Condutture sotterranee, alcuni vecchi quanto le città che servono, sono spesso ben oltre la durata prevista e la necessità di sostituirli incombe come una spesa che la maggior parte dei comuni non può permettersi.

La necessità di un migliore monitoraggio di queste linee di invecchiamento è fondamentale, e lo sfruttamento delle onde sonore, attraverso la fononica, può fornire ai comuni un metodo efficiente in termini di costi per prevenire le interruzioni e affrontare prima le aree più pericolose.

Serife Tol, un assistente professore di ingegneria meccanica dell'Università del Michigan, sta utilizzando le onde sonore che passano lungo le condutture per fornire una vasta gamma di informazioni che gli operatori di infrastrutture possono utilizzare.

Gli ultimi risultati della ricerca del suo team sono disponibili in Lettere di fisica applicata .

Cos'è la fononica, e come può essere applicato nelle capacità di rilevamento?

La fononica esamina le onde elastiche o acustiche e il modo in cui si muovono attraverso materiali composti da ripetizioni, o periodico, strutture. Questi materiali periodici includono cristalli fononici e metamateriali per applicazioni come smorzamento di suoni e vibrazioni, o dispositivi di occultamento acustico.

Le strutture periodiche progettate artificialmente possono essere progettate utilizzando elementi come barre, travi, piatti o conchiglie, tutto ciò esibisce proprietà dinamiche straordinarie che non si trovano nei materiali naturali. Queste proprietà determinano come viaggiano le onde elastiche o acustiche.

Le onde elastiche che si propagano in un tubo possono servire come strumento per rilevare perdite, crepe, curve e altro. I difetti presenti nelle strutture interrompono le firme delle onde elastiche o acustiche e tale interruzione può essere rilevata dai sensori montati sulla superficie del tubo. L'analisi dei tempi di arrivo delle onde nel segnale del ricevitore determina la posizione e il tipo di difetto presente nella parete del tubo. Questo tipo di test con onde guidate è già ampiamente utilizzato come tecnica di monitoraggio della salute strutturale non invasiva.

Quando si tratta di condutture e della loro integrità strutturale, perché la fononica non è stata usata prima?

La fononica è una nuova scienza che è ancora esplorata dai ricercatori, e questa è la prima volta che lo esaminiamo per applicazioni di rilevamento nelle condutture. Stiamo dimostrando la sua efficacia rispetto alle attuali tecnologie di monitoraggio come le onde guidate a ultrasuoni.

Le onde ultrasoniche si sono dimostrate convenienti e facili da usare, in parte perché il gasdotto stesso funge da guida d'onda. Però, il metodo soffre perché l'ampiezza delle onde diventa più piccola e più difficile da rilevare durante le ispezioni a lungo raggio delle condutture.

Questo problema può essere superato con la tecnologia phased array, che focalizza le onde elastiche ultrasoniche e migliora il rilevamento e la localizzazione dei difetti. Ma la tecnologia alla base della focalizzazione delle onde richiede un controllo attivo tramite dispositivi esterni e un database di caratteristiche delle onde specifiche per ciascuna pipeline.

Come stai affrontando il problema?

Con il nostro approccio, la stessa pipeline può essere utilizzata per progettare una guida d'onda passiva all'avanguardia. Adattiamo i cristalli fononici per guidare e localizzare l'energia dell'onda elastica in un punto desiderato sulla pipeline. Creiamo una lente di cristallo fononico, proprio come una lente ottica, e integrarlo con strutture di tubazioni esistenti.

L'obiettivo è amplificare l'energia vibrazionale nelle posizioni dei sensori sulla tubazione. Il sensore produce un segnale elettrico corrispondente, che viene poi convertito per darci la velocità delle onde.

Quanto si è dimostrato efficace il design della pipeline? E come potrebbe essere applicato agli attuali sistemi di tubazioni?

Abbiamo verificato il design della nostra lente attraverso simulazioni numeriche ed esperimenti di laboratorio su un prototipo di tubo in acciaio. Abbiamo osservato il doppio dell'amplificazione dell'energia delle onde nella posizione focale rispetto al tubo convenzionale. Il design a lente singola può mettere a fuoco più modalità d'onda del tubo comunemente utilizzate per l'ispezione a ultrasuoni delle tubazioni, ciascuno con i propri vantaggi specifici.

Il nostro design concentra anche l'energia delle onde su un'ampia gamma di frequenze da 20 kHz a 50 kHz, le frequenze ultrasoniche. Ciò significa che la messa a fuoco dell'onda a banda larga multimodale può essere ottenuta con la nostra lente conforme, migliorando le capacità di rilevamento e rilevamento nelle tubazioni a lungo raggio.

L'obiettivo sarebbe un componente strutturale dell'attuale progetto delle condutture e può essere implementato su varie scale di lunghezza con un adeguato ridimensionamento delle caratteristiche del progetto. Anche, il progetto può essere implementato in condotte interrate interrate con la lente incorporata nella parete del tubo o rimanere come strato esterno per condotte aperte. Attualmente stiamo studiando le lenti conformali stampate in 3D per i tubi esistenti e stiamo sviluppando strutture di tubazioni integrate con lenti di prossima generazione.

Quali sarebbero i vantaggi di un sistema integrato con questa tecnologia?

I guasti alle condutture sono una seria preoccupazione che ha un impatto su tutti coloro che ne sono serviti e sui comuni incaricati della loro manutenzione. Linee rotte che trasportano petrolio, liquami e prodotti petrolchimici rappresentano una grave minaccia per l'uomo e per l'ambiente.

Un modo efficace per evitare questi guasti consiste nell'effettuare ispezioni/manutenzioni regolari tramite il monitoraggio dello stato di salute strutturale delle condutture. La prevenzione dei guasti di linea è di per sé un risparmio sui costi. Ma con la nostra tecnologia, il monitoraggio continuo dello stato di salute delle strutture diventerebbe molto più efficace attraverso la riduzione dei costi per le strategie di sostituzione delle linee e la capacità di contribuire a prolungare la vita delle condutture.

Quali altri usi potenziali vedi per la tua tecnologia?

Il concetto di lente conforme proposto può essere esteso ad altre strutture, comprese le pale delle turbine eoliche, travi, e fondamenta, così come altri civili, applicazioni meccaniche e aerospaziali.