Gli sviluppatori di energia idroelettrica devono considerare molti fattori quando arriva il momento di concedere in licenza un nuovo progetto o rinnovarne uno esistente:come mitigare gli impatti ambientali, anche alle popolazioni ittiche? I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno trovato una soluzione unica:utilizzare la stampa 3D e i sensori per creare pesci finti per i test delle turbine.

Quando i pesci passano attraverso le dighe idroelettriche, incontrano ostacoli che possono causare lesioni:variazioni di pressione, turbolenza, e pale rotanti su turbine. Come parte del suo lavoro di valutazione ambientale per i progetti idroelettrici, L'ORNL ha sviluppato un sistema per analizzare l'impatto dei progetti di turbine sulle specie di alto valore.

"Vogliamo capire le forze che incontrano le diverse specie di pesci e come queste forze possono provocare lesioni o mortalità, "ha detto Ryan Saylor, uno studente del Centro Bredesen per la ricerca interdisciplinare e la formazione universitaria che lavora nella divisione di scienze ambientali dell'ORNL. "Potrebbero esserci modifiche che i progettisti e i produttori di turbine potrebbero apportare per preservare le specie ittiche e allo stesso tempo ridurre al minimo l'impatto sulla produzione di energia".

Il lavoro è importante. L'energia idroelettrica è la più grande fonte di energia rinnovabile e stoccaggio di energia su larga scala nel paese, rappresentano il 6% della produzione totale di energia elettrica. ORNL ha una lunga storia di sostegno all'energia idroelettrica, compresi miglioramenti al processo di autorizzazione e regolamentazione.

Ci sono molti fattori da tenere in considerazione quando si testano gli impatti dell'energia idroelettrica sui pesci:quanto velocemente si muovono le pale, lo spessore e l'angolo delle lame, quanto è grande ogni pesce e dove si trova il suo centro di massa.

"Ciò che abbiamo capito è che è essenzialmente un problema di fisica, " ha aggiunto Mark Bevelhimer, che ha lanciato il progetto e si è recentemente ritirato dall'ORNL.

Gli scienziati hanno deciso di creare un pesce modello, in termini tecnici, un dispositivo di prova antropomorfo, per aiutarli a comprendere le forze delle pale della turbina e generare più punti dati per l'analisi.

Hanno avuto l'idea di usare il gel balistico per il corpo del pesce. Il gel, originariamente sviluppato per scopi militari, può essere controllato per diverse densità per imitare il tessuto muscolare.

Per creare stampi per varie specie di pesci, i ricercatori si sono rivolti alle capacità di stampa 3D presso la Manufacturing Demonstration Facility, una struttura utente designata dal DOE presso l'ORNL. I ricercatori hanno portato i pesci nell'MDF per la scansione laser, e i contorni risultanti sono stati inseriti in un programma di progettazione assistita da computer che a sua volta ha guidato una stampante 3D per creare stampi di ciascun pesce da testare.

Brian Post, che ha guidato lo sforzo MDF, notato che la stampa 3D degli stampi è veloce, soluzione a basso costo che permette di realizzare in breve tempo una grande varietà di modelli di pesci. "Ogni specie ha una morfologia diversa, quindi realizzare stampi ci permette di catturare queste differenze. Possiamo fare un pesce unico nel suo genere abbastanza facilmente. Se dovessi produrre convenzionalmente gli stampi, ci vorrebbe più tempo per sottrarre la forma da un blocco di materiale, "Il post ha spiegato.

Gli scienziati ambientali hanno mescolato il gel balistico con l'olio di cannella (un agente antimicrobico poco costoso) e poi hanno riempito gli stampini e lasciato che il gel si fissasse. Il team ha testato la "dolcezza" dei successivi pesci finti per avvicinarsi il più possibile alla realtà. Gli scienziati hanno quindi rivestito i pesci con una vernice simile alla plastica per conferire loro maggiore rigidità e imitare la pelle e le squame.

I sensori incorporati nei modelli misurano l'accelerazione e le forze G nel simulatore di turbina in tre dimensioni. Gli estensimetri vengono utilizzati anche per misurare come il pesce si allunga o si contrae internamente ed esternamente a seguito degli attacchi simulati.

Gli scienziati continuano a migliorare il modello, compreso l'aumento del tasso di risposta, che a sua volta dovrebbe tradursi in una maggiore risoluzione dei dati, così come i progressi nell'estrazione e nell'analisi dei dati. Finora hanno creato e testato modelli di quattro specie di pesci:trota iridea, glaucoma, shad e bass.

Il progetto è stato finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio dell'ORNL.

"Imitare la biologia è difficile, " Saylor ha osservato. "Abbiamo lavorato per avvicinarci il più possibile a una buona rappresentazione senza l'uso di attrezzature specializzate che potrebbero aumentare i costi".

Il fatto che ci sia poca standardizzazione dei progetti idroelettrici rappresenta un'opportunità per più lavoro, hanno notato gli scienziati. Le dighe idroelettriche sono state in gran parte costruite in base alla geografia di ciascun sito e alle esigenze energetiche del cliente, quindi ogni progetto è diverso.

"Vogliamo produrre energia idroelettrica in un modo che non sia dannoso per i pesci di passaggio, " Bevelhimer ha detto. "C'è molta pressione sui proprietari e sugli operatori delle dighe elettriche per ridurre il loro impatto ambientale. Ci sono molte sfide, e dare ai pesci un passaggio più sicuro è uno di questi."