Czy gąbka zamieszkująca głębiny oceanów zainspiruje projekt przyszłych konstrukcji mechanicznych?
Gąbka szklana znaleziona w głębinach Oceanu Spokojnego inspiruje nowy sposób projektowania budynków i innych konstrukcji. Od momentu jej odkrycia Euplectella aspergillum, powszechnie znana jako koszyczek Wenery, przyciąga uwagę naukowców, głównie ze względu na swą strukturę. Gąbka ta składa się z wysoce elastycznej, białej, cylindrycznej siatki krzemionkowej. Międzynarodowy zespół naukowców wspieranych częściowo przez finansowany ze środków UE projekt COPMAT koncentruje się obecnie na niedostatecznie zbadanym aspekcie gąbek głębinowych – polach hydrodynamicznych otaczających i przenikających je. Zespół naukowców z Australii, Włoch i Stanów Zjednoczonych postarał się dowiedzieć, czy oprócz poprawy właściwości mechanicznych gąbek ich szkieletowe wzory odpowiadają również za zoptymalizowaną fizykę przepływów wewnątrz i na zewnątrz jam ich ciała. Wyniki prac wykazały silne powiązania pomiędzy strukturą i funkcjonowaniem gąbek. Naukowcy rozumieją już, w jaki sposób szkielet przypominający siateczkę pomaga zmniejszać ogólny stres hydrodynamiczny powodowany przez otaczający organizmy ocean. Przeprowadzone badania pokazują również, w jaki sposób szkielet jest w stanie stworzyć bogaty w składniki odżywcze wir wewnątrz gąbki przy niskiej prędkości pływu. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie „Nature”.
Stymulowanie przepływu wody otaczającej gąbkę zamieszkującą głębiny
W swych eksperymentach zespół wykorzystał superkomputer MARCONI100 o mocy 21,6 petaflopa, zainstalowany w wysoko wydajnym centrum komputerowym Cineca we Włoszech, a także specjalne oprogramowanie opracowane przez Giorgio Amatiego, starszego inżyniera ds. technologii w Cineca i współautora badania. Korzystając z pomocy komputera, badacze utworzyli pierwszą tego rodzaju symulację koszyczka Wenery i jego reakcji oraz wpływu na otaczający go przepływ wody na dnie oceanu, gdzie żyje. Symulacje oparto na metodzie siatkowej Boltzmanna wykorzystywanej do symulacji dynamicznego zachowania przepływów płynów. „Badając przepływ płynów wewnątrz i na zewnątrz jamy ciała gąbki, odkryliśmy ślady przewidywanej adaptacji do środowiska”, wyjaśnił współautor badania, prof. Maurizio Porfiri z Uniwersytetu w Nowym Jorku w komunikacie prasowym opublikowanym na stronie internetowej instytucji Istituto Italiano di Tecnologia. „Struktura gąbki nie tylko przyczynia się do zmniejszenia siły ciągnącej, ale też ułatwia tworzenie wirów o niskiej prędkości wewnątrz jamy ciała, które służą pobieraniu pokarmu i reprodukcji”, dodał prof. Porfiri. Według głównego autora badania, dr. Giacomo Falcucciego z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie oraz Uniwersytetu Harvarda, badania prowadzone przez zespół „mogą zostać wykorzystane w procesie projektowania wysokich budynków czy też każdej struktury mechanicznej, od wieżowców po nowe konstrukcje statków zmniejszające siłę ciągnięcia, czy nawet kadłuby samolotów”. Dr Falcucci dodał kilka interesujących przykładów: „Czy w przypadku zastosowania w wysokich budynkach podobnej siatki górek i otworów siły aerodynamiczne działające na takie budynki będą słabsze? Czy pozwoli to na optymalizację rozkładu działających sił? Znalezienie odpowiedzi na te właśnie pytania jest głównym celem zespołu”. „Prace te stanowią doskonały przykład zastosowania dyskretnej dynamiki płynów w ogólności oraz metody siatkowej Boltzmanna w szczególności”, zauważył starszy współautor, dr Sauro Succi z Uniwersytetu Harvarda oraz instytutu Istituto Italiano di Tecnologia, będącego gospodarzem projektu COPMAT. „Dokładność tej metody, w połączeniu z dostępem do jednego z najlepszych superkomputerów na świecie, pozwoliła nam przeprowadzić obliczenia na poziomie do tej pory nieosiągalnym, a tym samym rzucić światło na rolę przepływów płynów w adaptacji organizmów żywych zamieszkujących głębiny”. Realizacja trwającego pięć i pół roku projektu COPMAT (Full-scale COmputational design of Porous mesoscale MATerials) zakończy się w 2023 r. Więcej informacji: strona projektu COPMAT
Słowa kluczowe
COPMAT, gąbka, Euplectella aspergillum, koszyczek Wenery, struktura, przepływ płynów
