Исследователи показали, как импульсная накачка жидкости через трубу может уменьшить в насосах трение почти на треть и энергопотребление на 9%. Вдохновило их на это человеческое сердце. Работа опубликована в журнале Nature.
Первый насос для тушения пожара люди изобрели еще в I веке до н. э. Сегодня это доступный и распространенный способ перекачивания воды. Специалисты до сих пор стремятся оптимизировать процесс, ведь от снижения энергопотребления выиграют и предприятия, и обычные люди. Одна из причин, по которой насос качает воду хуже, чем мог бы, — турбулентность. Это постоянный поток воды, в котором водовороты и завихрения двигаются хаотично. Из-за этого между стенками трубы и жидкостью создается сильное трение, борьба с которым увеличивает затраты энергии.
Теперь ученые обратились к природе, чтобы улучшить работу насоса. «Как и любая часть нашего тела, человеческое сердце формировалось в результате миллионов лет эволюции. В отличие от обычных механических насосов, которые создают постоянный поток жидкости, сердце пульсирует. Нам было любопытно, есть ли преимущества у этой своеобразной формы движения», — объясняет Бьорн Хоф из Австрийского института науки и технологий.
Специалисты создали несколько экспериментальных установок с прозрачными трубами разной длины и диаметра. По ним перекачивали воду. Чтобы видеть турбулентность, ученые добавили в воду крошечные отражающие частицы и посветили на них лазером. Он отражался от частиц, а исследователи делали снимки, которые помогали понять, был ли поток воды турбулентным.
Ученые также попробовали несколько режимов пульсирующей накачки. Некоторые из них сначала медленно ускоряли воду, а потом быстро останавливали ее. Другие делали наоборот. Сначала оказалось, что пульсация увеличивала сопротивление и энергию, которую насос затрачивал для накачки. Потом ученые настроили аппаратуру так, чтобы между импульсами была короткая фаза покоя — и это сработало. Именно так делает человеческое сердце.
Благодаря фазам покоя между импульсами турбулентность в трубе резко уменьшилась — на 27%. Также снизилось и количество энергии, которое насос тратил на накачку воды — на 9%. «Уменьшение трения и турбулентных колебаний явно выгодно в биологическом контексте, поскольку оно предотвращает повреждение клеток, чувствительных к напряжению сдвига, которые составляют самый внутренний слой наших кровеносных сосудов. Потенциально мы могли бы извлечь из этого уроки и использовать их в будущих приложениях», — объясняет Бьорн Хоф.
Пока что ученые отмечают, что, несмотря на впечатляющие результаты в лаборатории, реальное применение не так просто. Чтобы создать такие пульсирующие колебания, пришлось бы переоборудовать насосы. Но, заявляют исследователи, это все равно будет гораздо дешевле, чем модификация стенок труб или установка приводов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
