Câmeras de alta velocidade revelam comportamento de microplásticos em águas turbulentas

Os microplásticos são um problema global: eles acabam em rios e oceanos, eles se acumulam em organismos vivos e perturbam ecossistemas inteiros. Como partículas minúsculas se comportam em uma corrente é difícil de descrever cientificamente, especialmente no caso de fibras finas, que compõem mais da metade da contaminação por microplásticos em formas de vida marinha. Em correntes turbulentas, é quase impossível prever seu movimento.

Cientistas da TU Wien (Viena) agora conseguiram caracterizar o comportamento dessas fibras microplásticas em experimentos em um fluxo de canal com a ajuda de câmeras de alta velocidade. Isso agora deve formar a base para novos modelos que podem ser usados ​​para prever a disseminação de microplásticos globalmente.

Os resultados foram publicados na revista Cartas de revisão física.

Fibras pequenas e curvas

“A maneira como as partículas microplásticas se movem, se dispersam e se acomodam depende de sua dinâmica rotacional”, explica Vlad Giurgiu, primeiro autor da publicação atual e aluno de doutorado na equipe do Prof. Alfredo Soldati na TU Wien.

“Isso é fácil de analisar no caso de partículas quase esféricas. Mas, geralmente, os microplásticos são fibras alongadas e curvas.” Nesse caso, ocorrem efeitos complicados: as fibras podem girar em todas as três direções espaciais, e essa rotação também influencia sua interação com o fluxo circundante.

“Em um fluxo laminar perfeitamente uniforme, seríamos capazes de prever teoricamente o comportamento de objetos simples, como esferas ou elipsoides”, diz Marco De Paoli, que colabora com a equipe do Instituto de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor da TU Wien.

“Mas no mundo real, você não está lidando com fluxos perfeitamente laminares nem com partículas perfeitamente simétricas. Em vez disso, turbulência e formas complexas estão presentes, o que influencia significativamente o transporte das partículas. Isso torna as previsões teóricas impossíveis.”

O que exatamente acontece é difícil de calcular. “Já houve várias simulações de computador, mas elas dependem de modelos simplificados para descrever o comportamento da fibra”, diz Giurgiu. “Você, portanto, precisa de dados experimentais com os quais pode comparar e melhorar esses modelos teóricos.”

Precisamente esse tipo de dado pode ser obtido no Canal de Água Turbulenta da TU Wien, localizado no Arsenal Science Center (Viena). Fluxos controlados podem ser gerados em um comprimento de caminho de 8,5 metros. Pequenas fibras microplásticas curvas com um comprimento de 1,2 milímetros foram introduzidas na água e expostas a um fluxo turbulento.

Seis câmeras veem mais do que duas

A equipe instalou seis câmeras especiais logo acima da superfície da água: a uma frequência de 2.000 imagens por segundo, eles coletaram imagens de alta resolução das partículas microplásticas na corrente. A posição tridimensional e a orientação de cada partícula microplástica individual podem então ser computadas pela análise dessas imagens.

“Teoricamente, isso também funcionaria com apenas duas câmeras, mas com seis câmeras, os dados são ainda mais confiáveis ​​e precisos, especialmente quando a concentração de partículas é alta”, explica Giuseppe Carlo Alp Caridi, coautor do estudo e chefe de Reconstrução Óptica no Instituto de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor da TU Wien.

Dessa forma, uma grande quantidade de dados pode ser extraída sobre o movimento de centenas de milhares de partículas microplásticas e então analisadas estatisticamente. “Por exemplo, descobriu-se que as fibras mostram um comportamento completamente diferente perto de uma parede do que no meio do fluxo de água, bem longe das paredes”, explica Giurgiu.

Isso significa que dados confiáveis ​​estão agora disponíveis pela primeira vez para validar modelos de cálculo teórico sobre o comportamento de tais partículas. No futuro, também deve ser possível prever a propagação de fibras microplásticas em larga escala.

“Imagine que você tem um navio que pode filtrar microplásticos da água do mar”, diz De Paoli. “Então você precisa saber para onde enviar melhor esse navio — afinal, o oceano é realmente grande. Se você entender o comportamento das partículas precisamente, então a resposta pode ser calculada com grande confiabilidade.”