مضخة مستوحاة من القلب تعزز كفاءة الطاقة – عالم الفيزياء

مضخة مستوحاة من القلب تعزز كفاءة الطاقة – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 9 سبتمبر 2023 10:47 صباحًا

بيورن هوف في مختبره
السير مع التيار: بيورن هوف في مختبره. (بإذن من نادين بونسيوني/ISTA)

اكتشف باحثون في النمسا أن أنماط الضخ التي تحاكي نبضات قلب الإنسان يمكن أن تقلل بشكل كبير من الاضطراب في السائل الذي يتم ضخه عبر الأنابيب. من خلال مجموعة بسيطة من التجارب بيورن هوف وأظهر وزملاؤه في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا كيف أن ضخ النبضات التي تتخللها فترات راحة يمكن أن يؤدي إلى تطوير تقنيات ضخ أكثر كفاءة.

يلعب ضخ السوائل أدوارًا حاسمة في الصناعة والزراعة وتوفير المرافق مثل المياه. وفي الواقع، تشير التقديرات إلى أن 10% من إجمالي الطاقة الكهربائية المستهلكة على مستوى العالم تستخدم في الضخ. وبسبب كثافة الطاقة هذه، كان الناس يحاولون تطوير مضخات أفضل وأكثر كفاءة لفترة طويلة جدًا. ومع ذلك، لا يزال الخبراء لا يفهمون بشكل كامل كيفية تحسين عملية الضخ.

لأكثر من قرن من الزمان، أدرك الباحثون أن الاضطراب في الأنبوب سيؤدي إلى زيادة الاحتكاك بين الأنبوب والسوائل، وبالتالي تقليل كفاءة الضخ. ورغم إحراز بعض التقدم في تطوير أساليب القضاء على الاضطرابات الجوية، إلا أن حل هذه المشكلة لم يكن سهلاً.

من الصعب في الممارسة العملية

يوضح هوف: "من الناحية العملية، تبين أن الأساليب التي طورناها حتى الآن ليست مفيدة جدًا". "حتى لو تمكنا من القضاء على الاضطراب في جزء ما من التدفق، فيمكن إثارة الاضطراب قليلاً في اتجاه مجرى النهر بسبب الخدوش أو الانحناءات أو غيرها من العيوب في الأنابيب، ويضيع التأثير بأكمله."

بدلًا من استكشاف تصميمات جديدة للمضخات أو الأنابيب، ركز هوف وزملاؤه على التحكم في سرعة السائل الذي يمر عبرها. يقول هوف: "لقد عرفنا من خلال عملنا الانتقالي أن التغيير في متوسط ​​السرعة الزمنية يمكن أن يكون فعالًا جدًا في قمع الاضطراب". "هذا أسهل بكثير من التفاعل الفوري مع تغيرات السرعة، وهو نهج للتحكم في الاضطراب استخدمته العديد من الدراسات السابقة."

ولاختبار فكرتهم، قام الفريق ببناء جهاز بسيط يتم فيه ضخ المياه عبر أنبوب شفاف. يتم استخدام مضخة حقنة مخصصة للتحكم بعناية في معدل التدفق. ولملاحظة أنماط التدفق التي ظهرت، قاموا بزرع الماء بجزيئات عاكسة. وقد سمح تسليط شعاع ليزر أسفل منتصف الأنبوب للفريق بالتقاط لقطات للسائل على فترات زمنية منتظمة.

مماثلة بشكل ملحوظ

باستخدام هذا الإعداد، قام الباحثون بقياس درجة الاضطراب الناتج عن مجموعة متنوعة من أنماط التدفق النبضي. ووجدوا أن نمط الضخ الذي يولد باستمرار أقل اضطراب كان مشابهًا بشكل ملحوظ لنمط تدفق الدم الذي يحركه قلب الإنسان.

يوضح هوف: "بشكل عام، وجدنا أن أفضل أداء تم العثور عليه لشكل موجة قريب جدًا من ذلك الموجود في الشريان الأورطي، حيث قد تكون مستويات التقلب والسحب الكبيرة ضارة ببطانة الخلايا الداخلية".

في أوعيتنا الدموية، يتم فصل النبضات سريعة التدفق الناتجة عن انقباض القلب المنتظم بفترات راحة قصيرة، حيث يسترخي القلب للسماح لغرفه بالامتلاء بالدم. عندما أدرجوا مرحلة الراحة هذه في نمط الضخ، وجد فريق هوف أن الاضطراب في الأنبوب قد تم التخلص منه بالكامل تقريبًا لسرعات التدفق المماثلة لتلك الموجودة في الشريان الأبهر. وحتى عند سرعات التدفق الأعلى بكثير، انخفض مقدار السحب الناتج عن الاضطراب بنسبة تزيد عن 25%.

ويقر الباحثون بأنه سيكون هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها قبل أن يتم دمج التكنولوجيا المستوحاة من القلب في تطبيقات الضخ العملية. يقول هوف: "في الوقت الحالي، قد لا تكون المضخات الحالية مناسبة لتحقيق الشكل الموجي المطلوب، وستكون هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من الدراسات لمعرفة ما إذا كانت المكاسب ستستمر عند سرعات التدفق الأعلى".

ويخطط الفريق أيضًا للبحث عن أنماط تدفق أخرى يمكن أن تكون أفضل في تقليل الاضطراب، خاصة عند سرعات التدفق الأعلى. ومن خلال المزيد من الأبحاث، يأمل الفريق في إمكانية تطوير تقنيات ضخ جديدة تعمل على تحسين كفاءة الضخ بشكل كبير - مما يقلل من تكلفته وتأثيره البيئي.

تم وصف البحث في الطبيعة.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء