Красивые, корявые, извилистые рифы, окружающие тропические острова, служат морским убежищем и естественным буфером от штормов на море. Но по мере того, как последствия изменения климата обесцвечивают и разрушают коралловые рифы по всему миру, а экстремальные погодные явления становятся все более распространенными, прибрежные сообщества становятся все более уязвимыми для частых наводнений и эрозии.

Команда Массачусетского технологического института теперь надеется укрепить береговые линии с помощью «архитекторских» рифов — устойчивых морских структур , спроектированных так, чтобы имитировать эффект буферизации волн естественных рифов, а также обеспечивать карманы для рыб и других морских обитателей. Исследование опубликовано в журнале PNAS Nexus .

В основе дизайна рифа, разработанного командой, лежит цилиндрическая конструкция, окруженная четырьмя планками, похожими на руль. Инженеры обнаружили, что когда эта конструкция противостоит волне, она эффективно разбивает волну на турбулентные струи, которые в конечном итоге рассеивают большую часть общей энергии волны. Команда подсчитала, что новая конструкция может уменьшить столько же энергии волн, сколько существующие искусственные рифы, используя в 10 раз меньше материала.

Исследователи планируют изготовить каждую цилиндрическую конструкцию из экологически чистого цемента, который они будут формовать в форме «вокселов», которые можно будет собирать автоматически, и которые предоставят карманы для исследования рыб и поселения других морских обитателей.

Цилиндры можно было соединить, образовав длинную полупроницаемую стену, которую инженеры могли бы возвести вдоль береговой линии, примерно в полумиле от берега. Основываясь на первоначальных экспериментах команды с лабораторными прототипами, спроектированный риф может снизить энергию приходящих волн более чем на 95 процентов.

«Это будет похоже на длинный прибой», — говорит Майкл Триантафиллу, профессор океанологии и инженерии Генри Л. и Грейс Доэрти на факультете машиностроения. «Если волны высотой 6 метров приближаются к этой рифовой структуре, на другой стороне они в конечном итоге будут менее метра в высоту. Таким образом, это устраняет воздействие волн и может предотвратить эрозию и наводнение».

Соавторами Триантафиллу в Массачусетском технологическом институте являются Эдвард Ронглан СМ ’23; аспиранты Альфонсо Парра Рубио, Хосе дель Ауила Феррандис и Эрик Странд; ученые-исследователи Патрисия Мария Статату и Каролина Бастидас; и профессор Нил Гершенфельд, директор Центра битов и атомов; вместе с Алексисом Оливейрой да Силвой из Парижского политехнического института, Диксией Фан из Университета Вестлейк и Джеффри Гейром-младшим из Scinetics, Inc.

Использование турбулентности

Некоторые регионы уже возвели искусственные рифы, чтобы защитить свои береговые линии от надвигающихся штормов. Эти конструкции обычно представляют собой затонувшие корабли, вышедшие из эксплуатации нефтяные и газовые платформы и даже собранные конструкции из бетона, металла, шин и камней. Однако типы искусственных рифов, которые существуют в настоящее время, различаются, и нет стандартов для проектирования таких структур.

Более того, используемые конструкции, как правило, имеют низкое рассеивание волн на единицу объема используемого материала. То есть требуется огромное количество материала, чтобы разрушить достаточно волновой энергии, чтобы адекватно защитить прибрежные сообщества.

Вместо этого команда Массачусетского технологического института искала способы создать искусственный риф, который бы эффективно рассеивал энергию волн с использованием меньшего количества материала, а также обеспечивал убежище для рыб, живущих вдоль любого уязвимого побережья.

«Помните, естественные коралловые рифы встречаются только в тропических водах », — говорит Триантафиллу, директор Морского гранта Массачусетского технологического института. «У нас не может быть таких рифов, например, в Массачусетсе. Но спроектированные рифы не зависят от температуры, поэтому их можно поместить в любую воду, чтобы защитить больше прибрежных территорий».

Новые усилия являются результатом сотрудничества между исследователями из Массачусетского технологического института Sea Grant, которые разработали гидродинамический дизайн рифовой структуры, и исследователями из Центра битов и атомов (CBA), которые работали над тем, чтобы сделать структуру модульной и простой в изготовлении на месте. .

Разработанный командой проект рифа возник из двух, казалось бы, не связанных друг с другом проблем. Исследователи CBA разрабатывали сверхлегкие ячеистые конструкции для аэрокосмической промышленности , а исследователи Sea Grant оценивали эффективность противовыбросовых превенторов на морских нефтяных сооружениях — цилиндрических клапанов, которые используются для герметизации нефтяных и газовых скважин и предотвращения их утечек.

Испытания команды показали, что цилиндрическая конструкция конструкции создает большое сопротивление. Другими словами, структура оказалась особенно эффективной в рассеивании мощных потоков нефти и газа. Они задавались вопросом: может ли то же самое устройство рассеять другой тип потока — океанские волны?

Исследователи начали экспериментировать с общей структурой при моделировании потока воды, настраивая ее размеры и добавляя определенные элементы, чтобы увидеть, меняются ли волны и если да, то как, когда они разбиваются о каждую моделируемую конструкцию.

Этот итерационный процесс в конечном итоге привел к оптимизированной геометрии: вертикальный цилиндр, окруженный четырьмя длинными планками, каждая из которых прикреплена к цилиндру таким образом, что оставляет пространство для потока воды через полученную структуру. Они обнаружили, что эта установка по существу разрушает любую поступающую волновую энергию, заставляя части вызванного волной потока двигаться по спирали в стороны, а не падать вперед.

«Мы используем эту турбулентность и эти мощные струи, чтобы в конечном итоге рассеять энергию волн», — говорит Феррандис.

Противостоять бурям

Как только исследователи определили оптимальную структуру, рассеивающую волны, они изготовили лабораторную версию искусственного рифа, состоящую из серии цилиндрических структур, которые они напечатали на 3D-принтере из пластика. Каждый испытательный цилиндр имел ширину около 1 фута и высоту 4 фута.

Они собрали несколько цилиндров, каждый из которых находился на расстоянии примерно фута друг от друга, чтобы сформировать конструкцию, похожую на забор, которую затем опустили в волновой резервуар в Массачусетском технологическом институте. Затем они создали волны различной высоты и измерили их до и после прохождения через спроектированный риф.

«Мы видели, как волны существенно уменьшились, поскольку риф уничтожил их энергию», — говорит Триантафиллу.

Команда также рассмотрела возможность сделать структуры более пористыми и удобными для рыб. Они обнаружили, что вместо того, чтобы делать каждую конструкцию из цельной плиты пластика, можно использовать более доступный и экологичный тип цемента.

«Мы работали с биологами, чтобы протестировать цемент, который мы собираемся использовать, и он безопасен для рыб и готов к использованию», — добавляет он.

Они определили идеальный образец «вокселов» или микроструктур, в которые можно было бы отлить цемент, чтобы изготовить рифы, одновременно создавая карманы, в которых могли бы жить рыбы. Эта геометрия вокселей напоминает отдельные коробки для яиц, сложенные встык, и, по-видимому, не влияет на общую способность рассеивания волн структуры.

«Эти вокселы по-прежнему сохраняют большое сопротивление, позволяя рыбе двигаться внутри», — говорит Феррандис.

В настоящее время команда изготавливает цементные воксельные конструкции и собирает их в спроектированный в лабораторных условиях риф, который они будут тестировать в различных волновых условиях. Они предполагают, что воксельная конструкция может быть модульной, масштабируемой до любого желаемого размера, а также легко транспортироваться и устанавливаться в различных морских местах.

«Сейчас мы моделируем реальную картину моря и проверяем, как эти модели будут работать, когда нам в конечном итоге придется их развернуть», — говорит Анджали Синха, аспирант Массачусетского технологического института, недавно присоединившаяся к группе.

В дальнейшем команда надеется работать с пляжными городами в Массачусетсе, чтобы протестировать конструкции в пилотном масштабе.

«Эти тестовые структуры не будут маленькими», — подчеркивает Триантафиллу. «Они будут около мили в длину, около 5 метров в высоту и будут стоить около 6 миллионов долларов за милю. Так что это недешево. Но это может предотвратить ущерб от урагана на миллиарды долларов. А с учетом изменения климата защитить побережья станет большой проблемой».