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Giornata globale del vento 2020: se esiste è grazie agli uccelli e ai pesci

ULTIMO AGGIORNAMENTO 19:54
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In occasione della Giornata globale del vento 2020, l’evento annuale che celebra l’energia eolica, vogliamo parlare di chi ci ha ispirato l’idea geniale.

Giornata globale del vento 2020
Giornata globale del vento 2020: celebriamo coloro che ce l’hanno ispirata (Foto Unsplash)

Nel 2008, John Dabiri, ora professore a Stanford (ma allora insegnava a Caltech), stava tenendo un corso sulla meccanica del nuoto e del volo degli animali quando l’ispirazione lo colpì. La lezione del giorno era sul comportamento collettivo: gruppi di pesci e uccelli che si muovevano all’unisono. Dabiri si chiese se tali comportamenti potessero applicarsi in altri campi. Questa è stata più o meno la genesi di un nuovo sviluppo, molto più avanzato, dell’utilizzo dell’energia eolica.

L’energia eolica ha uno dei più bassi impatti ambientali rispetto a qualsiasi altra fonte di trasformazione di elettricità. A differenza delle fonti convenzionali, l’energia eolica riduce significativamente le emissioni di carbonio, risparmia miliardi di litri d’acqua all’anno e riduce l’inquinamento che crea smog e scatena attacchi di asma. I parchi eolici lasciano anche la stragrande maggioranza dei terreni su cui sono costruiti indisturbati, permettendo agli animali non soltanto di vivere in pace, ma anche di non perdere i loro habitat originali. Tutto può rimanere perfettamente com’è, senza alterare di una virgola gli ecosistemi. Non si tratta solamente di una preziosissima fonte di benefici per l’uomo, ma anche di una sorgente pulita e perfettamente sicura che non disturba la natura e tutti gli esseri viventi.

Inoltre, in occasione della Giornata globale del vento 2020, vogliamo raccontarti di come sono stati alcuni animali a ispirare l’evoluzione di questa fonte di energia pulita e rinnovabile, dando l’idea a noi esseri umani un po’ “tontoloni”. Se non fosse stato per gli uccelli e i pesci, e per il modo in cui sono loro per primi a saper utilizzare le correnti per muoversi, tutto questo non si sarebbe mai realizzato.

Se non fosse stato per gli uccelli e i pesci, non ci sarebbe nessuna Giornata globale del vento 2020

Giornata globale del vento 2020
Giornata globale del vento 2020: se non fosse stato per loro non ci sarebbe (Foto Unsplash)

Stavo cercando un modo per entrare nelle energie rinnovabili e ho pensato che avrei potuto usare questa conoscenza per migliorare i parchi eolici, ricorda John Dabiri, aggiungendo: I gruppi di animali hanno questo effetto “tutto è maggiore delle parti” in cui gli animali che fanno da apripista creano correnti d’aria o d’acqua che facilitano il volo o il nuoto di coloro che stanno dietro. Queste correnti trascinano davvero tutto lo stormo o il banco. 

Gli esempi sono abbastanza familiari in natura. Un banco a forma di diamante di esemplari di pesce che attraversa il mare. Uno stormo di oche a forma di V si dirige verso sud per l’inverno. Il fenomeno è persino familiare ai fan della bicicletta e delle corse automobilistiche. Il leader taglia il vento e quelli dietro il cosiddetto “slipstream” lo fanno più facilmente.

Negli anni trascorsi dalla sua epifania, Dabiri ha alimentato il suo brainstorming e oggi trova il suo lavoro oggetto di molta attenzione. Recentemente, ha ricevuto una sovvenzione di due milioni di dollari dalla Fondazione Gordon e Betty Moore per l’installazione di un prototipo di parco eolico nel villaggio sul lago di Igiugig, nell’Alaska rurale.

Spese esorbitanti

Giornata globale del vento 2020
Giornata globale del vento 2020: gli uccelli sono stati fondamentali (Foto Unsplash)

Igiugig (pronunciato Ig-ee-Aw-gig) è un banco di prova perfetto per un progetto di energia rinnovabile come questo. La comunità attualmente alimenta la sua rete elettrica con generatori diesel il cui combustibile deve essere trasportato a spese esorbitanti. Il costo dell’elettricità a Igiugig è compreso tra le cinque e le sei volte rispetto agli Stati Uniti continentali.

Il suo parco eolico non dovrà sostenere l’intero carico di energia, dice Dabiri, ma sarà integrato da un sistema di generazione idrocinetica e integrato da unità di accumulo della batteria. L’obiettivo a lungo termine è che Igiugig (e infine altri villaggi remoti in tutto il mondo) si auto – alimentino esclusivamente con elettricità ventiquattr’ore su ventiquattro, sette giorni su sette, proveniente da fonti energetiche rinnovabili.

Il parco eolico che Dabiri ha pianificato per Igiugig non sarà la varietà più immaginabile quando pensano all’energia eolica con turbine simili a eliche alte trecento piedi. Piuttosto, ha scelto di usare turbine ad asse verticale molto più corte di trenta piedi, le cui pale assomigliano a quelle di una mietitrice di grano girata su un lato.

A livello visivo, le turbine ad asse verticale sono molto meno imponenti, molto meno dirompenti per il tipo di natura incontaminata che gli Igiugigiani chiamano casa. Sebbene l’aspetto sia una cosa importante, anche le turbine ad asse verticale presentano altri vantaggi, afferma Dabiri.

Non è necessario puntarli nella direzione del vento in arrivo. Inoltre, sono molto più semplici da utilizzare e meno costosi da riparare, perché il generatore e i componenti sono molto più vicini al suolo, afferma.

Nonostante questi ovvi vantaggi, le turbine ad asse verticale sono cadute in disgrazia a causa della loro efficienza relativamente bassa e dei complessi schemi di turbolenza che creano.

Bio-ispirazione

Giornata globale del vento 2020
Giornata globale del vento 2020: la natura ci insegna grandi cose (Foto Unsplash)

Indipendentemente dal fatto che i parchi eolici optino per turbine orizzontali o verticali, tutti affrontano una sfida fondamentale: le turbine al vento assorbono energia dal vento, riducendo l’efficienza delle turbine a valle fino al quaranta percento. Per massimizzare l’efficienza, la maggior parte dei moderni parchi eolici deve posizionare le turbine abbastanza distanti e arrivare a dominare grandi tratti di terra nel processo.

Questo enigma del design è ciò che Dabiri spera di risolvere rivolgendosi a uccelli e pesci. Sebbene il suo progetto in Alaska sia ancora in fase di sviluppo, il team di Dabiri ha testato una manciata di turbine per vedere se sarebbero sopravvissute al rigido inverno in Alaska. La prossima estate installeranno una mezza dozzina di turbine. Alla fine, Dabiri spera di installare trenta o più turbine, tutte strategicamente posizionate secondo i suoi modelli bio-ispirati per ottenere tutti i vantaggi che il vento ha da offrire.

La scienza della turbolenza è conosciuta come meccanica dei fluidi, e la fisica dietro il nuoto e il volo degli animali è stata studiata per decenni usando concetti della meccanica dei fluidi. Ogni movimento della coda di pesce, ogni battito delle ali di un’oca crea disturbi nell’acqua o nell’aria (il fluido) attraverso cui si muove il soggetto. Ciò provoca la fuoriuscita dell’acqua o dell’aria in trascinamento in piccoli vortici, noti come vortici.

I pesci e gli uccelli alla fine beneficiano innanzitutto del fatto di non dover attraversare fluidi indisturbati. Non solo sperimentano meno attrito, ma, se posizionati correttamente, trovano effettivamente il nuoto o il volo più facili quando vengono trascinati dai vortici. I vortici vorticosi nell’acqua creano una corrente aggiuntiva che sposta in avanti il ​​pesce (o le oche nell’aria).

Al suo livello base, i modelli di meccanica dei fluidi mostrano come, con una singola turbina, l’aria direttamente dietro di essa possa essere più lenta perché la turbina preleva energia dall’aria. In alcune aree del flusso, tuttavia, la velocità del vento aumenta effettivamente e questo è il punto in cui si desidera posizionare altre turbine. Si nutrono a vicenda, spiega Dabiri.

Alla ricerca dell’ideale

Giornata globale del vento 2020
Giornata globale del vento 2020: quello che dobbiamo fare è seguire la corrente (Foto Unsplash)

Dato che il campo è ancora nella sua nascita, la disposizione ideale di un parco eolico rimane una questione di studio in corso, secondo Dabiri. L’obiettivo finale è quello di ridurre il costo dell’energia eolica, che può essere raggiunto in parte ottenendo più energia da una determinata area di terra.

I suoi progetti iniziali erano basati sui modelli a forma di diamante comuni nelle scuole di pesci, ma da allora lui e altri sul campo si sono ramificati. Un layout accoppia le turbine che ruotano in direzioni opposte. Un altro sistema le turbine in triplette triangolari, che ruotano tutte nella stessa direzione. Ancora un altro sistema le turbine in un modello frattale che genera risultati molto buoni, secondo Dabiri.

C’è ancora molto lavoro da fare. Stiamo appena iniziando a grattare la superficie qui, afferma.

Ad aiutarlo lungo la strada sono i membri della facoltà di Stanford Engineering Ram Rajagopal, Arun Majumdar e Catherine Gorle, che stanno lavorando a soluzioni energetiche, compresi i concetti di reti intelligenti, in particolare nei dintorni urbani dove le grandi turbine non funzionano.

Un altro stretto collaboratore è Sanjiva Lele, esperta nella modellistica computazionale della turbolenza. Lele è noto soprattutto per modellare la turbolenta turbolenza dei motori a reazione, ma da allora ha portato la sua esperienza per migliorare la progettazione dei parchi eolici. Lo spirito collaborativo e multidisciplinare è una cosa che ha attratto Dabiri a Stanford.

Stanford ha una forte esperienza nella scienza computazionale e in altre discipline complementari alla nostra ricerca teorica e sperimentale, ha affermato. È davvero importante avere queste partnership.

Ad esempio, Sanjiva e io stiamo cercando di ottimizzare i parchi eolici che integrano le turbine tradizionali alte con nuovi design più corti, utilizzando una combinazione di strumenti computazionali sviluppati nel suo laboratorio e nuove tecniche che abbiamo creato per condurre misurazioni del flusso nei nostri campi. La necessità di ottimizzare i parchi eolici diventerà più pronunciata in futuro con l’aumentare delle dimensioni delle aziende agricole. Avere quella competenza così vicina è una risorsa enorme. 

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Simona Strani