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O bombeamento de líquidos pode parecer um problema resolvido, mas a otimização do processo ainda é uma área de pesquisa ativa. Qualquer aplicação de bombeamento – desde escalas industriais até sistemas de aquecimento doméstico – beneficiaria de uma redução na procura de energia. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) mostraram agora como o bombeamento pulsado pode reduzir o atrito e o consumo de energia do bombeamento. Para isso, inspiraram-se num sistema de bombeamento intimamente familiar a todos: o coração humano.
De acordo com um estudo internacional, quase vinte por cento da energia eléctrica global é utilizada para bombear líquidos – desde aplicações industriais de bombeamento de petróleo e gás até instalações de aquecimento que bombeiam água quente em residências privadas. Uma equipa de investigadores composta por Davide Scarselli e Björn Hof, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), procurou uma forma de reduzir estas necessidades energéticas, inspirando-se na natureza. Num novo estudo, agora publicado na revista científica Naturezaeles mostraram que bombear líquidos através de um tubo em pulsos – assim como o coração humano bombeia sangue – pode reduzir o atrito no tubo e, portanto, também a energia consumida.
Fricção Turbulenta
“Ao longo dos anos, pesquisadores e engenheiros têm tentado tornar o bombeamento de fluidos mais eficiente”, diz Davide Scarselli, primeiro autor do estudo. “Embora muitas soluções estejam sendo simuladas ou testadas em laboratórios, elas geralmente são muito complexas e, portanto, muito caras para serem implementadas em aplicações industriais reais. Estávamos procurando uma abordagem que não exigisse mudanças estruturais complicadas na infraestrutura, como sensores e atuadores. “
Em vez de alterar a composição dos tubos para reduzir o atrito entre o líquido em movimento e as paredes dos tubos, os cientistas tentaram uma abordagem diferente. “Como qualquer parte do nosso corpo, o coração humano foi moldado por milhões de anos de evolução”, explica Björn Hof, professor da ISTA. “Ao contrário das bombas mecânicas comuns, que criam um fluxo constante de líquido, o coração pulsa. Estávamos curiosos para saber se poderia haver uma vantagem nesta forma peculiar de propulsão.”
Para tanto, Scarselli e seu colega Atul Varshney criaram diversas configurações experimentais utilizando tubos transparentes de diferentes comprimentos e diâmetros por onde bombeavam água. “A linha de base para nossos experimentos foi um fluxo constante de água, onde redemoinhos e redemoinhos se moviam caoticamente enquanto eram empurrados através do cano”, conta Scarselli. Esses redemoinhos e redemoinhos são chamados de turbulência e criam grande parte do atrito entre o líquido e as paredes do tubo, custando energia para serem superados.
Os pesquisadores tornaram a turbulência visível adicionando minúsculas partículas reflexivas à água e lançando um laser através do tubo transparente. Scarselli acrescenta: “O laser dispara luz através do tubo em uma folha horizontal e é refletido pelas partículas. Em seguida, tiramos fotos que poderiam ser usadas para detectar se o fluxo era turbulento ou laminar – o último significando sem redemoinhos e redemoinhos.”
Reduzindo o atrito descansando
Em seguida, os cientistas tentaram vários modos de bombeamento pulsante. Alguns modos de pulso acelerariam primeiro a água lentamente e depois a parariam rapidamente, enquanto outros fariam o contrário. Hof explica os resultados: “Normalmente, a pulsação aumentava o arrasto e a energia necessária para o bombeamento, o que não era o que procurávamos. No entanto, quando introduzimos uma curta fase de repouso entre os pulsos, onde a bomba não empurra a água – apenas como o coração humano faz – obtivemos resultados muito melhores.”
Com essas fases de repouso entre os pulsos de bombeamento, a quantidade de turbulência na tubulação diminuiu drasticamente. “Durante a fase de repouso, os níveis de turbulência são reduzidos e tornam a fase de aceleração subsequente muito mais eficaz na redução do atrito”, acrescenta Scarselli.
Para um movimento de bombeamento pulsante otimizado, semelhante ao do coração humano, os pesquisadores encontraram uma diminuição de 27% no atrito médio e uma redução de 9% na demanda de energia. “A redução do atrito e das flutuações turbulentas é claramente vantajosa no contexto biológico porque evita danos às células sensíveis ao estresse de cisalhamento que constituem a camada mais interna dos nossos vasos sanguíneos. Poderíamos potencialmente aprender com isso e explorá-lo em aplicações futuras “, explica Hof.
Scarselli acrescenta: “Embora tenhamos demonstrado resultados promissores no laboratório, as aplicações de nossa pesquisa no mundo real são menos diretas. As bombas teriam que ser reformadas para produzir esses movimentos pulsantes. No entanto, isso ainda seria muito menos dispendioso do que modificações no paredes de tubos ou instalação de atuadores. Esperamos que outros cientistas aproveitem nossos resultados para explorar essas soluções inspiradas na natureza para aplicações industriais.”
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