Waterkrachtontwikkelaars moeten met veel factoren rekening houden wanneer het tijd is om een ​​nieuw project in licentie te geven of een bestaand project te vernieuwen:hoe kunnen de milieueffecten worden verzacht, ook voor vispopulaties? Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een unieke oplossing gevonden:het gebruik van 3D-printen en sensoren om nepvissen te maken voor het testen van turbines.

Als vissen door waterkrachtdammen gaan, ze tegenkomen obstakels die verwondingen kunnen veroorzaken - drukveranderingen, turbulentie, en draaiende bladen op turbines. Als onderdeel van haar milieueffectrapportage voor waterkrachtprojecten, ORNL ontwikkelde een systeem om de impact van turbineontwerpen op hoogwaardige soorten te analyseren.

"We willen de krachten begrijpen die verschillende vissoorten tegenkomen en hoe die krachten kunnen leiden tot letsel of sterfte, " zei Ryan Saylor, een Bredesen Centre for Interdisciplinair Onderzoek en Graduate Education student werkzaam in ORNL's Environmental Sciences Division. "Er kunnen tweaks zijn die ontwerpers en fabrikanten van turbines kunnen maken om vissoorten te behouden en tegelijkertijd de impact op de energieproductie te minimaliseren."

Het werk is belangrijk. Waterkracht is de grootste bron van hernieuwbare energie en grootschalige energieopslag in het land, goed voor 6% van de totale elektriciteitsproductie. ORNL heeft een lange geschiedenis in het ondersteunen van waterkracht, met inbegrip van verbeteringen aan het vergunnings- en regelgevingsproces.

Er zijn veel factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het testen van de impact van waterkracht op vissen:hoe snel de wieken bewegen, de dikte en hoek van de bladen, hoe groot elke vis is en waar het zwaartepunt ligt.

"Wat we ons realiseerden, is dat het in wezen een natuurkundig probleem is, " voegde Mark Bevelhimer toe, die het project heeft gelanceerd en onlangs met pensioen is gegaan bij ORNL.

De wetenschappers besloten een modelvis te maken - in technische termen, een antropomorf testapparaat - om hen te helpen de krachten van de turbinebladen te begrijpen en meerdere datapunten voor analyse te genereren.

Ze kwamen op het idee om ballistische gel te gebruiken voor het vissenlichaam. de gel, oorspronkelijk ontwikkeld voor militaire doeleinden, kan worden gecontroleerd voor verschillende dichtheden om spierweefsel na te bootsen.

Om mallen te maken voor verschillende vissoorten, de onderzoekers wendden zich tot de 3D-printmogelijkheden in de Manufacturing Demonstration Facility, een door de DOE aangewezen gebruikersfaciliteit bij ORNL. De onderzoekers brachten vissen naar de MDF om te laserscannen, en de resulterende contouren werden ingevoerd in een computerondersteund ontwerpprogramma dat op zijn beurt een 3D-printer leidde om mallen te maken van elke te testen vis.

Brian Post, die de MDF-inspanning leidde, merkte op dat het 3D printen van de mallen een snelle, goedkope oplossing waarmee in korte tijd een grote verscheidenheid aan vismodellen kan worden gemaakt. "Elke soort heeft een andere morfologie, dus het maken van mallen stelt ons in staat om die verschillen vast te leggen. We kunnen vrij eenvoudig een unieke vis maken. Als u de mallen conventioneel zou produceren, het zou langer duren om de vorm van een blok materiaal af te trekken, "Post uitgelegd.

De milieuwetenschappers vermengden de ballistische gel met kaneelolie (een goedkoop antimicrobieel middel) en vulden vervolgens de mallen en lieten de gel uitharden. Het team testte de "squishiness" van daaropvolgende nepvissen om zo dicht mogelijk bij de realiteit te komen. De wetenschappers bedekten de vissen vervolgens met een plasticachtige verf om ze meer stevigheid te geven en om huid en schubben na te bootsen.

Sensoren ingebed in de modellen meten versnelling en G-krachten in de turbinesimulator in drie dimensies. Spanningsmeters worden ook gebruikt om te meten hoe de vis zich intern en extern uitrekt of samentrekt als gevolg van de gesimuleerde aanvallen.

De wetenschappers blijven het model verbeteren, inclusief het verhogen van de respons, wat op zijn beurt zou moeten resulteren in een hogere resolutie van gegevens, evenals vorderingen op het gebied van gegevensextractie en -analyse. Tot nu toe hebben ze modellen gemaakt en getest van vier vissoorten:regenboogforel, bluegill, shad en bas.

Het project werd gefinancierd door ORNL's Laboratory Directed Research and Development-programma.

"Biologie nabootsen is moeilijk, Saylor merkte op. "We hebben gewerkt om zo dicht mogelijk bij een goede vertegenwoordiging te komen zonder het gebruik van gespecialiseerde apparatuur die de kosten zou kunnen verhogen."

Het feit dat er weinig standaardisatie is van waterkrachtprojecten biedt een kans op meer werk, merkten de wetenschappers op. Waterkrachtdammen zijn grotendeels gebouwd volgens de geografie van elke locatie en de stroombehoeften van de klant, dus elk project is anders.

"We willen waterkracht produceren op een manier die niet schadelijk is voor de vissen die er doorheen gaan, " Zei Bevelhimer. "Er is veel druk op eigenaren en exploitanten van stuwdammen om hun impact op het milieu te verminderen. Er zijn veel uitdagingen, en vissen een veiligere doorgang geven is daar een van."