybrzeżne są coraz bardziej narażone na częste powodzie i erozję.
Zespół z MIT ma obecnie nadzieję na wzmocnienie linii brzegowych za pomocą „architektonicznych” raf – zrównoważonych konstrukcji przybrzeżnych zaprojektowanych tak, aby naśladować działanie naturalnych raf buforujących fale, zapewniając jednocześnie siedliska dla ryb i innych organizmów morskich.
Projekt rafy opracowany przez zespół opiera się na cylindrycznej konstrukcji otoczonej czterema listwami przypominającymi ster. Inżynierowie odkryli, że gdy konstrukcja ta przeciwstawia się fali, skutecznie rozbija ją na turbulentne strumienie, które ostatecznie rozpraszają większość całkowitej energii fali. Zespół obliczył, że nowy projekt mógłby zredukować tyle samo energii fal, co istniejące sztuczne rafy, zużywając 10 razy mniej materiału.
Naukowcy planują wytworzyć każdą cylindryczną konstrukcję z trwałego cementu, który uformują we wzór „wokseli”, które można będzie automatycznie złożyć i które zapewnią kieszenie dla ryb do eksploracji i osiedlania się w nich innego życia morskiego. Cylindry można połączyć tworząc długą, półprzepuszczalną ścianę, którą inżynierowie mogliby wznieść wzdłuż wybrzeża, około pół mili od brzegu. Na podstawie wstępnych eksperymentów zespołu z prototypami w skali laboratoryjnej wynika, że zaprojektowana rafa może zmniejszyć energię napływających fal o ponad 95 procent.
„To byłoby jak wyłącznik długich fal” – mówi Michael Triantafyllou, profesor Henry L. i Grace Doherty w dziedzinie nauk o oceanach i inżynierii na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. „Jeśli fale docierające do tej rafy będą miały wysokość 6 metrów, ostatecznie po drugiej stronie będą miały wysokość mniejszą niż metr. To eliminuje wpływ fal, co może zapobiec erozji i powodziom”.
Szczegóły projektu rafy przedstawiono dzisiaj w badaniu opublikowanym w ogólnodostępnym czasopiśmie PNAS Nexus. Współautorami Triantafyllou z MIT są Edvard Ronglan SM '23; absolwenci Alfonso Parra Rubio, Jose del Auila Ferrandis i Erik Strand; naukowcy Patricia Maria Stathatou i Carolina Bastidas; oraz profesor Neil Gershenfeld, dyrektor Centrum Bitów i Atomów; wraz z Alexisem Oliveirą Da Silvą z Politechniki w Paryżu, Dixią Fan z Westlake University i Jeffreyem Gairem Jr. z Scinetics, Inc.
Wykorzystanie turbulencji
Niektóre regiony zbudowały już sztuczne rafy, aby chronić swoje wybrzeża przed nadciągającymi burzami. Konstrukcje te to zazwyczaj zatopione statki, wycofane platformy naftowe i gazowe, a nawet zmontowane konfiguracje z betonu, metalu, opon i kamieni. Istnieje jednak różnorodność typów sztucznych raf, które są obecnie stosowane i nie ma standardów projektowania takich konstrukcji. Co więcej, stosowane konstrukcje charakteryzują się zazwyczaj niskim rozpraszaniem fal na jednostkę objętości użytego materiału. Oznacza to, że potrzeba ogromnej ilości materiału, aby rozbić energię fal wystarczającą do odpowiedniej ochrony społeczności przybrzeżnych.
Zamiast tego zespół MIT szukał sposobów zaprojektowania sztucznej rafy, która skutecznie rozpraszałaby energię fal przy użyciu mniejszej ilości materiału, zapewniając jednocześnie schronienie rybom żyjącym wzdłuż wrażliwych wybrzeży.
„Pamiętajcie, że naturalne rafy koralowe występują tylko w wodach tropikalnych” – mówi Triantafyllou, dyrektor MIT Sea Grant. „Nie możemy mieć takich raf na przykład w Massachusetts. Jednak zaprojektowane rafy nie zależą od temperatury, więc można je umieścić w dowolnej wodzie, aby chronić więcej obszarów przybrzeżnych”.
Nowe przedsięwzięcie jest wynikiem współpracy badaczy z MIT Sea Grant, którzy opracowali projekt hydrodynamiczny struktury rafy, oraz badaczy z Centrum Bitów i Atomów (CBA), którzy pracowali nad stworzeniem konstrukcji modułowej i łatwej do wytworzenia na miejscu . Zaprojektowany przez zespół projekt rafy wyrósł z dwóch pozornie niezwiązanych ze sobą problemów. Naukowcy z CBA opracowywali ultralekkie struktury komórkowe dla przemysłu lotniczego, podczas gdy badacze z Sea Grant oceniali skuteczność zabezpieczeń przed wydmuchami w przybrzeżnych konstrukcjach naftowych – cylindrycznych zaworów używanych do uszczelniania odwiertów ropy i gazu oraz zapobiegania ich wyciekom.
Testy zespołu wykazały, że cylindryczny układ konstrukcji generował duży opór. Innymi słowy, konstrukcja okazała się szczególnie skuteczna w rozpraszaniu przepływów ropy i gazu o dużej sile. Zastanawiali się: czy ten sam układ mógłby rozproszyć inny rodzaj przepływu w falach oceanicznych?
Naukowcy zaczęli bawić się ogólną strukturą w symulacjach przepływu wody, poprawiając jej wymiary i dodając pewne elementy, aby sprawdzić, czy i jak zmieniają się fale, gdy zderzają się z każdym symulowanym projektem. Ten iteracyjny proces ostatecznie pozwolił uzyskać zoptymalizowaną geometrię: pionowy cylinder otoczony czterema długimi listwami, z których każda jest przymocowana do cylindra w sposób zapewniający przepływ wody przez powstałą konstrukcję. Odkryli, że taka konfiguracja zasadniczo rozbija wszelką przychodzącą energię fal, powodując, że części wywołanego przez fale przepływu skręcają spiralnie na boki, a nie rozbijają się do przodu.
„Wykorzystujemy te turbulencje i te potężne strumienie, aby ostatecznie rozproszyć energię fal” – mówi Ferrandis.
Stawianie czoła burzom
Gdy badacze zidentyfikowali optymalną strukturę rozpraszającą fale, stworzyli laboratoryjną wersję zaprojektowanej rafy składającej się z szeregu cylindrycznych struktur, którą wydrukowali w 3D z tworzywa sztucznego. Każdy cylinder testowy miał około 1 stopy szerokości i 4 stóp wysokości. Złożyli kilka cylindrów, każdy oddalony od siebie o około stopę, tworząc konstrukcję przypominającą płot, którą następnie opuścili do zbiornika falowego w MIT. Następnie wygenerowali fale o różnej wysokości i zmierzyli je przed i po przejściu przez zaprojektowaną rafę.
„Zaobserwowaliśmy, jak fale znacznie się zmniejszyły, gdy rafa zniszczyła ich energię” – mówi Triantafyllou.
Zespół zastanowił się także nad uczynieniem struktur bardziej porowatymi i przyjaznymi dla ryb. Odkryli, że zamiast wykonywać każdą konstrukcję z solidnej płyty z tworzywa sztucznego, mogliby zastosować tańszy i bardziej zrównoważony rodzaj cementu.
„Współpracowaliśmy z biologami, aby przetestować cement, którego zamierzamy użyć, i okazało się, że jest on bezpieczny dla ryb i gotowy do użycia” – dodaje.
Zidentyfikowali idealny wzór „wokseli”, czyli mikrostruktur, w które można uformować cement, aby wytworzyć rafy, tworząc jednocześnie kieszenie, w których mogłyby żyć ryby. Ta geometria wokseli przypomina pojedyncze kartony po jajkach, ułożone jeden na drugim i wydaje się, że nie wpływa na ogólną zdolność rozpraszania fal przez konstrukcję.
„Te woksele nadal utrzymują duży opór, jednocześnie umożliwiając rybom przemieszczanie się do środka” – mówi Ferrandis.
Zespół wytwarza obecnie cementowe struktury wokseli i składa je w zaprojektowaną w skali laboratoryjnej rafę, którą będzie testować w różnych warunkach falowych. Przewidują, że konstrukcja woksela może być modułowa i skalowalna do dowolnego pożądanego rozmiaru oraz łatwa w transporcie i instalacji w różnych lokalizacjach na morzu. „Teraz symulujemy rzeczywiste wzorce morza i testujemy, jak te modele będą działać, gdy w końcu będziemy musieli je wdrożyć” – mówi Anjali Sinha, absolwentka MIT, która niedawno dołączyła do grupy.
W przyszłości zespół ma nadzieję nawiązać współpracę z nadmorskimi miasteczkami w Massachusetts w celu przetestowania konstrukcji w skali pilotażowej.
„Te struktury testowe nie byłyby małe” – podkreśla Triantafyllou. „Miałyby około mili długości i około 5 metrów wysokości i kosztowałyby około 6 milionów dolarów za milę. Zatem nie jest to tanie. Ale mogłoby zapobiec miliardowym szkodom spowodowanym przez burze. A w obliczu zmian klimatycznych ochrona wybrzeży stanie się poważnym problemem.”
Prace te zostały częściowo sfinansowane przez amerykańską Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności.