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Ci vuole un ladro per prendere un ladro: imparare dalla natura a conoscere i flussi turbolenti multiscala

È stato dimostrato che la porosità frattale all’origine di un efficiente processo di convezione che crea un effetto rinfrescante è in grado di valorizzare l’ombra creata dagli alberi rispetto all’ombra “normale”. Il progetto MULTISOLVE, finanziato dall’UE, ha svelato alcuni segreti della natura per una nuova classe di flussi turbolenti.
Ci vuole un ladro per prendere un ladro: imparare dalla natura a conoscere i flussi turbolenti multiscala
Il raggiungimento di uno sviluppo sostenibile richiede un urgente bisogno di nuove tecniche in grado di garantire l’efficienza e l’ecosostenibilità dei prodotti e dei processi produttivi. Il design svolge un ruolo estremamente importante nella realizzazione di queste innovazioni necessarie, grazie alla sua capacità di massimizzare l’energia in ingresso e di ridurre, nel contempo, la produzione di inquinanti. Fortunatamente, l’evoluzione naturale offre ai progettisti modelli validi dai quali poter partire.

Il progetto MULTISOLVE, finanziato dall’UE, ha analizzato attentamente i meccanismi della natura, specialmente in riferimento alle geometrie frattali, per cercare ispirazione per la creazione di una nuova classe di flussi turbolenti multiscala. Ciò che rende i risultati particolarmente interessanti è la loro capacità di trovare applicazione in un’ampia gamma di settori industriali, tra cui il settore della miscelazione, aeronautico, automobilistico, della generazione di energia e dell’ingegneria del vento.

Il potere delle geometrie frattali

Nell’ultimo decennio la ricerca ha dimostrato l’ambito di utilizzo delle geometrie frattali per il controllo delle turbolenze e dei flussi. In qualità di membro del team MULTISOLVE e di principale sostenitore del metodo, il professor Christos Vassilicos spiega: “In parole semplici, ci vuole un ladro per prendere un ladro: è questo il principio alla base dei flussi turbolenti che presentano di per sé una natura frattale. Una maggiore comprensione dell’influenza esercitata dal design frattale sui flussi, che è possibile osservare sistematicamente in natura, offre informazioni preziose in termini di progettazione, consentendoci di tenere conto di benefici noti.” Grazie a questa metodologia, il team è stato in grado di dimostrare, sul piano sia sperimentale sia informatico (attraverso la modellizzazione), la possibilità di generare turbolenze su misura che aumentano il rendimento e l’efficacia di un’ampia gamma di processi.

Uno dei più promettenti ambiti di applicazione è rappresentato dal potenziamento del processo di miscelazione. Come spiega il professor Vassilicos, si tratta di un risultato importante dal momento che “Spesso non ci si rende conto del livello di pervasività raggiunto dalla miscelazione nelle nostre industrie, che si tratti di reattori chimici, di bioreattori o di processi di combustione. La vasta gamma di utilizzi e il nostro grado di dipendenza dal livello di efficacia di tale processo, in termini di energia in ingresso, qualità della miscela, velocità e costi, registrano attualmente un peso enorme.”

Anche se l’iniziativa MULTISOLVE si occupava principalmente di flussi turbolenti nell’aria e nell’acqua, i lavori hanno condotto a successivi sviluppi (nell’ambito di un altro progetto) relativi ai fluidi viscoelastici (p. es. cioccolato) che hanno dimostrato la capacità delle pale di miscelazione, progettate in base ai principi frattali, di dimezzare i tempi del processo. La correlazione diretta tra tempi di produzione e costi ha fatto sì che questo progresso tecnologico suscitasse un notevole interesse da parte del settore industriale.

Un altro straordinario ambito di applicazione riguarda la progettazione di pale in grado di funzionare all’interno di correnti di aria, come ad esempio le turbine eoliche, che rappresentano una fonte di energia sempre più utilizzata in Europa. Al fine di preservare la propria solidità, lo spessore dei bordi di attacco delle pale non può essere pari a zero, in quanto tale condizione indebolirebbe il punto di interazione tra la pala e l’asse, causandone un ripiegamento e il conseguente aumento della resistenza. Per ovviare a tale inconveniente, l’industria provvede spesso a ridurre la lunghezza della pala che, a sua volta, determina un aumento della resistenza al vento e la conseguente riduzione del livello di efficacia.

Come spiega il prof. George Papadakis, coordinatore del progetto, la soluzione offerta dall’iniziativa MULTISOLVE consisteva “Nell’utilizzare il design frattale allo scopo di creare un bordo di attacco corrugato. Tale accorgimento consente di ridurre la resistenza al vento e di aumentare l’efficacia delle pale preservandone nel contempo la robustezza.” È stata inoltre dimostrata la capacità del design frattale di ridurre l’inquinamento acustico, specialmente nel caso delle ali degli aeromobili. Un aspetto fondamentale del metodo MULTISOLVE consiste nella necessità di potenziare i singoli componenti interessati.

L’eventualità di un’immissione in mercato di questa tecnica ha spinto il team MULTISOLVE a concentrarsi su un numero limitato di applicazioni per la conduzione di prove potenziate e rilevanti per il settore industriale. Tuttavia, come spiega il prof. Vassilicos, il passaggio dal laboratorio al mercato impone alcune sfide, tra cui il fatto che “Lo scarto temporale tra la ricerca accademica, che presenta tipicamente una natura più generica, e le specifiche applicazioni industriali potrebbe richiedere anche alcuni anni, dal momento che il settore industriale è costretto a operare con numerosi vincoli di carattere socioeconomico. Il segreto consiste nel rispettare le differenze e nel lavorare insieme su innovazioni reali.

Argomenti

Life Sciences

Keywords

MULTISOLVE, flusso turbolento, nanotecnologie, turbine eoliche, pale di miscelazione manufatte, ali di aeromobili, alette, design frattale, generazione di energia, scambio di calore, fluidi viscoelastici