تلاش برای بهره‌وری انرژی در دنیای مدرن ما یک نیاز دائمی است، و گاه بهترین راه‌حل‌ها از ساده‌ترین منابع به دست می‌آید.
در این مورد، یک تیم از دانشمندان به دنیای طبیعی روی آورده‌اند تا دریابند که چگونه سیستم‌های نوسانی هماهنگ می‌شوند تا حداکثر استفاده از انرژی را ممکن کنند.
با مطالعه ریتم‌های طبیعی، پژوهشگران امیدوارند اصولی را کشف کنند که می‌تواند مدیریت انرژی در فناوری را متحول کند؛ از شبکه‌های برق گرفته تا شبکه‌های ارتباطی.
هماهنگی و بهره‌وری انرژی
ما روزانه نمونه‌هایی از هماهنگی را در طبیعت می‌بینیم – مانند ضربان منظم قلب و هماهنگی آن با شش‌ها، یا تپش‌های همزمان کرم‌های شب‌تاب.
با الهام از این نمونه‌ها، پژوهشگران در دانشکده مهندسی دانشگاه نیومکزیکو ریتم‌های طبیعی را مطالعه کردند تا استراتژی‌های پنهانی را کشف کنند که می‌تواند بهره‌وری در هماهنگی را افزایش دهد.
پژوهش ریاضیاتی آن‌ها نشان داد که سیستم‌های زیستی از طریق استفاده از فازهای نوسانی خاص به بهره‌وری دست می‌یابند. اگر این رویکرد به فناوری انسانی اعمال شود، می‌تواند باعث افزایش چشمگیر بهره‌وری در بخش‌های مختلف شود.
امیرحسین نظریان، دانشجوی دکترا در رشته مهندسی مکانیک، می‌گوید: «از نظر انرژی مورد نیاز برای هماهنگ کردن سیستم‌های متصل نوسانی، استراتژی ما نشان می‌دهد که می‌توانیم صرفه‌جویی‌های چندین مرتبه بزرگی در مصرف انرژی داشته باشیم.»
راه‌حل‌های انرژی الهام‌گرفته از طبیعت
نقش هماهنگی در زیست‌شناسی صرفاً یک پدیده جذاب نیست؛ بلکه دلالت‌های مهمی برای دنیای فناوری ما دارد.
درس‌هایی که از این سیستم‌های طبیعی و زیستی آموخته می‌شوند می‌توانند به بهبود طراحی و مدیریت انواع مختلف فناوری کمک کنند، مانند شبکه‌های برق و پهپادها، و با صرفه‌جویی در انرژی در طول نوسان، به بهره‌وری بیشتر برسند.
تقلید از بهره‌وری انرژی در طبیعت
با تقلید از زمان‌بندی دقیق مشاهده‌شده در طبیعت، مهندسان می‌توانند سیستم‌هایی را توسعه دهند که به‌طور نرم‌تر، کارآمدتر و پایدارتر عمل کنند – و این می‌تواند نگرش ما به مدیریت انرژی را متحول کند.
فرانچسکو سورنتینو، استاد گروه مهندسی مکانیک و سرپرست پژوهش، می‌گوید: «ما این موضوع را از دیدگاه ریاضی بررسی کردیم و پرسیدیم که چگونه سیستم‌ها در طبیعت، بدن انسان، و سیستم‌های اکولوژیکی و اجتماعی هماهنگ می‌شوند. در طبیعت، بهره‌وری اهمیت زیادی دارد، چه در حیوانات و چه در سلول‌ها، چرا که این سیستم‌ها نمی‌توانند انرژی را هدر دهند.»
دستکاری در قدرت اتصال
در همکاری با ماتئو لودی از دانشگاه جنوا و جوزف هارت از آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده، تیم دانشگاه نیومکزیکو کشف چشمگیری انجام دادند.
«قدرت اتصال» به معنای میزان ارتباط اجزای یک سیستم نوسانی است.
پژوهشگران دریافتند که با درک مراحل مختلف نوسان در یک سیستم، می‌توانند قدرت اتصال آن را دستکاری کنند – که منجر به کاهش چشمگیر در مصرف انرژی می‌شود.
این استراتژی شامل تنظیم پویا قدرت اتصال بر اساس فاز نوسان سیستم است، که کنترل دقیقی بر انرژی مصرفی فراهم می‌کند.
بیشینه‌سازی بهره‌وری انرژی
این رویکرد نوآورانه نشان می‌دهد که می‌توان به طور کارآمدتر به هماهنگی رسید، اگر اتصال بین سیستم‌های نوسانی تنها در مواقع لازم فعال شود. این امر به‌طور قابل توجهی مصرف ضروری انرژی را کاهش داده و از اتلاف انرژی جلوگیری می‌کند.
این یافته جالب ممکن است در نهایت به توسعه سیستم‌های انرژی‌بخش کارآمدتر منجر شود.
به هر حال، اگر کرم‌های شب‌تاب بتوانند هنر هماهنگی کارآمد را به دست آورند، چرا شبکه‌های برق و فناوری‌های پیشرفته ما نتوانند همین کار را انجام دهند؟
پیامدهای گسترده این پژوهش
بینش‌های به‌دست‌آمده از روش‌های هماهنگی طبیعت، کاربردهای امیدوارکننده‌ای در صنایع مختلف دارند، جایی که حتی بهبودهای کوچک در بهره‌وری می‌تواند به صرفه‌جویی‌های قابل توجه در انرژی منجر شود.
به‌عنوان مثال، در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند مزارع بادی و خورشیدی، هماهنگی می‌تواند به تثبیت نوسانات توان کمک کرده و با هم‌راستا کردن خروجی چند منبع انرژی، بازدهی کلی انرژی را به حداکثر برساند و از اتلاف انرژی بکاهد.
در شبکه‌های حمل‌ونقل نیز، تکنیک‌های هماهنگی می‌تواند ناوگان‌های وسایل نقلیه خودران را با هماهنگ کردن جریان ترافیک، کاهش الگوی توقف و شروع مجدد و کاهش مصرف سوخت کارآمدتر کند.
فناوری‌های پزشکی نیز می‌توانند بهره‌مند شوند، چرا که دستگاه‌های پزشکی مانند ضربان‌سازها یا تجهیزات تشخیصی می‌توانند با روش‌های نوسان هماهنگ، قابل اطمینان‌تر و بهینه‌تر از نظر مصرف انرژی عمل کنند.
با تقلید از ریتم‌های دقیق طبیعت، پژوهشگران آینده‌ای را می‌بینند که در آن صنایع می‌توانند پایدارتر عمل کنند، عملکرد بهتری داشته باشند و تأثیرات زیست‌محیطی کمتری بر جای بگذارند.
این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
