Les développeurs hydroélectriques doivent prendre en compte de nombreux facteurs lorsqu'il s'agit d'autoriser un nouveau projet ou de renouveler un projet existant :Comment les impacts environnementaux peuvent-ils être atténués, y compris aux populations de poissons ? Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont trouvé une solution unique :utiliser l'impression 3D et des capteurs pour créer de faux poissons pour les tests de turbine.

Lorsque les poissons traversent les barrages hydroélectriques, ils rencontrent des obstacles qui peuvent causer des blessures—changements de pression, turbulence, et la rotation des pales sur les turbines. Dans le cadre de ses travaux d'évaluation environnementale des projets hydroélectriques, L'ORNL a développé un système pour analyser l'impact des conceptions de turbines sur les espèces de grande valeur.

"Nous voulons comprendre les forces rencontrées par différentes espèces de poissons et comment ces forces peuvent entraîner des blessures ou la mortalité, " a déclaré Ryan Saylor, un étudiant du Centre Bredesen pour la recherche interdisciplinaire et l'enseignement supérieur travaillant dans la division des sciences de l'environnement de l'ORNL. "Il peut y avoir des ajustements que les concepteurs et les fabricants de turbines pourraient apporter pour conserver les espèces de poissons tout en minimisant l'impact sur la production d'énergie."

Le travail est important. L'hydroélectricité est la plus grande source d'énergie renouvelable et de stockage d'énergie à grande échelle dans le pays, représentant 6 % de la production totale d'électricité. L'ORNL soutient depuis longtemps l'hydroélectricité, y compris des améliorations au processus d'autorisation et de réglementation.

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors des tests d'impact de l'hydroélectricité sur les poissons :la vitesse de déplacement des pales, l'épaisseur et l'angle des lames, quelle est la taille de chaque poisson et où se trouve son centre de masse.

"Ce que nous avons réalisé, c'est qu'il s'agit essentiellement d'un problème de physique, " a ajouté Mark Bevelhimer, qui a lancé le projet et a récemment pris sa retraite de l'ORNL.

Les scientifiques ont décidé de créer un poisson modèle - en termes techniques, un dispositif de test anthropomorphe pour les aider à comprendre les forces des aubes de turbine et générer plusieurs points de données pour l'analyse.

Ils ont eu l'idée d'utiliser un gel balistique pour le corps du poisson. Le gel, développé à l'origine à des fins militaires, peut être contrôlé pour différentes densités pour imiter le tissu musculaire.

Pour créer des moules pour diverses espèces de poissons, les chercheurs se sont tournés vers les capacités d'impression 3D de l'installation de démonstration de fabrication, une installation d'utilisateur désignée par le DOE à l'ORNL. Les chercheurs ont apporté des poissons au MDF pour qu'ils soient scannés au laser, et les contours résultants ont été introduits dans un programme de conception assistée par ordinateur qui à son tour a guidé une imprimante 3D pour créer des moules de chaque poisson à tester.

Brian Post, qui a dirigé l'effort MDF, a noté que l'impression 3D des moules est rapide, solution à faible coût qui permet la création d'une grande variété de modèles de poissons dans un court laps de temps. « Chaque espèce a une morphologie différente, la fabrication de moules nous permet donc de saisir ces différences. Nous pouvons faire un poisson unique en son genre assez facilement. Si vous deviez produire les moules de manière conventionnelle, il faudrait plus de temps pour soustraire la forme d'un bloc de matière, " Le poste a expliqué.

Les scientifiques de l'environnement ont mélangé le gel balistique avec de l'huile de cannelle (un agent antimicrobien peu coûteux), puis ont rempli les moules et laissé le gel durcir. L'équipe a testé le "squishiness" des faux poissons suivants pour se rapprocher le plus possible de la réalité. Les scientifiques ont ensuite enduit les poissons d'une peinture semblable à du plastique pour leur donner plus de rigidité et pour imiter la peau et les écailles.

Des capteurs intégrés aux modèles mesurent l'accélération et les forces G dans le simulateur de turbine en trois dimensions. Les jauges de contrainte sont également utilisées pour mesurer comment le poisson s'étire ou se contracte à l'intérieur et à l'extérieur à la suite des frappes simulées.

Les scientifiques continuent d'améliorer le modèle, y compris l'augmentation du taux de réponse, ce qui à son tour devrait entraîner une résolution plus élevée des données, ainsi que des progrès dans l'extraction et l'analyse des données. Jusqu'à présent, ils ont créé et testé des modèles de quatre espèces de poissons :la truite arc-en-ciel, crapet arlequin, alose et basse.

Le projet a été financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de l'ORNL.

"Imiter la biologie est difficile, " Saylor a noté. "Nous avons travaillé pour nous rapprocher le plus possible d'une bonne représentation sans utiliser d'équipement spécialisé qui pourrait augmenter les coûts."

Le fait qu'il y ait peu de standardisation des projets hydroélectriques offre une opportunité pour plus de travail, les scientifiques ont noté. Les barrages hydroélectriques ont été largement construits en fonction de la géographie de chaque site et des besoins énergétiques du client, donc chaque projet est différent.

"Nous voulons produire de l'hydroélectricité d'une manière qui n'endommage pas les poissons qui passent, " Bevelhimer a déclaré. " Il y a beaucoup de pression sur les propriétaires et les exploitants de barrages électriques pour réduire leur impact environnemental. Il y a beaucoup de défis, et donner aux poissons un passage plus sûr en fait partie."