Прагнення до енергоефективності є постійною роботою в нашому сучасному світі, і іноді найкращі рішення надходять із найскромніших джерел. У цьому випадку команда вчених звернулася до світу природи, щоб з’ясувати, як коливальні системи синхронізуються для максимального використання енергії.
Вивчаючи природні ритми, дослідники сподіваються використовувати принципи, які могли б трансформувати управління енергією в технології, від електромереж до мереж зв’язку.
Синхронізація та енергоефективність
Щодня ми бачимо приклади синхронізації в природі – ритмічне биття наших сердець у гармонії з нашими легенями або заворожливе мерехтіння світлячків в унісон. Надихнувшись цими прикладами, дослідники з Інженерної школи Університету Нью-Мексико вивчали природні ритми, щоб виявити приховані стратегії, які можуть підвищити ефективність синхронізації.
Їхнє математичне дослідження синхронізації виявило, що біологічні системи досягають ефективності, використовуючи різні фази коливань. Якщо застосувати цей підхід до людських технологій, він може дати значне підвищення ефективності в різних секторах.
«Що стосується енергії, необхідної для синхронізації підключених систем осциляторів, наша стратегія показує, що ми можемо досягти кількох порядків величини економії енергії», — сказав Аміргоссейн Назеріан, доктор філософії. кандидат машин.
Енергетичні рішення, натхненні природою
Роль синхронізації в біології — це не просто захоплююче явище; це має важливі наслідки для нашого технологічного світу. Уроки, отримані з цих природних біологічних систем, можуть допомогти покращити проектування та управління різними типами технологій, такими як електромережі та дрони, дозволяючи їм економити енергію під час коливань.
Імітація енергоефективності природи
Імітуючи точний час, який спостерігається в природі, інженери можуть розробити системи, які працюють більш плавно, ефективно та стійко, змінюючи наш підхід до управління енергією. Франческо Соррентіно є професором кафедри машинобудування та провідним дослідником дослідження.
«Ми подивилися на це з математичної точки зору і запитали, як синхронізуються системи в природі, в організмі людини, а також в екологічних і соціальних системах. У природі ефективність дуже важлива, як у тварин, так і в клітинах, оскільки ці системи не можуть дозволити собі витрачати енергію», — сказав професор Соррентіно.
Маніпулювання силою зчеплення
У співпраці з Маттео Лоді з Університету Генуї та Джозефом Хартом з Лабораторії військово-морських досліджень США команда UNM зробила чудове відкриття.
«Сильність зв’язку» означає, наскільки сильно взаємодіють компоненти коливальної системи.
Дослідники виявили, що, розуміючи різноманітні стадії коливань у системі, вони можуть маніпулювати силою зв’язку, що призведе до різкого зниження витрат енергії. Ця стратегія передбачає динамічне регулювання сили зв’язку залежно від фази коливань, у якій перебуває система, що дозволяє точно контролювати енергію.
Максимізація енергоефективності
Цей інноваційний підхід вказує на те, що синхронізація може бути досягнута більш ефективно, якщо зв’язок між коливальними системами активується лише тоді, коли це необхідно, значно мінімізуючи основні витрати енергії та запобігаючи непотрібним втратам потужності.
Це інтригуюче відкриття, яке зрештою може призвести до розробки більш енергоефективних систем. Зрештою, якщо крихітні світлячки можуть освоїти мистецтво ефективної синхронізації, хто скаже, що наші електромережі та передові технології не можуть цього зробити?
Більш широкі наслідки дослідження
Відомості, отримані завдяки природним методам синхронізації, пропонують багатообіцяюче застосування в багатьох галузях, де навіть невелике підвищення ефективності може призвести до значної економії енергії.
Наприклад, у системах відновлюваних джерел енергії, таких як вітрові та сонячні електростанції, синхронізація може допомогти стабілізувати коливання потужності, вирівнюючи вихід кількох джерел енергії. Коли ці системи працюють узгоджено, загальний вихід енергії максимізується з меншою втратою енергії.
У транспортних мережах методи синхронізації можуть зробити парки автономних транспортних засобів більш енергоефективними шляхом координації транспортних потоків, зменшення шаблонів зупинок і стартів і зниження споживання палива.
Технології охорони здоров’я також можуть отримати вигоду, оскільки медичні пристрої, такі як кардіостимулятори або діагностичне обладнання, можуть стати більш надійними та енергоефективними завдяки методам синхронізації коливань.
Відображаючи тонко налаштовані ритми природи, дослідники бачать майбутнє, де галузі зможуть працювати більш стійко, забезпечуючи кращу продуктивність із меншим впливом на навколишнє середовище. Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.