Het energieverbruik van pompen kan mogelijk flink verlaagd worden door vloeistof gepulseerd rond te pompen, in het ritme waarin het hart bloed door ons lichaam pompt.
De mensheid pompt heel wat vloeistoffen en gassen rond. Van olie en gas voor de industrie door grote buizenstelsels tot water voor woningen door leidingen en verwarmingsbuizen. Dat kost veel energie. Volgens schattingen wordt ongeveer tien procent van de wereldwijde elektriciteitsproductie verbruikt door pompen.
Een groep onderzoekers, onder leiding van natuurkundigen Davide Scarselli en Björn Hof, van het Instituut voor Wetenschap en Technologie in Oostenrijk, beschrijven in een publicatie in vakblad Nature een techniek waarmee dat energieverbruik flink verlaagd kan worden. Ze lieten zich hiervoor inspireren door de manier waarop het hart bloed door de aorta pompt.
Heersen zwermen killerdrones straks over het slagveld?
Een luchtruim gevuld door kunstmatig intelligente killerdrones, die autonoom bepalen wie blijft leven en wie zal sterven. Hoe waarschijnlijk is dat?
Turbulentie
Dat het zo veel energie kost om vloeistoffen door buizen en leidingen te transporteren, komt doordat de vloeistoffen weerstand ondervinden van de wanden. Als een vloeistof traag stroomt, is dat niet zo’n probleem. Maar zodra je er wat vaart in brengt, gaat de vloeistof wervelen en kolken. Door die onrustige, turbulente stroming beweegt de vloeistof allerlei kanten op, in plaats van enkel in de gewenste richting. Dat veroorzaakt extra weerstand, waardoor een pomp harder moet werken om zo’n turbulente stroom vooruit te krijgen.
De huidige oplossingen om die turbulentie onder controle te krijgen, hebben elk hun eigen nadelen. Apparaten die actief de stroming sturen, kosten vaak meer energie dan ze opleveren. En het buisontwerp of de samenstelling van de vloeistoffen aanpassen, is duur en vaak lastig toe te passen.
Scarselli en Hof proberen daarom een nieuwe strategie. Daarvoor lieten ze zich inspireren door het hart. ‘Net als elk ander deel van ons lichaam is het menselijk hart gevormd door miljoenen jaren evolutie’, legt Hof uit. ‘In tegenstelling tot gewone mechanische pompen, die een constante vloeistofstroom creëren, pulseert het hart. We waren benieuwd of deze bijzondere vorm van voortstuwing een voordeel zou kunnen hebben.’
Pompen met rust
Pulserend pompen is al vaker onderzocht. De stroomversnellingen die telkens opnieuw ontstaan bij de pulsen blijken het ontstaan van turbulentie te vertragen en de wrijving met de wand te verlagen. De vertraging die volgt kan daarentegen, onder bepaalde omstandigheden, de wrijving juist verhogen. Het blijkt in de praktijk lastig om het pompen zo te pulsen dat het energiewinst oplevert.
De Oostenrijkse onderzoekers probeerden daarom iets nieuws. Ze namen pauze tussen de pulsen, zoals het hart ook doet. Deze strategie testten ze door met een zuiger water te pompen door een 1,2 meter lange buis met een diameter van een centimeter. In het water zagen ze zowel bij een continue stroom als bij het pulseren zonder pauze turbulentie ontstaan. Wanneer volgens het hartritme, met pauzes, gepompt werd, ontstond er geen turbulentie. Volgens de onderzoekers komt dit doordat de turbulentie tijdens de pauze tijd heeft om te verdwijnen. Daardoor is de versnelling van de daaropvolgende puls efficiënter.
Opschalen
Volgens de onderzoeker kan deze techniek een energiebesparing van 9 procent opleveren ten opzichte van een gelijkmatig aangedreven vloeistofstroom. Gezien de hoeveelheid energie die pompen nu gebruiken, is dat een flinke bijdrage.
Hoewel deze resultaten op kleine schaal in het lab veelbelovend zijn, valt het nog te bezien of dit in de praktijk ook opgaat. De druk die tijdens de pomppulsen op wanden van industriële buizen zal komen te staan, is bijvoorbeeld aanzienlijk. ‘Er is werk aan de winkel voordat dergelijke besparingen kunnen worden gerealiseerd’, schrijft vloeistofdynamica-onderzoeker Angela Busse, van de Universiteit van Glasgow, in een bijbehorend commentaar in Nature. Onderzocht zal moeten worden of het principe op te schalen is, en of het ook werkt in complexere buizenstelsels met bochten, versmallingen en vertakkingen, aldus Busse.
