Una solución sostenible: palas de turbina eólica compostables

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Las palas hechas de bambú y micelio podrían mantener un número creciente de palas eólicas fuera de los vertederos

Es el año 2035. En un mundo que enfrenta una catástrofe climática, la empresa humana está impulsada por campos de parques eólicos, con aspas de turbinas hechas de pastos de rápido crecimiento y raíces de un hongo de un millón de años.

Puede parecer una escena de una película de ficción climática, pero la experta en compuestos poliméricos Valeria La Saponara, profesora del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de UC Davis, tiene la visión de desarrollar palas de turbinas eólicas ecológicas y compostables a partir de bambú y micelio. , el sistema de raíces fúngicas que produce hongos. Con financiación inicial de la visión de investigación estratégica Next Level de la Facultad de Ingeniería y una subvención del Fondo de Iniciativa Verde de Sostenibilidad de UC Davis detrás de la fase inicial de investigación, La Saponara, la co-investigadora principal Michele Barbato en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, y Un equipo diverso de estudiantes e investigadores en el laboratorio de Investigación, Ingeniería y Ciencias de Compuestos Avanzados está probando un prototipo en el campus.

El viento es una de las fuentes de energía renovable de más rápido crecimiento en California y en todo el mundo. Es una parte clave del camino de California hacia la neutralidad de carbono para 2045. China, que representa más de la mitad de la energía eólica mundial, planea construir un parque eólico que podría alimentar a 13 millones de hogares para 2025 mientras trabaja hacia su objetivo neto para 2060. gol cero.

El papel cada vez mayor del viento es en gran medida una buena noticia. Pero a medida que esta fuente clave de energía renovable crece, se necesita una solución ambientalmente racional para el número exponencialmente creciente de palas eólicas destinadas a los vertederos. Las palas de las turbinas eólicas son enormes: el diámetro promedio del rotor en los EE. UU. en 2021 fue de 418 pies, por lo que una sola pala es casi tan grande como la envergadura de un Boeing 747. Diseñadas para ser resistentes a fuertes vientos y condiciones climáticas, las palas tienen una vida útil de aproximadamente 20 años antes de ser retiradas o reemplazadas. La mayoría están construidas con una estructura compuesta de fibra de vidrio/epoxi construida sobre madera de balsa, lo que añade estabilidad y flexibilidad. Las opciones de reciclaje son muy limitadas, costosas y generan impactos adicionales en la huella de carbono del transporte.

La mayoría de las palas de las turbinas eólicas terminan en vertederos. Sólo en Estados Unidos, según un estudio reciente, se prevé que más de 2 millones de toneladas de palas desmanteladas se enviarán a vertederos para 2050; A nivel mundial, la masa de todas las palas que se espera que sean retiradas para 2050 puede alcanzar los 43 millones de toneladas métricas. El uso de madera de balsa supone un impacto ecológico adicional y devastador. El rápido crecimiento de la industria de la energía eólica ha provocado una tala excesiva en la selva amazónica ecuatoriana, lo que ha provocado una deforestación desenfrenada y daños sociales a las comunidades indígenas de la región. Algunos fabricantes han estado cambiando a plásticos PET, lo que se suma a los millones de toneladas de desechos de PET en el medio ambiente.

Para La Saponara, la contaminación de las palas eólicas es un problema urgente.

"Queremos tener energía limpia, pero la energía limpia no puede contaminar el medio ambiente y no puede causar deforestación", dijo La Saponara. “Si estamos haciendo energía limpia, no es para deforestar la selva amazónica. Queremos ser buenos ciudadanos para todos”.

La Saponara imagina una pala de turbina eólica compostable construida con bambú tejido, micelio y biomasa de los desechos agrícolas del Valle Central de California en lugar de fibra de vidrio y madera de balsa. Comenzó a trabajar con micelio en 2019, cuando buscó una alternativa a los plásticos de origen fósil de los revestimientos de cascos de bicicleta. El micelio es una sustancia increíblemente versátil, y el laboratorio de La Saponara ha estado investigando posibilidades para aprovecharlo como una alternativa compostable, de baja toxicidad y bajas emisiones de carbono a materiales no degradables como el poliuretano y el acrílico.

Ampliar la escala a un proyecto tan grande y complejo como las palas de una turbina eólica es un paso de siguiente nivel que involucra a un grupo altamente colaborativo.

“El proyecto está creciendo”, bromea La Saponara. "La creación de este diseño requiere el trabajo de múltiples disciplinas".

Además del investigador codirector Barbato, que apoyará el desarrollo estructural, y el ingeniero de investigación Shuhao Wan, el proyecto incluye un grupo diverso de estudiantes investigadores en ingeniería y diseño.

Quiso la suerte que La Saponara tenga en su equipo un investigador altamente multidisciplinario, que también es un hábil artesano del bambú: Shuhao Wan, el ingeniero de investigación de diseño e instrumentación del laboratorio, ha trabajado con el bambú como pasatiempo, elaborando modelos de barcos en botellas. Wan está probando diferentes formas de tejer las cañas de bambú.

El equipo está investigando formas de construir las hojas, incluida la estructuración de la capa de bambú. (Gregorio Urquiaga/UC Davis)

Mientras tanto, el equipo está trabajando para optimizar los medios para hacer crecer y unir la capa de micelio. El micelio es un material sorprendente porque se puede cultivar en el lugar donde se va a utilizar, siempre que las condiciones sean adecuadas. La masa de hongos puede prosperar en flujos de desechos, desde posos de café hasta plásticos desechados, y su materia prima influye en sus propiedades. Pero el micelio no se lo come todo y, naturalmente, el bambú antifúngico no está en el menú. El equipo está probando la incorporación de desechos textiles posconsumo, lo que puede ofrecer el resultado adicional de cultivar el micelio utilizando desechos que de otro modo irían a parar a los vertederos.

El equipo construyó recientemente un prototipo para comenzar las pruebas.

"Queremos hacer pruebas estructurales para descubrir qué tan rápida es la rotación que podemos tener y cuánta energía podemos generar", dijo La Saponara.

El equipo examina un prototipo de pala de turbina eólica. (Gregorio Urquiaga/UC Davis)

El compuesto de micelio y bambú reemplazará las palas de una turbina comercial de 1 kilovatio instalada cerca del STEEL Lab, parte del Western Cooling Efficiency Center, lejos del campus central. La Saponara dijo que también probarán la resistencia de estas palas, asegurándose de que puedan soportar vientos de 85 millas por hora.

"Una vez que tengamos la prueba del concepto de 1 kilovatio, que es una cantidad razonable de energía, podremos empezar a trabajar con empresas para la comercialización de este concepto para aplicaciones de energía distribuida", dijo La Saponara.

Estos son los primeros días hacia el objetivo final de escalar las palas para su uso global. De hecho, las palas podrían ayudar en áreas afectadas por desastres naturales, donde se necesitan soluciones energéticas rápidamente, y la energía eólica podría combinarse con paneles solares.

"Lo que estamos haciendo ahora ya no funciona", dijo. “Estamos en un punto de inflexión en el medio ambiente y nuestra próxima generación es la que pagará el precio más alto. En última instancia, no hay manera de que podamos hablar de ingeniería ambiental sin hablar de justicia ambiental”.

La coinvestigadora principal Michele Barbato, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, apoyará el modelado estructural de la torre, asesorando al becario postdoctoral Prakash Singh Badal.

Shuhao Wan , ingeniero de investigación de diseño e instrumentación del laboratorio y alumno de ingeniería mecánica y aeroespacial de UC Davis, está investigando formas de construir las palas, incluida la estructuración de la capa de bambú. Shuhao comenzará su doctorado. en la Universidad de Michigan en el otoño de 2023.

Shree Nagarkar , un doctorado. Estudiante de ingeniería mecánica y aeroespacial, comenzó a investigar la aerodinámica y el comportamiento de interacción fluido-estructura de estas palas flexibles de turbinas eólicas. Más recientemente, el modelado aerodinámico de las palas de las turbinas eólicas está a cargo de un estudiante universitario de investigación.Fernando Hernandez Sanchez(estudiante de último año en ingeniería mecánica y aeroespacial y piloto), asesorado por la experta en aerodinámica de turbinas eólicas Camli Badrya, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial.

Estudiantes investigadores de pregradoNicholas Gallo, Dominic Soufl, Connor Prescott(en diferentes etapas de sus carreras de ingeniería mecánica y/o aeroespacial) yShivani Torres-Lal(estudiante de ingeniería química) han estado trabajando en varios aspectos del proyecto, desde la construcción de la pala hasta la preparación y prueba del micelio/bionasa.

Alejandra Ruiz , estudiante de Maestría en Bellas Artes en el Departamento de Diseño, está investigando el crecimiento del micelio en los textiles. Ruiz cuenta con la tutoría de Christina Cogdell, profesora del Departamento de Diseño y experta en biodiseño.

Aidelen Montoya, Universidad Estatal de California, San Marcos, en estudios de museos, artes e historia, estudiante universitaria de investigación de verano de 2022 que está estudiando el micelio que crece a partir de papel para diversas aplicaciones. Montoya cuenta con la tutoría de la profesora Lucy HG Solomon en el Departamento de Arte, Medios y Diseño del CSUSM.​​​

Por Sharon Campbell Knox, republicado desde la Universidad de California, Davis.

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