Rejeklo inspirerer til ny metode til generering af undervandsplasma

Forskere fra Texas A&M University søger inspiration i naturen til at udvikle en ny metode til undervandsplasmagenerering ved hjælp af rejer som model - en opdagelse, der kan give betydelige forbedringer til handlinger lige fra vandsterilisering til boring.

Dr. David Staack, lektor i J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering, og Xin Tang, en ph.d. kandidat og færdiguddannet forskningsassistent i afdelingen, brugte 3-D-printteknologi til at replikere ikke kun den fysiske form af en knækkende rejeklo, men også den komplekse mekanisme, hvorigennem det genererer plasma.

Holdets forskning blev offentliggjort 15. marts i online-tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Generelt, når du ser på naturen, evolutionært pres gør det så naturen er meget effektiv til at gøre ting, " sagde Staack. "Jeg finder det interessant, at rejen har lavet intense chokbølger, plasmakemi og nanopartikelsyntese i millioner af år."

Når den snappende reje – også kendt som pistolrejen – knækker sin klo, den skyder en vandstråle ud hurtigt nok til at generere en boble, som når det falder sammen, skaber en høj støj og udsender lys. De høje tryk og temperaturer, der produceres i denne proces, fører til plasmadannelse.

Projektet, ledet af Staack, begyndte for mere end fire år siden som en udløber af et National Science Foundation (NSF)-finansieret projekt om elektrisk udladningsplasma i væsker. Ved at sammenligne plasmagenereringsprocessen for de snappende rejer med deres elektriske plasmaproces, forskerne blev nysgerrige, om de kunne finde en måde at måle og kopiere dens egenskaber.

Forskerne satte sig for at efterligne mekanikken i den knækkende rejeklo med indledende støtte fra NSF, omhyggeligt at studere, hvordan havdyret skaber en kavitationsboble, der genererer plasma ved op mod 3, 000 grader Fahrenheit.

"I vores avis, vi rapporterer den første direkte billeddannelse af lysemissionen induceret af den samme metode som rejen bruger:den mekanisk genererede energi med fokus på en kollapsende kavitation og den følgende stødbølgeudbredelse, " sagde Staack. "Det bio-inspirerede mekaniske design gjorde det muligt for os at udføre gentagne og konsistente eksperimenter på plasmagenereringen og indikere en signifikant stigning i konverteringseffektiviteten sammenlignet med sonisk, laser og elektrisk induceret kavitation."

Staack sagde, at brugen af ​​3-D-print var medvirkende til udviklingen af ​​dette projekt, giver forskerne mulighed for at skabe en nøjagtig, opskaleret model af den knækkende rejeklo på en måde, der var umulig for blot få år siden.

Tidligere forsøg på at kopiere rejens adfærd fokuserede på rejens todimensionelle geometri, i sidste ende mangler nogle af de komplekse 3D-processer, som nyere teknologi tillod forskerne at genskabe mekanismen med succes.

Staack og Tang skabte en 3-D-model af en smeltet kloskal af en knækkende reje, der er fem gange større, end den ser ud i naturen. For at drive mekanismen uden hjælp fra rejens muskler, forskerne implementerede et musefældelignende fjedersystem.

I naturen, rejer bruger kavitationsboblen som et våben til at generere stød og bedøve deres bytte. En opskaleret version af rejens mekanisme kunne bruges til en bred vifte af discipliner, herunder analytisk kemi, fysik og materialebearbejdning.

"Rejer bruger systemerne som et våben, og det er bestemt en applikation, " sagde Staack. "Presset og stødene kan bedøve små fisk eller bryde en nyresten op. Kavitationen og dynamikken kan bruges til at ændre grænselagsflow og reducere modstand for en båd. Andre anvendelser drager fordel af plasmatilstandens kemi. Nanopartikler kan syntetiseres med eksotiske faser på grund af de ekstreme forhold under syntesen. Vand kan steriliseres. Olien kan opgraderes."

Henter inspiration fra de snappende rejers plasma- og chokbølgeegenskaber, Staack arbejder sammen med et team af kolleger fra maskiningeniørafdelingen på et spin-off-projekt for at fremme den boreteknologi, der bruges til at skabe geotermiske brønde, der udnytter jordens naturlige varme. Ved at gøre det muligt for elektroder på spidsen af ​​en borekrone at udsende en mikroskopisk plasmaudladning, teknologien vil hjælpe med at bryde gennem hårde sten og strømline boreprocessen.

Bevæger sig fremad, Staack sagde, at nogle af målene for fremtidig forskning inkluderer at bestemme temperaturen på det genererede plasma, finde ud af, hvor store de kan skalere mekanismen op og teste nogle potentielle applikationer.

De arbejder også på at forfine den mest effektive version af mekanismen, fjernelse af dele fra klomodellen, der ikke tjener et formål i skabelsen af ​​plasma.

"Det, vi har lært af dette, er, at vi ikke har brug for al denne rejebiologi, " sagde Staack. "Vi har brug for det lille bageste stempel, og vi har brug for kanalen, men vi behøver ikke den del, som rejen bruger til at slå med. Der er nogle ting, der har udviklet sig af forskellige årsager. Nogle af de ting, vi gør nu, er at finde ud af, hvad den destillerede version af denne mekanisme er."