Haciendo que la energía eólica sea aún más ecológica

Oct 14, 2023

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 las raíces de un hongo de un millón de años.

Puede sonar como una escena de una película de ficción climática, pero la experta en compuestos de polímeros Valeria La Saponara, profesora del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de UC Davis, tiene la visión de desarrollar palas de turbinas eólicas compostables y ecológicas a partir de bambú y micelio. , el sistema similar a una raíz fúngica que produce hongos. Con fondos iniciales de la visión de investigación estratégica Next Level de la Facultad de Ingeniería y una subvención de The Green Initiative Fund de UC Davis Sustainability 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 ciencia 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 13 millones de hogares para 2025 a medida que avanza hacia su red de 2060. objetivo cero.

El papel cada vez mayor del viento es en gran medida una buena noticia. Pero a medida que crece esta fuente clave de energía renovable, se necesita una solución ambientalmente racional para el número exponencialmente creciente de aspas eólicas destinadas a los vertederos. Las aspas 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 aspa es casi tan grande como la envergadura de un Boeing 747. Diseñadas para resistir los fuertes vientos y las condiciones climáticas, las palas tienen una vida útil de unos 20 años antes de que se retiren o reemplacen. La mayoría están construidos con una estructura compuesta de fibra de vidrio/epoxi construida sobre madera de balsa, lo que agrega estabilidad y flexibilidad. Las opciones de reciclaje son muy limitadas, costosas e incurren en los impactos adicionales de la huella de carbono del transporte.

La mayoría de las palas de los aerogeneradores acaban en los vertederos. Solo en los EE. UU., se prevé que más de 2 millones de toneladas de palas fuera de servicio se envíen a vertederos para 2050 según un estudio reciente; A nivel mundial, la masa de todas las palas que se espera que se retiren para 2050 puede llegar a 43 millones de toneladas métricas. El uso de madera de balsa es un impacto ecológico devastador adicional. 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 descontrolada 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 residuos de PET en el medio ambiente.

Para La Saponara, la contaminación por 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 prevé 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 fósiles de los revestimientos de los cascos de bicicleta. El micelio es una sustancia asombrosamente versátil, y el laboratorio de La Saponara ha estado investigando posibilidades para aprovecharlo como una alternativa compostable de baja emisión de carbono y baja toxicidad a materiales no degradables como el poliuretano y el acrílico.

Escalar a un proyecto tan grande y complejo como las palas de una turbina eólica es un movimiento de siguiente nivel que involucra a un grupo altamente colaborativo.

“El proyecto se multiplica”, bromeó La Saponara. "Crear este diseño requiere el trabajo de múltiples disciplinas".

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

Por suerte, La Saponara cuenta en su equipo con una investigadora altamente multidisciplinar, que también es una experta artesana del bambú: Shuhao Wan, el ingeniero de investigación de diseño e instrumentación del laboratorio, ha trabajado con el bambú como hobby, elaborando maquetas de barcos en botellas. Wan está probando diferentes formas de tejer las cañas de bambú.

Mientras tanto, el equipo está trabajando en la optimización de los medios para cultivar y unir la capa de micelio. El micelio es un material asombroso porque se puede cultivar donde se va a utilizar, siempre que las condiciones sean las adecuadas. La masa fúngica puede prosperar en los 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 para incorporar desechos textiles posconsumo, que pueden ofrecer el resultado adicional de cultivar el micelio utilizando desechos que, de otro modo, irían a parar a vertederos.

El equipo construyó recientemente un prototipo para comenzar las pruebas.

"Queremos hacer pruebas estructurales para averiguar qué tan rápido podemos tener una rotación, cuánta energía podemos generar", dijo La Saponara.

El compuesto de micelio y bambú reemplazará las aspas 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 de concepto para 1 kilovatio, que es una cantidad razonable de energía, podremos comenzar a trabajar con las 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 hojas para uso global. De hecho, las aspas 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 forma de que podamos hablar de ingeniería ambiental sin hablar de justicia ambiental".

Co-Investigador Principal Michele Barbato, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, apoyará el modelado estructural de la torre, asesorando al becario postdoctoral Prakash Singh Badal.

shuhaowan, el ingeniero de investigación de instrumentación y diseño del laboratorio y un 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.

Shri Nagarkar, un doctorado estudiante de ingeniería mecánica y aeroespacial, comenzó a investigar la aerodinámica y el comportamiento de interacción fluido-estructura de estas palas de aerogeneradores flexibles. Más recientemente, el estudiante de pregrado está llevando a cabo el modelado aerodinámico de las palas de los aerogeneradores.Fernando Hernandez Sanchez(graduado en ingeniería mecánica y aeroespacial y piloto), asesorado por un experto en aerodinámica de aerogeneradoresCamli Badrya, profesor 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 cuchilla hasta la preparación y prueba del micelio/bionasa.

Alejandra Ruiz, Estudiante de Maestría en Bellas Artes en el Departamento de Diseño, está investigando el cultivo de micelio en 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 de pregrado de investigación de verano de 2022 que está estudiando el cultivo de micelio a partir de papel para diversas aplicaciones. Montoya tiene como mentor a la profesora Lucy HG Solomon en el Departamento de Arte, Medios y Diseño de CSUSM.

Kit de prensa de imágenes para descargar disponible aquí.