3D tiskana kliješta škampa proizvode plazmu ispod vode
Priroda je puna zanimljivih rješenja
Razvijajući novu metodu podvodne proizvodnje plazme, znanstvenici su iskoristili tehnologiju 3D tiskanja kako bi napravili kopiju oblika kliješta određene vrste škampa i načina na koji ona rade.
Kako navodi Science Advances, ovo bi otkriće moglo dovesti do znatnih napredaka u razvoju sterilizacije vode, bušenja i sličnih procesa. Kada škampi pucavci stisnu svoja kliješta, tada iz njih ispucavaju mlaz vode koji je dovoljno brz da proizvede mjehurić koji kada pukne proizvodi glasan zvuk i emitira svjetlost. Visoki tlak i temperature koje nastaju tijekom ovog procesa rezultiraju formacijom plazme.
„Općenito, kada pogledamo prirodu, pritisak evolucije čini situaciju takvom da je priroda jako učinkovita u obavljanju mnogih stvari“, rekao je David Staack, izvanredni profesor na zavodu za strojarstvo na Sveučilištu Texas A&M. „Jako mi je zanimljiva činjenica da škamp proizvodi intenzivne udarne valove, provodi kemiju plazme i sintezu nanočestica već milijunima godina.“
Plazma od mjehurića
Staack je prije četiri godine pokrenuo projekt kao ogranak projekta o plazmi električnog pražnjenja u tekućinama. Uspoređujući proces proizvodnje plazme kod škampa pucavaca s procesom električne plazme, znanstvenike je zanimalo mogu li pronaći način za mjerenje i oponašanje njegovih svojstava.
Počeli su imitirati mehaniku kliješta škampa pucavca pažljivo proučavajući kako to morsko stvorenje stvara kavitacijski mjehurić koji proizvodi plazmu na temperaturama do 1.650 °C (do 3.000 °F).
„U našem istraživanju donosimo prve direktne slike emisije svjetlosti inducirane istom metodom koju koriste škampi: mehanički proizvedena energija koja se bazira na razarajućoj kavitaciji i propagaciji nastalog udarnog vala“, rekao je Staack.
„Bio-inspirirani mehanički dizajn omogućio nam je provedbu ponovljivih i konzistentnih eksperimenata proizvodnje plazme i upućuje na značajan porast u učinkovitosti pretvorbe u usporedbi s procesima sonički, laserski i električki inducirane kavitacije.“
Staack navodi kako je upotreba 3D tiskanja bila instrument za napredak projekta koji je omogućio znanstvenicima proizvodnju preciznog, uvećanog modela kliješta škampa pucavca na način na koji je to bilo nemoguće prije nekoliko godina.
Prethodni pokušaji za imitiranje ponašanja škampa zasnivali su se na dvodimenzionalnoj geometriji škampa, propustivši tako neke od kompleksnih 3D procesa uz pomoć kojih je nova tehnologija omogućila znanstvenicima uspješno oponašanje mehanizma.
Prirodno oružje
Staack i Xin Tang, kandidat za doktorski studij i diplomski istraživač na odjelu, napravili su 3D model kliješta od odbačenih ljuski škampa pucavca pet puta veći nego što se pojavljuje u prirodi. Da bi doveli energiju u sustav bez pomoći mišića škampa, ugradili su sustav opruga poput mišolovke.
U prirodi škampi koriste kavitacijski mjehurić kao oružje za proizvodnju udara i ošamućivanje plijena. Znanstvenici bi mogli primijeniti uvećanu verziju mehanizma škampa u širokom rasponu disciplina poput analitičke kemije, fizike i obrade materijala.
„Škampi koriste sustave kao oružje i to je jedan način njihove upotrebe“, kaže Staack. „Pritisak i udari mogu ošamutiti male ribe ili smrviti kamenac iz bubrega. Kavitacija i dinamika mogu se iskoristiti za promjenu toka graničnog sloja i smanjenje sile za povlačenja brodova.“
„Druge primjene iskorištavaju prednost na kemijskoj strani plazme. Nanočestice se mogu sintetizirati s egzotičnim fazama zbog ekstremnih uvjeta tijekom sinteze. Na ovaj se način može sterilizirati voda, a nafta se može nadograđivati.“
Mogućnosti primjene i budući razvoj
Crpljenjem inspiracije iz mogućnosti škampa pucavaca za proizvodnju plazme i udarnih valovova, Staack radi s timom kolega sa zavoda za strojarstvo na projektu za napredak tehnologije bušenja koja se koristi za proizvodnju geotermalnih bušotina koje dolaze do prirodne Zemljine topline. Omogućavanjem emisije mikroskopskih plazma udara na vrhu bušilice, ta će tehnologija omogućiti prodiranje kroz tvrde stijene i pojednostaviti proces bušenja.
Staack navodi da neki od ciljeva za daljnje istraživanje uključuju određivanje temperature plazme koja se proizvede, otkrivanje koliko mogu uvećati mehanizam i testiranje nekih potencijalnih primjena.
Istraživači također rade na preradi najučinkovitije verzije mehanizma, uklanjajući dijelove modela kliješta koji ne služe za proizvodnju plazme.
„Ono što smo naučili iz ovog primjera je da nam nije potreba cijela biologija škampa“, rekao je Staack. „Trebamo mali povratni klip i kanal, ali nam ne treba dio koji škamp koristi za udarce. Postoje stvari koje su evoluirale iz različitih razloga. Jedna od stvari koje sada radimo je određivanje kakva će izgledati pročišćena verzija ovog mehanizma.“
Bio-inspirirani uređaj škampa pucavca relativno je jednostavno napraviti što ga čini korisnim za obnovljivost znanosti i zabavu za bilo koga tko je zainteresiran za istraživanje. Staack tvrdi da bi ovaj uređaj mogle napraviti i mlađe osobe uz prikladan nadzor i to za manje od stotinu američkih dolara. Materijali koji su potrebni da napravite vlastiti uređaj dostupni su na platformi otvorenog pristupa.
Žarko Šaravanja / Ekovjesnik