«Сердечная» технология улучшила работу насосов

Исследователи показали, как импульсная накачка жидкости через трубу может уменьшить в насосах трение почти на треть и энергопотребление на 9%. Вдохновило их на это человеческое сердце. Работа опубликована в журнале Nature.

Первый насос для тушения пожара люди изобрели еще в I веке до н.э. Сегодня это доступный и распространенный способ перекачивания воды. Специалисты до сих пор стремятся оптимизировать процесс, ведь от снижения энергопотребления выиграют и предприятия, и обычные люди. Одна из причин, по которой насос качает воду хуже, чем мог бы — турбулентность. Это постоянный поток воды, в котором водовороты и завихрения двигаются хаотично. Из-за этого между стенками трубы и жидкостью создается сильное трение, борьба с которым увеличивает затраты энергии.

Теперь ученые обратились к природе, чтобы улучшить работу насоса. «Как и любая часть нашего тела, человеческое сердце формировалось в результате миллионов лет эволюции. В отличие от обычных механических насосов, которые создают постоянный поток жидкости, сердце пульсирует. Нам было любопытно, есть ли преимущества у этой своеобразной формы движения», — объясняет Бьорн Хоф из Австрийского института науки и технологий.

Специалисты создали несколько экспериментальных установок с прозрачными трубами разной длины и диаметра. По ним перекачивали воду. Чтобы видеть турбулентность, ученые добавили в воду крошечные отражающие частицы и посветили на них лазером. Он отражался от частиц, а исследователи делали снимки, которые помогали понять, был ли поток воды турбулентным.

Ученые также попробовали несколько режимов пульсирующей накачки. Некоторые из них сначала медленно ускоряли воду, а потом быстро останавливали ее. Другие делали наоборот. Сначала оказалось, что пульсация увеличивала сопротивление и энергию, которую насос затрачивал для накачки. Потом ученые настроили аппаратуру так, чтобы между импульсами была короткая фаза покоя — и это сработало. Именно так делает человеческое сердце.

Благодаря фазам покоя между импульсами турбулентность в трубе резко уменьшилась — на 27%. Также снизилось и количество энергии, которое насос тратил на накачку воды — на 9%. «Уменьшение трения и турбулентных колебаний явно выгодно в биологическом контексте, поскольку оно предотвращает повреждение клеток, чувствительных к напряжению сдвига, которые составляют самый внутренний слой наших кровеносных сосудов. Потенциально мы могли бы извлечь из этого уроки и использовать их в будущих приложениях», — объясняет Бьорн Хоф.

Пока что ученые отмечают, что, несмотря на впечатляющие результаты в лаборатории, реальное применение не так просто. Чтобы создать такие пульсирующие колебания, пришлось бы переоборудовать насосы. Но, заявляют исследователи, это все равно будет гораздо дешевле, чем модификация стенок труб или установка приводов.