تولد نسل جدید مزارع بادی با الهام از ساکنان دریا

دغدغه دستیابی به مصرف انرژی کارآمد و پاسخ به بحران‌های انرژی و محیط زیست پایدار تا جایی پیش رفته است که پای انسان را به میان دریاها کشانده تا سودای طراحی مدل‌های نوین مزارع بادی را با الهام گرفتن از الگوهای حرکت دسته‌جمعی ماهیان تجربه کند.

کد خبر: ۳۰۱۲۰۸

مطالعات محققان از واقعیت تأمل‌برانگیز دیگری در ساختار نظام حیات وحش و زندگی گونه‌های جانوری با رفتارهای دسته‌جمعی حکایت دارد که براساس آن الگوهایی که ماهیان گله‌رو برای صرفه‌جویی انرژی مصرفی هنگام شنا تشکیل می‌دهند می‌تواند الهام‌بخش طراحی مزارع بادی نوینی شود که به باور محققان افزایشی حداقل 10 چندان را در بازده نیروی برق تولیدی به ازای هر نیم هکتار به دنبال خواهد داشت که به نوبه خود تولید چشمگیری در پاسخ به نیازهای آینده انرژی‌های پاک به شمار می‌رود.

در طبیعت و در دل حیات وحش آبی، آنچه از قرار معلوم در دستور کار ماهیان قرار دارد این است که همگی تلاش می‌کنند تا میزان انرژی مصرفی برای شنا از نقطه‌ای به نقطه دیگر را تا حد ممکن به حداقل برسانند؛ و این در حالی است که جان دبیری، از محققان انستیتو فناوری کالیفرنیا که پژوهش حاضر به همت او صورت گرفته، در بیان هدفشان از این پروژه خاطرنشان می‌کند که محققان در برخورد با این نظام کارآمد انرژی در میان ماهیان در جستجوی مکانیسم معکوس آن هستند و در واقع قصد دارند تا با وام گرفتن از این ساز و کار طبیعی به این مهم دست یابند که در چالش با بحران انرژی و مسائل زیست‌محیطی کنونی چگونه می‌توانیم میزان انرژی برداشتی خود را به حداکثر برسانیم. اما موضوع جالب توجهی که در این میان پیش روی محققان قرار گرفته، وجه دوپهلوی این تلاش انرژی‌محور، از سوی ماهیان و انسان‌هاست که با هدف حفظ بقا و پایداری اتخاذ می‌شود. به اعتقاد محققان از آنجا که هر دو روی سکه این مشکلات انرژی‌محور مستلزم بهینه‌سازی و بهره‌وری انرژی است، سرانجام این مدل‌برداری و شبیه‌سازی مکانیسم‌های عملکردی به این نتیجه ختم می‌شود که مدل سودمند برای یک گروه به نوبه خود می‌تواند برای مشکل گروه دیگر نیز مفید فایده قلمداد شود. به عبارتی، در این رابطه هر 2 طرح به افرادی متکی است که مجزا و تک‌تک، انرژی را از فرد مجاور خود به چنگ می‌آورند تا عملکردی کارآمدتر داشته باشند.

براساس این شیوه، در صورتی که تنها یک ماهی شناکننده وجود داشته باشد، همان تک‌ماهی بازی ضربه انرژی به درون آب را انجام می‌دهد و بالطبع، تنها خودش هم بی‌قوت و نیرو می‌شود. این تبادل یکطرفه فرد و انرژی در حالی است که به اعتقاد دبیری، چنانچه ماهی دیگری پشت سر قرار داشته باشد، عملا می‌تواند از کمک انرژی جنبشی موجود استفاده ببرد و با اندک میزان صرف انرژی خودش را به جلو براند. به اعتقاد دبیری، توربین‌های بادی نیز می‌توانند در عمل مثل همین رفتار را انجام دهند و طرح مزرعه بادی او از توربین‌هایی بهره می‌برد که حول یک قطب پشتیبانی نظیر یک چرخ و فلک می‌گردند. از این‌رو همچون ماهی‌ها، این توربین‌های چرخان نوعی دنباله دوار یا موج‌های چرخشی تولید می‌کنند که همانند جریان چرخشی گردابی یکی پس از دیگری باعث چرخش فرد فرد توربین‌ها می‌شود. حال اگر توربین‌ها با نزدیکی کافی به همدیگر و در وضعیت صحیح قرار داده شوند، انرژی حاصل از این جریان چرخشی می‌تواند توسط توربین‌های مجاور هم جمع‌آوری شود. به این ترتیب 2 توربین نزدیک به هم با به چنگ آوردن موج حاضر می‌توانند نیروی برق بیشتری تولید کنند و بازده آن در مقایسه با وضعیتی که توربین‌ها انفرادی عمل می‌کنند، قابل ملاحظه و تحسین‌برانگیز است. محققان معتقدند طراحی مدل نوین مزارع بادی و آرایش توربین‌ها به شکل پیشنهادی، نقطه مقابل توربین‌های بادی معمولی است که از سبک فرفره‌ای یا مارپیچ از پهلو پیروی می‌کنند و در مزارع بادی که از آرایش سنتی استفاده می‌شود موج دنباله‌ای حاصل از یک توربین موجب ایجاد مزاحمت و تداخل با توربین مجاورش شده و در نتیجه راندمان توربین همسایه را کاهش می‌دهد. در واقع تعیین موقعیت اشتباه برای توربین‌های مجاور موجب به دام افتادن جریان‌های حلقوی در میان آنها می‌شود و از رد و بدل کردن این موج پتانسیل‌دار دیگر خبری نیست. به همین دلیل است که در چینش معمول توربین‌ها در مزارع بادی، رعایت فاصله‌گذاری حداقل 3 قطر به هر طرف و 10 قطر نسبت به توربین بالادست یا پایین دستی الزامی است و چینی آرایشی مستلزم اشغال مساحت قابل توجهی زمین است. با این اوصاف هر چند توربین‌های انفرادی سبک چرخ و فلکی کارایی کمتری نسبت به همتایان خویش در سبک مارپیچی دارند، در عین حال فضاسازی نزدیک به هم آنها که موجب تقویت و افزایش عملکردشان می‌شود به مفهوم آن خواهد بود که میزان توان خروجی توربین‌های چرخ و فلکی در هر جریب (حدود نیم هکتار) بسیار بیشتر است به نحوی که بر اساس محاسبه دبیری و دستیارش، در بهترین مدل طراحی جدید و در واحد نیم هکتار می‌توان انتظار تولیدی 100 برابر بیشتر را نسبت به مزارع بادی مرسوم داشت. البته طراحی نوین مزارع بادی و مزایای غیرقابل انکار طرح‌های جدید در حالی مطرح می‌شود که مدل پیشنهادی حاضر، نیازمند برخی ساده‌سازی‌هاست و به اعتقاد محققان باید دید نتایج آزمایشات حاصل از یک مزرعه بادی واقعی در عمل نیز قادر است چنین بهره بزرگی را حاصل کند؛ هر چند خود دبیری به عنوان طراح نسل جدید مزارع بادی در این خصوص پاسخ امیدوارکننده‌ای می‌دهد و معتقد است حتی اگر مضربی از 10 را هم از نتیجه کار کسر کنیم، هنوز هم این مدل به عنوان عامل دگرگون‌کننده بزرگی برای فناوری محسوب می‌شود. در این میان، البته خود محققان اذعان دارند که ماهیانی با رفتار گله‌ای ممکن است در حرکت‌های خود از آرایش تمام و کمالی پیروی نکنند و به این نتیجه رسیده‌اند که بهترین مدل آرایش توربین‌های بادی با فضاسازی مورد استفاده از سوی ماهیان گله‌رو مطابقت نداشته باشد؛ به نحوی که اگر در طراحی مدل‌های جدید مزارع بادی بنا بر تقلید صرف از رفتار موج سواری ماهی‌ها باشد می‌توان این کار را به نحو احسن انجام داد. اما در مقام مهندسی و طراحی لازم است هوشمندتر از ماهی‌ها عمل کنیم و چه بسا برای دست یافتن به نتیجه مطلوب در شبیه‌سازی رفتار ماهی‌ها و حتی عملکردی به مراتب بهتر در چینش توربین‌ها به موفقیت‌های بیشتری برسیم. دستیابی به عملکرد انرژی کارآمدتر از رفتار حرکتی ماهیان در حالی از سوی محققان عنوان می‌شود که آنها معتقدند در فرآیند مهندسی مزارع بادی برخی محدودیت‌های مربوط به زندگی دسته جمعی ماهیان وجود ندارد، چون ماهی‌ها مجبورند علاوه بر به‌حداکثر رساندن کارایی شنا کردن، به تأمین سایر نیازهای حیاتی‌شان نیز بپردازند و ناگزیر از پیش گرفتن رفتار متعادلی برای کسب و مصرف انرژی هستند. کارهایی همچون جستجوی غذا، اجتناب از صیادان و تولید مثل از نمونه‌های بارز رفتارهای حیاتی و صد البته مستلزم مصرف انرژی بالا در میان ماهی‌ها محسوب می‌شود.

با این اوصاف، مدل‌های جدید طراحی مزارع بادی بر اساس رفتار صرفه‌جویانه انرژی ماهی‌ها نظر موافق سایر محققان را نیز به خود جلب نموده است. در همین خصوص الکساندر اسمیت از دانشگاه پرینستون که طی همایش انجمن فیزیک آمریکا و در بخش دینامیک سیالات آن با این یافته‌های جدید روبرو شده معتقد است مدلسازی پیشنهادی حاضر را طرحی امکان پذیر و بسیار جالب توجه برای حوزه فناوری‌های انرژی محور می‌داند و ضمن تأکید بر تلاش برای به انجام رساندن چنین طرح‌هایی، خاطرنشان می‌سازد که یک آزمون پایکار پتانسیل واقعی این ایده فناورانه را به خوبی نشان خواهد داد. محققان دینامیک سیالات و طراحان حوزه انرژی‌های نو با استقبال از طراحی مدل‌های جدید مزارع بادی اذعان دارند که این طرح نوید کاهش بسیار قابل توجهی در اشغال اراضی و بالطبع بهره‌وری بالای تولید انرژی را می‌دهد و حتی اگر نتایج میدانی و محاسبات حاکی از تنها نیمی از بازده ادعایی باشد، باز هم برای مساله انرژی بسیار دلگرم‌کننده و سودمند خواهد بود و چشم انداز بهتری برای آینده انرژی‌های پاک و محیط‌زیست پایدار ترسیم می‌کند.