Dybhavssvampe nul-energi flowkontrol kunne inspirere til nye energieffektive designs

Venus blomsterkurvsvampen med sit sarte glaslignende gitterskelet har længe fascineret forskere, der søger at forklare, hvordan denne skrøbelige tilsyneladende væsens krop kan modstå de barske forhold på dybhavet, hvor den lever.

Nu afslører ny forskning endnu en ingeniørmæssig bedrift af dette ældgamle dyrs struktur:dets evne til at filtrere foder ved kun at bruge de svage omgivende strømme i havets dybder, ingen pumpning påkrævet.

Denne opdagelse af naturlig "nulenergi" flowkontrol af et internationalt forskerhold ledet af University of Rome Tor Vergata og NYU Tandon School of Engineering kunne hjælpe ingeniører med at designe mere effektive kemiske reaktorer, luftrensningssystemer, varmevekslere, hydrauliske systemer, og aerodynamiske overflader.

I en undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters , fandt holdet gennem computersimuleringer med ekstrem høj opløsning, hvordan skeletstrukturen af ​​Venus blomsterkurvsvampen (Euplectella aspergillum) afleder meget langsomme dybhavsstrømme til at strømme opad i dens centrale kropshulrum, så den kan fodre på plankton og anden marine detritus det filtrerer ud af vandet.

Svampen trækker dette af via sin spiralformede ydre overflade, der fungerer som en vindeltrappe. Dette gør det muligt for den passivt at trække vand opad gennem sin porøse, gitterlignende ramme, alt sammen uden energikravene til pumpning.

"Vores forskning afgør en debat, der er opstået i de senere år:Venus blomsterkurvsvampen kan muligvis trække næringsstoffer passivt ind uden nogen aktiv pumpemekanisme," siger Maurizio Porfiri, professor i NYU Tandon Institute og direktør for dets Center for Urban Science. + Progress (CUSP), som var med til at lede undersøgelsen og med-superviserede forskningen. "Det er en utrolig tilpasning, der gør det muligt for denne filterføder at trives i strømme, der normalt er uegnede til suspensionsfodring."

Ved højere strømningshastigheder hjælper gitterstrukturen med at reducere modstanden på organismen. Men det er i de dybe havbundes næsten stilhed, at dette naturlige ventilationssystem er mest bemærkelsesværdigt og demonstrerer, hvor godt svampen rummer det barske miljø. Undersøgelsen viste, at svampens evne til passivt at suge mad ind kun virker ved de meget langsomme strømhastigheder - kun centimeter i sekundet - af dens levested.

"Fra et ingeniørmæssigt perspektiv viser svampens skeletsystem bemærkelsesværdige tilpasninger til dets miljø, ikke kun fra et strukturelt synspunkt, men også for dets væskedynamiske ydeevne," sagde Giacomo Falcucci fra Tor Vergata University of Rome og Harvard University, avisens første forfatter.

Sammen med Porfiri var Falcucci med til at lede undersøgelsen, co-superviserede forskningen og designede computersimuleringerne. "Svampen er nået frem til en elegant løsning til at maksimere næringstilførslen, mens den opererer udelukkende gennem passive mekanismer."

Forskere brugte den kraftfulde Leonardo-supercomputer på CINECA, et supercomputercenter i Italien, til at skabe en yderst realistisk 3D-replika af svampen, der indeholder omkring 100 milliarder individuelle punkter, der genskaber svampens komplekse spiralformede højderygstruktur. Denne "digitale tvilling" tillader eksperimenter, der er umulige på levende svampe, som ikke kan overleve uden for deres dybhavsmiljø.

Holdet udførte meget detaljerede simuleringer af vandstrømmen omkring og inde i computermodellen af ​​skelettet af Venus blomsterkurvsvampen. Med Leonardos massive computerkraft, der muliggør kvadrillioner af beregninger i sekundet, kunne de simulere en lang række vandstrømningshastigheder og -forhold.

Forskerne siger, at den biomimetiske ingeniørindsigt, de afslørede, kunne hjælpe med at guide designet af mere effektive reaktorer ved at optimere strømningsmønstre inde og samtidig minimere luftmodstand udenfor. Lignende rillede, porøse overflader kan forbedre luftfiltrerings- og ventilationssystemer i skyskrabere og andre strukturer. De asymmetriske, spiralformede kamme kan endda inspirere skrog eller flykroppe med lav modstand, der forbliver strømlinede og samtidig fremmer indvendige luftstrømme.

Undersøgelsen bygger på holdets tidligere forskning i Venus blomsterkurvsvamp offentliggjort i Nature i 2021, hvor den afslørede, at den havde skabt en første simulation nogensinde af dybhavssvampen, og hvordan den reagerer på og påvirker strømmen af ​​nærliggende vand.