Biyomimikri Yenilenebilir Enerjilerde Devrim Yaratabilir Mi?

18 May 2017

Doğa binlerce yıldır bilim insanlarına ilham kaynağı oldu ve yaratıcılığın gündeminde bu kez yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynakları var. Doğal yapıların veya süreçlerin taklidi olan biyomimikri, aerodinamik araç ve bina tasarımından gelişmiş yüzey membranlarına kadar pek çok alanda bir takım teknolojik gelişmeleri sağladı. Bu, büyümeye devam eden ve enerji sektörüne de sunacak çok faydası olan bir alan. Örneğin, güneş enerjisi teknolojisi yaprak ve bitki sistemlerine çok şey borçludur; araştırmacılar havanın aerodinamik direncinin rüzgâr türbini kanatlarını nasıl etkilediği konusunda balinalar ve sinek kuşlarından dersler almaya devam etmektedir.

Peki hangi yeni teknolojiler biyomimikriden besleniyor?

Kambur Balina Yüzgeçleri Kanat Türbülansını Azaltıyor

Kambur balinalar, boyutlarını gizleyen bir zarafetle suyun içinde ilerler, suyun direncini en aza indirgemek ve kontrolü artırmak için yüzgeçlerini eğer. İlk bakışta bir balinanın ve bir rüzgâr türbininin hareketleri ilgisiz gözükse de, bu dev memeliler yenilenebilir teknolojide bir atılımın ilham kaynağı olmuştur.

Bu balina türleri, türbülansı azaltan, yumrularla dolu, tüberkül adı verilen, taraklanmış kenarlı kuyruğa sahiptir. West Chester Üniversitesi'ndeki bilim adamları, taraklı yapıda kanatları olan bir türbinin 17mph'de ve 10mph'de aynı enerjiyi üretebildiğini göstermek için bu tüberkülleri bir takım fanlar ve türbinler üzerinde taklit etti.

Tüberküller, rüzgâr türbininin dönme açısını yaklaşık %40 artırdığı için hava direncini düşürür. Araştırmalar, bir gün, tarak kanatlı rüzgâr türbinlerinin, düşük rüzgâr hızlarından dolayı daha önce elverişsiz bulunduğu alanlarda etkin şekilde çalışabileceğini ümit ediyor.

Eğrelti Otu Yaprakları Enerji Depolama İçin İpuçları Sunuyor

Yapraklar, doğanın enerji üretim tesisleridir ve güneşten enerjinin tutularak depolanmasını sağlayan çok verimli bir modele sahiptir. Bu yönüyle yapraklar, enerji depolaması konusundaki araştırmalara ilham verir. Son zamanlarda yapılan araştırmaların biri, Avustralyalı RMIT Üniversitesi'nde gerçekleştirildi; burada bir ekip, mevcut depolama teknolojilerinin kapasitesini %3000 oranında artırabilecek yeni bir elektrot türü geliştirmek için eğrelti otu yaprak yapılarını kullandı.

            

Yapay Zeka Nanofotonik Laboratuarı'nın yöneticisi Profesör Min Gu ve araştırma yenilik girişimcilikten sorumlu yardımcısı, "Eğrelti otu yaprakları enerji depolamayı ve suyu bitkinin her yerine taşımayı son derece verimli hale getiren çok sık, yoğun bir şekilde lifli damarlarla doludur. Elektronumuzun temelinde, kar küreleri içindeki minik yapılar gibi kendi kendini kopyalayan bu fraktal şekiller vardır ve bu verimli tasarımı kullanarak güneş enerjisi depolama alanını nano seviyede geliştirdik" dedi.

Bu araştırma hala görece olarak erken bir aşamadadır, ancak RMIT ekibi esnek, ince yapıda, güneş ışınını tutan ve depolayan bir teknoloji geliştirmeyi hedeflemektedir. Başarılı olursa, bu grafit elektrotlar, otomobillerden telefonlara kadar pek çok alanda enerjiyi yakalamak ve depolamak için süper kapasitörler ile birlikte kullanılabilir.

Sinek Kuşları Enerji Verimliliği Ustası

Rüzgâr türbinleri dünya çapında yaygınlaşmakta ve karakteristik türbin kanatları, manzaranın doğal bir parçası olarak kanıksanmaktadır. Bir firma, enerjiyi daha verimli bir şekilde kullanmak için saniyede 50 ile 200 kez kanat çırpabilen sinek kuşunu taklit ederek tüm formu yeniden tasarladı.

           

TYER Rüzgâr, bir sinekkuşunun hareketini analiz etmek ve simüle etmek için biyofizikten yararlandı, daha sonra doğrusal hareketin dönel harekete dönüşmesini sağlayan Aouinian 3D kinematiği uyguladı. Bu anlayışa dayanarak, Tunus’ta start-up dikey eksenli rüzgâr dönüştürücüsü inşa etti, Bu rüzgâr dönüştürücüsü klasik dönel hareket yerine kanatlarını rüzgârla çırpan bir sinekkuşu hareketi ile çalışıyor.

Türbinlerin hem yukarı hem aşağı hareketi, sürtünmeyi sınırlarken verimliliklerini en üst düzeye çıkararak enerjiye dönüştürülebilen hareketi yaratır. Bu da, türbinlerin yüksek rüzgâr hızlarında performans gösterebilmeleri ve geleneksel türbinlere göre daha sık konumlandırılabilmeleri avantajlarını sağlar. Tek bir direğe birden fazla kanat takımı takmak bile mümkündür. Bu türbinler verimlilikte bir azalma olmaksızın daha küçük bir kanat döngü alanı sağlar. Büyük ölçeklerde her ne kadar deniz üzerinde inşa edilen rüzgâr çiftlikleri ile boy ölçüşemeyecek olsa da biyomimikal olarak geliştirilmiş kanatlı bu sistemlerin şebekeden bağımsız küçük rüzgâr enerjisi istasyonlarına dönüşebilmesi tamamen mümkündür.

Yosun Kaynaklı Hidroelektrik Enerji

Avustralya'daki Port Fairy sahilinde, BPS'nin bioWAVE projesi, dalgaların hareketi ile şebeke elektriği niteliğine sahip enerji üretmek için deniz yosunu ve diğer su altı bitkilerini taklit ediyor.

BioWAVE ünitesi denizin altına indirilir ve deniz tabanına sabitlenir. Okyanusun kabarması (med) ile başlayan hareketin bileşke kuvveti, bir eksen üzerinde dönen hava dolu silindirleri harekete geçirir. Daha sonra bunlar, enerjiyi üreten BPS'nin kendi güç dönüştürme modülü O-Drive’a akışkanı iter. O-Drive, hidroelektrik santralinin düzensiz çalışması ile başa çıkmak için özel olarak tasarlanmıştır. Enerji, daha sonra denizaltı kablolarıyla yakınlardaki yerleşim yerlerinde evlere ve işyerlerine aktarılır.

              

BioWAVE konvansiyonel dalga enerji tasarımlarından çok daha hafif ve modüler olduğu için daha ucuzdur ve kurulumu daha kolaydır. Ayrıca, pek çok alternatifin aksine, gücü yerinde dönüştürür.

Hırçın denizler ve fırtınalar sırasında kendisini korumak için bioWAVE'nin ayrıca, hava dolu büyük tankları, üniteyi sabitlemek için deniz tabanına karşı düz bir şekilde uzandığı bir 'yatırma' modu bulunmaktadır.

Daha sonra dünya çapında kullanımı beklenen proje henüz BPS'nin Avustralya çapında uyguladığı bir prototip.

Balık Sürüleri Organizasyonu Öğretiyor

Sadece teknoloji değil; biyolojik taklidiyle uygulamalar da gelişiyor. California Teknoloji Enstitüsü Merkezi Biyoteknoloji Mühendisliği (Caltech), en küçük alanından elde edilen potansiyel enerjiyi en üst düzeye çıkarmak için balık akımları oluşumlarının rüzgâr türbinlerinin düzenlenmesine uygulanıp uygulanamayacağını araştırıyor.

               

Bir balık yüzerken, girdaplar çizer, dönel alanlar etrafında hareket eder. Balıklar sürü içinde yüzdüklerinde, daha az enerji harcadıkları için bu girdapları avantaj olarak kullanır.

Bu prensip, dikey eksenli rüzgâr türbinlerinde, türbinler tarafından oluşturulan girdapların sürtünmeyi artıran olumsuz bir faktör olması karşısında, çevrelerine yardım etmeye yarayan bir unsur olabileceğini irdelemek için uygulanmaktadır. Caltech bilim insanları türbinlerin yapısal aerodinamik etkileşim yaratacak şekilde yeniden düzenlenmesiyle enerji verimliliğini artıracaklarına inanıyor.