Pomppatronen die de menselijke hartslag nabootsen kunnen de turbulentie in een vloeistof die door pijpleidingen wordt gepompt drastisch verminderen, hebben onderzoekers in Oostenrijk ontdekt. Door middel van een eenvoudige reeks experimenten, Björn Hof en collega's van het Institute of Science and Technology Austria lieten zien hoe het pompen van pulsen afgewisseld met rustperioden zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van veel efficiëntere pomptechnieken.

Het verpompen van vloeistoffen speelt een cruciale rol in de industrie, de landbouw en de voorziening van nutsvoorzieningen zoals water. Er wordt geschat dat 10% van alle elektrische energie die wereldwijd wordt verbruikt, wordt gebruikt voor pompen. Vanwege deze energie-intensiteit proberen mensen al heel lang betere en efficiëntere pompen te ontwikkelen. Deskundigen begrijpen echter nog steeds niet volledig hoe ze het pompproces kunnen optimaliseren.

Al meer dan een eeuw weten onderzoekers dat turbulentie in een leiding de wrijving tussen leiding en vloeistof vergroot, waardoor de pompefficiëntie afneemt. Hoewel er enige vooruitgang is geboekt bij de ontwikkeling van methoden voor het elimineren van turbulentie, was dit geen eenvoudig probleem om op te lossen.

In de praktijk lastig

“In de praktijk bleken de methoden die we tot nu toe hebben ontwikkeld niet zo bruikbaar”, legt Hof uit. “Zelfs als we de turbulentie in een deel van de stroming kunnen uitroeien, kan de turbulentie iets verder stroomafwaarts worden veroorzaakt door deuken, bochten of andere onvolkomenheden in de leidingen, waardoor het hele effect verloren gaat.”

In plaats van nieuwe ontwerpen van pompen of pijpen te onderzoeken, hebben Hof en collega's zich geconcentreerd op het beheersen van de snelheid van de vloeistof die er doorheen gaat. “We wisten uit ons transitiewerk dat een verandering in het tijdsgemiddelde snelheidsprofiel zeer efficiënt kan zijn in het onderdrukken van turbulentie”, zegt Hof. “Dit is veel eenvoudiger dan het onmiddellijk reageren op snelheidsveranderingen, een benadering van turbulentiebeheersing die in veel eerdere onderzoeken is gebruikt.”

Om hun idee te testen, heeft het team een ​​eenvoudig apparaat gebouwd waarin water door een doorzichtige leiding wordt gepompt. Er wordt een op maat gemaakte spuitpomp gebruikt om de stroomsnelheid zorgvuldig te regelen. Om de stromingspatronen die ontstonden te observeren, bezaaiden ze het water met reflecterende deeltjes. Door een laserstraal door het midden van de pijp te laten schijnen, kon het team op regelmatige tijdstippen momentopnamen van de vloeistof maken.

Opmerkelijk vergelijkbaar

Met behulp van deze opstelling kwantificeerden de onderzoekers de mate van turbulentie als gevolg van verschillende gepulseerde stromingspatronen. Ze ontdekten dat het pomppatroon dat consequent de minste turbulentie genereerde opmerkelijk veel leek op het stromingspatroon van bloed dat door het menselijk hart wordt aangedreven.

“Over het geheel genomen hebben we ontdekt dat de beste prestatie wordt gevonden voor een golfvorm die heel dicht bij die in de aorta ligt, waar grote fluctuaties en weerstandsniveaus schadelijk zouden zijn voor de binnenbekleding van cellen”, legt Hof uit.

Kleine 3D-geprinte vacuümpomp kan massaspectrometrie een boost geven

In onze bloedvaten worden de snelstromende pulsen die worden gegenereerd door de regelmatige samentrekking van het hart gescheiden door korte rustperioden, waarin het hart zich ontspant zodat de kamers zich kunnen vullen met bloed. Toen ze deze rustfase in hun pomppatroon opnamen, ontdekte het team van Hof dat turbulentie in de buis vrijwel volledig werd geëlimineerd bij stroomsnelheden die vergelijkbaar zijn met die in de aorta. Zelfs bij veel hogere stroomsnelheden werd de hoeveelheid weerstand veroorzaakt door turbulentie met meer dan 25% verminderd.

De onderzoekers erkennen dat er nog veel uitdagingen moeten worden overwonnen voordat op het hart geïnspireerde technologie kan worden opgenomen in praktische pomptoepassingen. "Voorlopig zijn de huidige pompen mogelijk niet geschikt om de vereiste golfvorm te bereiken, en verder onderzoek zal ook nodig zijn om te zien of de winst aanhoudt bij nog hogere stroomsnelheden", zegt Hof.

Het team is ook van plan te zoeken naar andere stromingspatronen die de turbulentie nog beter kunnen verminderen, vooral bij hogere stroomsnelheden. Door verder onderzoek hoopt het team dat er nieuwe pomptechnieken kunnen worden ontwikkeld die de efficiëntie van het pompen aanzienlijk verbeteren, waardoor zowel de kosten als de impact op het milieu worden verminderd.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/heart-inspired-pump-boosts-energy-efficiency/