Vom Herzen inspirierte Pumpe steigert die Energieeffizienz – Physics World

Pumpmuster, die den menschlichen Herzschlag nachahmen, können Turbulenzen in einer Flüssigkeit, die durch Rohre gepumpt wird, drastisch reduzieren, haben österreichische Forscher herausgefunden. Durch eine einfache Reihe von Experimenten Björn Hof und Kollegen am Institute of Science and Technology Austria zeigten, wie Pumpimpulse mit Pausenzeiten zur Entwicklung weitaus effizienterer Pumptechniken führen können.

Das Pumpen von Flüssigkeiten spielt eine entscheidende Rolle in der Industrie, der Landwirtschaft und der Bereitstellung von Versorgungsleistungen wie Wasser. Tatsächlich wird geschätzt, dass 10 % der gesamten weltweit verbrauchten elektrischen Energie für Pumpen verwendet werden. Aufgrund dieser Energieintensität wird seit langem versucht, bessere und effizientere Pumpen zu entwickeln. Experten wissen jedoch immer noch nicht vollständig, wie der Pumpprozess optimiert werden kann.

Seit über einem Jahrhundert wissen Forscher, dass Turbulenzen in einem Rohr die Reibung zwischen Rohr und Flüssigkeit erhöhen und dadurch die Pumpeffizienz verringern. Obwohl es bei der Entwicklung von Methoden zur Beseitigung von Turbulenzen einige Fortschritte gab, war dieses Problem nicht einfach zu lösen.

In der Praxis schwierig

„In der Praxis erwiesen sich die von uns bisher entwickelten Methoden als nicht so nützlich“, erklärt Hof. „Selbst wenn wir Turbulenzen in einem Teil der Strömung beseitigen können, können Turbulenzen etwas weiter flussabwärts durch Dellen, Biegungen oder andere Unvollkommenheiten in den Rohren ausgelöst werden, und der gesamte Effekt geht verloren.“

Anstatt neuartige Pumpen- oder Rohrkonstruktionen zu erforschen, haben sich Hof und Kollegen auf die Steuerung der Geschwindigkeit der durch sie fließenden Flüssigkeit konzentriert. „Aus unserer Übergangsarbeit wussten wir, dass eine Änderung des zeitlich gemittelten Geschwindigkeitsprofils sehr effizient bei der Unterdrückung von Turbulenzen sein kann“, sagt Hof. „Das ist weitaus einfacher, als sofort auf Geschwindigkeitsänderungen zu reagieren, ein Ansatz zur Turbulenzkontrolle, der in vielen früheren Studien verwendet wurde.“

Um ihre Idee zu testen, konstruierte das Team einen einfachen Apparat, in dem Wasser durch ein durchsichtiges Rohr gepumpt wird. Zur sorgfältigen Steuerung der Durchflussrate wird eine maßgeschneiderte Spritzenpumpe verwendet. Um die entstehenden Strömungsmuster zu beobachten, impften sie das Wasser mit reflektierenden Partikeln. Indem ein Laserstrahl in die Mitte des Rohrs gerichtet wurde, konnte das Team in regelmäßigen Zeitabständen Schnappschüsse der Flüssigkeit machen.

Bemerkenswert ähnlich

Mit diesem Aufbau quantifizierten die Forscher den Grad der Turbulenz, der aus verschiedenen gepulsten Strömungsmustern resultiert. Sie fanden heraus, dass das Pumpmuster, das durchweg die geringsten Turbulenzen erzeugte, dem Flussmuster des vom menschlichen Herzen angetriebenen Blutes bemerkenswert ähnlich war.

„Insgesamt haben wir herausgefunden, dass die beste Leistung bei einer Wellenform erzielt wird, die der in der Aorta sehr ähnlich ist, wo große Schwankungen und Widerstandsniveaus schädlich für die innere Zellauskleidung wären“, erklärt Hof.

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In unseren Blutgefäßen werden schnelle Impulse, die durch die regelmäßige Kontraktion des Herzens erzeugt werden, durch kurze Ruhephasen getrennt, in denen sich das Herz entspannt, damit sich seine Kammern mit Blut füllen können. Als sie diese Ruhephase in ihr Pumpmuster einbezog, stellte Hofs Team fest, dass Turbulenzen im Rohr bei Strömungsgeschwindigkeiten, die denen in der Aorta vergleichbar waren, fast vollständig eliminiert wurden. Selbst bei deutlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten wurde der durch Turbulenzen entstehende Widerstand um mehr als 25 % reduziert.

Die Forscher erkennen an, dass noch viele Herausforderungen zu bewältigen sind, bevor die vom Herzen inspirierte Technologie in praktische Pumpanwendungen integriert werden kann. „Aktuelle Pumpen sind derzeit möglicherweise nicht geeignet, die erforderliche Wellenform zu erreichen, und es sind weitere Studien erforderlich, um festzustellen, ob die Gewinne auch bei noch höheren Strömungsgeschwindigkeiten bestehen bleiben“, sagt Hof.

Das Team plant außerdem, nach anderen Strömungsmustern zu suchen, die Turbulenzen noch besser reduzieren könnten – insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten. Das Team hofft, dass durch weitere Forschung neue Pumptechniken entwickelt werden könnten, die die Effizienz des Pumpens deutlich verbessern und so sowohl die Kosten als auch die Umweltbelastung reduzieren.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/heart-inspired-pump-boosts-energy-efficiency/