Con le minacce di innalzamento del livello del mare, mareggiata e altri disastri naturali, i ricercatori del College of Engineering and Computer Science della Florida Atlantic University si stanno rivolgendo alla natura per proteggere gli esseri umani dalla natura. Stanno sviluppando modi innovativi per proteggere le coste e prevenire il lavaggio e l'erosione da onde e tempeste utilizzando materiali bioispirati che imitano gli alberi di mangrovie che si trovano lungo le coste, fiumi ed estuari nei tropici e subtropicali. Crescendo da un groviglio di radici che si torcono fuori dal fango, gli alberi di mangrovie proteggono naturalmente le coste, riparano gli habitat dell'ecosistema costiero e forniscono un'importante filtrazione dell'acqua. In molti casi, queste radici intrappolano i sedimenti che scorrono lungo i fiumi e fuori dalla terra, contribuendo a stabilizzare la costa.

Alcuni sistemi di radici di mangrovie hanno persino la capacità di dissipare l'energia delle maree attraverso flussi idrologici unici e deviare l'energia dell'acqua in direzioni diverse riducendo il rischio di danni alle coste. Ancora, ad oggi, pochi studi hanno esaminato la dinamica dei fluidi come la struttura del flusso e la forza di trascinamento sulle radici delle mangrovie.

Per uno studio, pubblicato sulla rivista dell'American Physical Society, Fluidi per la revisione fisica , i ricercatori hanno individuato l'albero di mangrovia rossa ( Rhizophora mangle ) da più di 80 specie diverse di mangrovie, per la sua robusta rete di radici in grado di resistere a condizioni ambientali estreme. La mangrovia rossa ha fornito ai ricercatori un modello ideale per applicazioni costiere ispirate alla natura.

"A causa delle loro strutture forti, le mangrovie sono sopravvissute per più di 8, 000 anni, " disse Amirhosro Kazemi, dottorato di ricerca, autore principale dello studio e borsista post-dottorato presso il Dipartimento di ingegneria oceanica e meccanica della FAU, che ha ricevuto una borsa di studio dalla Link Foundation e sta lavorando con Oscar Curet, dottorato di ricerca, co-autore e un assistente professore nel dipartimento. "Ciò che è veramente sorprendente delle mangrovie è che possono adattarsi ai cambiamenti nell'innalzamento del livello del mare formando strutture verso l'alto attraverso un processo naturale di accumulo di strati di fango trasportati dalle maree e da altre fonti. È il loro apparato radicale in particolare che contribuisce a questa resilienza e è ciò che ci ha spinto a ricercare la loro complessa idrodinamica."

Per comprendere meglio la resilienza dell'albero di mangrovia e la fluidodinamica delle sue radici, Kazemi, Curato, e Keith Van de Riet, dottorato di ricerca, co-autore e assistente professore presso l'Università del Kansas, ha modellato le complesse radici di mangrovie come una rete di cilindri circolari chiamata patch. Hanno eseguito una serie di esperimenti variando parametri chiave come la scala di lunghezza e la porosità o flessibilità. Hanno usato un tunnel d'acqua e la visualizzazione del flusso per determinare come il diametro della radice, la sua flessibilità e quanto sono porose le mangrovie influiscono sull'acqua. Hanno studiato le radici delle mangrovie in diverse condizioni di flusso per quantificare come la struttura del flusso avrebbe interagito con la mangrovia.

Hanno esaminato l'effetto della porosità e le misure di spaziatura tra le radici, forza e velocità testate in un tunnel d'acqua, e contemporaneamente eseguita visualizzazione del flusso 2-D.

I ricercatori hanno eseguito misurazioni dirette della forza di trascinamento e velocimetria dell'immagine delle particelle ad alta risoluzione per caratterizzare la complessa struttura della scia instabile posteriore alle matrici del cerotto, che rappresenta un modello di radice di mangrovia semplificato.

I risultati dello studio mostrano che per le radici rigide, la forza di resistenza varia linearmente con il diametro del cerotto e la distanza tra le radici. Per radici flessibili, i ricercatori hanno scoperto che una diminuzione della rigidità aumentava sia la resistenza del cerotto che il deficit di scia dietro il cerotto in modo simile all'aumento del blocco del cerotto. Hanno introdotto una nuova scala di lunghezza (diametro effettivo) basata sulla firma della scia per caratterizzare il coefficiente di resistenza esercitato sul cerotto per diverse porosità. Il diametro effettivo incorpora la porosità del cerotto, disposizione e diametro della radice individuale nel cerotto. I risultati hanno dimostrato che il diametro effettivo del cerotto diminuisce all'aumentare della porosità, dando origine al numero di Strouhal, utilizzato nell'analisi dimensionale che è un numero adimensionale che descrive i meccanismi di flusso oscillante.

"Con quasi 2,4 miliardi di persone in tutto il mondo che vivono entro 60 miglia da una costa oceanica, questa ricerca è estremamente importante per le coste vulnerabili non solo in Florida ma in tutto il mondo, " ha detto Stella Batalama, dottorato di ricerca, preside del College of Engineering and Computer Science della FAU. "Migliorare la nostra comprensione dell'idrodinamica delle radici delle mangrovie aiuterà a facilitare l'incorporazione di strutture simili a mangrovie bioispirate che possono essere utilizzate per il controllo dell'erosione, protezione costiera, e ricostruzione dell'habitat."

Sebbene molte aree basse abbiano una protezione contro le tempeste come le dighe marittime, queste strutture sono costose da costruire, causare la propria serie di preoccupazioni ambientali, e ostacolare il paesaggio naturale. Le informazioni provenienti da questo studio hanno il potenziale per aiutare scienziati e ingegneri a sviluppare metodi per progettare strutture costiere resilienti bioispirate. Le coste naturali sono flessibili, poco costoso, e regolabile, e il prototipo che i ricercatori hanno sviluppato è scalabile, più piccolo e più semplice da usare e più conveniente. La loro modellizzazione sistematica fornisce la struttura per progettare strutture simili a mangrovie per la protezione costiera.

"I nostri risultati potrebbero essere potenzialmente utilizzati per costruire banchi di mangrovie artificiali per le aree costiere. Ad esempio, il nostro lavoro sperimentale potrebbe anche essere applicato in un flusso di marea uniforme dove l'acqua scorre costantemente a causa dell'innalzamento del livello del mare, " ha detto Kazemi. "Stiamo attualmente lavorando a un nuovo modello che ci permetterà di comprendere il flusso in un design più complesso".