المصدر: جامعة روما تور فيرغاتا
الفكرة الأساسية
اكتشف الباحثون أن إسفنجة سلة زهور الزهرة (Euplectella aspergillum)* تستخدم هيكلها الزجاجي ذو البنية الفريدة لتصفية التغذية بشكل سلبي* من التيارات البطيئة في أعماق البحار، وهو اكتشاف يمكن أن يلهم التقدم في مجالات هندسية مختلفة مثل المفاعلات الكيميائية، أنظمة تنقية الهواء، والأسطح الهوائية.
تفاصيل القصة
تحتوي أعماق المحيطات على العديد من العجائب، ولكن القليل منها يسلب القلوب مثل إسفنجة سلة زهور الزهرة (Euplectella aspergillum)*. لقد أثار هذا الهيكل الشبكي* الدقيق الشبيه بالزجاج اهتمام العلماء منذ فترة طويلة بقدرته على تحمل الظروف القاسية في أعماق البحار. ومؤخرًا، اكتشف الباحثون ميزة أخرى رائعة لهذا المخلوق القديم: قدرته على تصفية التغذية باستخدام التيارات المحيطة الخافتة في أعماق المحيط دون القيام بأي ضخ.
اكتشف فريق دولي، بقيادة جامعة روما تور فيرغاتا (University of Rome Tor Vergata) وكلية الهندسة بجامعة نيويورك تاندون (NYU Tandon School of Engineering)، أن إسفنجة سلة زهور الزهرة* تستخدم نظامًا طبيعيًا للتحكم في التدفق "بدون طاقة". هذا الاكتشاف الرائد، المنشور في مجلة Physical Review Letters، يمكن أن يحدث ثورة في تصميم الأنظمة الهندسية المختلفة، بما في ذلك المفاعلات الكيميائية، وأنظمة تنقية الهواء، والمبادلات الحرارية، والأنظمة الهيدروليكية، والأسطح الديناميكية الهوائية.
ومن خلال عمليات محاكاة حاسوبية عالية الدقة، كشف الباحثون كيف يتلاعب الهيكل العظمي للإسفنجة* بتيارات أعماق البحار البطيئة لتتدفق صعودا إلى تجويفها المركزي. يسمح هذا التصميم المبتكر للإسفنجة* بالتغذية على العوالق والمخلفات البحرية الأخرى دون إنفاق الطاقة على الضخ.
يتميز السطح الخارجي للإسفنجة* بتصميم حلزوني محزز يعمل مثل درج حلزوني، مما يمكّنها من سحب الماء بشكل سلبي* إلى أعلى من خلال إطارها المثقب. يسمح هذا التكيف للإسفنج بالنمو في بيئة ذات تيارات غير مناسبة عادةً للتغذية المعلقة.
وقال ماوريتسيو بورفيري، أستاذ معهد تاندون بجامعة نيويورك ومدير مركز العلوم الحضرية + التقدم (CUSP) و الذي شارك في قيادة الدراسة: "إن بحثنا يحسم الجدل الذي نشأ في السنوات الأخيرة: قد تكون إسفنجة سلة زهور الزهرة* قادرة على سحب العناصر الغذائية بشكل سلبي*، دون أي آلية ضخ نشطة". "إنه تكيف مذهل يسمح لمغذي الفلتر هذا بالنمو في التيارات الغير المناسبة عادة للتغذية المعلقة."
عند سرعات التدفق العالية، يقلل الهيكل الشبكي* من السحب إلى الأعضاء، ولكن نظام التهوية الطبيعي هذا يتألق حقًا في أعماق المحيطات شبه السكونية. إن قدرة الإسفنج على سحب الطعام بشكل سلبي* تكون أكثر فعالية عند سرعات التيار البطيئة جدًا في بيئته، سنتيمترات فقط في الثانية.
وأكد المؤلف الرئيسي للدراسة، جياكومو فالكوتشي من جامعة تور فيرغاتا في روما وجامعة هارفارد، على الأداء الديناميكي السائل الرائع للإسفنجة*. وقال: "لقد توصلت الإسفنجة* إلى حل أنيق لزيادة إمدادات المواد الغذائية إلى الحد الأقصى مع العمل بالكامل من خلال آليات سلبية*".
ولإجراء أبحاثهم، استخدم الفريق حاسوب ليوناردو العملاق* القوي الموجود في CINECA، وهو مركز للحوسبة الفائقة في إيطاليا. لقد أنشأوا نموذجًا ثلاثي الأبعاد واقعيًا للغاية للإسفنجة*، مما سمح لهم بإجراء محاكاة تفصيلية* لتدفق المياه حول الهيكل العظمي للإسفنجة* وداخله. وقد قدمت عمليات المحاكاة هذه، التي يستحيل إجراؤها على الإسفنج الحي، رؤى غير مسبوقة حول آليات تغذية الإسفنج.
تشير النتائج التي توصلت إليها عمليات المحاكاة هذه إلى أن تصميم الإسفنجة* يمكن أن يلهم مفاعلات أكثر كفاءة من خلال تحسين أنماط التدفق الداخلي مع تقليل السحب الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأسطح المثقبة أن تعزز أنظمة تنقية الهواء والتهوية في المباني. قد تلهم التلال الحلزونية الغير المتماثلة أيضًا هياكل الطائرات ذات السحب المنخفض التي تحافظ على الانسياب الجانبي مع تعزيز تدفق الهواء الداخلي.
تعتمد هذه الدراسة على بحث سابق نُشر في مجلة Nature عام 2021، حيث أنشأ الفريق أول محاكاة على الإطلاق لإسفنجة* أعماق البحار وتفاعلاتها مع تدفق المياه. تم دعم البحث الحالي بمنحة من المؤسسة الوطنية للعلوم، بتمويل إضافي من CINECA، والجيل القادم من الاتحاد الأوروبي، ومجلس البحوث الأوروبي، وجامعة موناش، وجامعة توسكيا.
ضم فريق البحث جورجيو أماتي من CINECA؛ وجينو بيلا من جامعة نيكولو كوزانو؛ وأندريا لويجي فاتشي من جامعة توشيا؛ فيسيلين ك. كراستيف من جامعة روما تور فيرغاتا؛ جيوفاني بولفيرينو من جامعة توسكيا، وجامعة موناش، وجامعة أستراليا الغربية؛ وساورو سوتشي من المعهد الإيطالي للتكنولوجيا.
بينما يواصل المهندسون استلهام الإلهام من العالم الطبيعي، تقف إسفنجة سلة زهور* فينوس بمثابة شهادة على الابتكارات المذهلة الموجودة في الخلق. لا يوفر نظام التحكم في تدفق الطاقة الصفرية الخاص به لمحة عن التعديلات اللازمة للبقاء في البيئات القاسية فحسب، بل يقدم أيضًا مخططًا لتطوير تقنيات أكثر كفاءة واستدامة.
المصطلحات الأساسية
