Bombeamento fica mais eficiente com bomba pulsante inspirada no coração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2023

A bomba primeiro acelera rapidamente a água e depois a desacelera, seguindo-se uma fase de repouso sem bombeamento, diminuindo o movimento turbulento. Este movimento de bombeamento é inspirado no formato do pulsar do coração humano.
[Imagem: D. Scarselli et al. - 10.1038/s41586-023-06399-5]

Eficiência no bombeamento

O bombeamento de líquidos, seja petróleo por um oleoduto ou a água em nossas casas, pode parecer um problema resolvido, mas a otimização desse processo ainda é uma área de pesquisa ativa.

Forçar fluidos através de sistemas, dos mais simples aos mais complexos, consome entre 10 e 15 por cento do fornecimento mundial de eletricidade. Assim, qualquer ganho obtido tem potencial para gerar economias de energia muito significativas.

Davide Scarselli e colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria mostraram agora como uma técnica de bombeamento pulsado - em vez de contínuo - permite reduzir o atrito e o consumo de energia do bombeamento.

"Ao longo dos anos, pesquisadores e engenheiros têm tentado tornar o bombeamento de fluidos mais eficiente," disse Scarselli. "Embora muitas soluções estejam sendo simuladas ou testadas em laboratório, 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."

Para isso, eles foram buscar inspiração em um sistema de bombeamento intimamente familiar a todos, o coração humano, que parecia ser um bom ponto de partida porque ele tem o benefício de milhões de anos de evolução.

Assim, em vez de alterar a composição dos tubos para reduzir o atrito entre o líquido em movimento e as paredes dos tubos, a equipe tentou uma abordagem diferente. "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," justificou o professor Björn Hof.

• Criado líquido que se move por conta própria, sem bombeamento

Uma folha de luz laser através do tubo transparente é refletida por pequenas partículas na água, tornando visíveis as correntes rodopiantes.
[Imagem: Thomas Zauner/ISTA]

Bombas pulsadas

Para verificar sua teoria, a equipe criou um grande conjunto de tubos transparentes, dos mais diversos diâmetros e comprimentos, para estudar em detalhes os turbilhões e redemoinhos que quebram o que deveria ser um fluxo contínuo e estável de fluido dentro dos canos. Esses turbilhões e redemoinhos formam a turbulência, criando grande parte do atrito entre o líquido e as paredes do tubo, custando energia para serem vencidos - a mesma equipe já havia demonstrado que domar a turbulência dentro dos canos reduz em 95% a energia gasta no bombeamento.

Desta vez, eles tornaram a turbulência visível adicionando minúsculas partículas reflexivas à água e lançando um laser através do tubo transparente. "O laser dispara luz através do tubo em uma folha horizontal e é refletido pelas partículas. Nós então tiramos fotos que podem ser usadas para detectar se o fluxo era turbulento ou laminar - este último significando sem turbilhões e redemoinhos," explicou Scarselli.

Em seguida, o pesquisador testou vários modos de bombeamento pulsante, alguns deles acelerando a água lentamente no início e depois parando rapidamente, enquanto outros faziam o contrário. "Tipicamente, 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 - assim como o coração humano faz - obtivemos resultados muito melhores," contou o professor Hof.

A turbulência no tubo diminuiu drasticamente: Para um movimento de bombeamento pulsante otimizado, semelhante ao do coração humano, os pesquisadores mediram uma diminuição de 27% no atrito médio e uma redução de 9% na energia consumida pelas bombas.

"Embora tenhamos demonstrado resultados promissores em laboratório, as aplicações da 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 nas paredes dos tubos ou a instalação de atuadores. Esperamos que outros cientistas aproveitem nossos resultados para explorar essas soluções inspiradas na natureza para aplicações industriais," concluiu Scarselli.

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