USA:s vindindustri växer – upp med nästan 9 procent 2017 när utvecklare lade till tillräckligt med kapacitet för att driva 27 miljoner amerikanska hem, enligt American Wind Energy Association.

Ändå har vindenergi en stor outnyttjad potential. US Department of Energy uppskattar att, i genomsnitt, vindkraftsparker har endast producerat 30 procent av sin kapacitet sedan 1999. Eftersom vindparksägare och ingenjörer har försökt förbättra dessa odds, en del av problemet är bristen på korrekt och prisvärd modellering.

Att modellera vindkraft är en komplicerad bedrift som innebär att förutsäga hur luft kommer att flöda över de enskilda turbinbladen när de interagerar med vinden nära jordens yta, en region kallar forskare det atmosfäriska gränsskiktet. Att exakt fånga ett sådant intervall av variabler – i storlek från meter till kilometer – kräver en extraordinär mängd datorkraft.

Eller, som professor John Dabiri uttrycker det:"När du är klar med tillräckligt många simuleringar för att göra ett designval, möjligheten har passerat."

När han flyttade till Stanford 2015, Dabiri var angelägen om att samarbeta med professor Sanjiva Lele, en kollega på Ingenjörshögskolan. Lele och hans grupp har banbrytande metoder för att effektivt simulera atmosfären. En metod utvecklad av hans assistent Aditya Ghate, MS '14, Ph.D., '18, använder fysikmotiverade approximationer för att minska kostnaderna för att simulera vindkraftsparker på ett dramatiskt sätt. Hur dramatiskt?

"Jag skulle säga en tusenfaldig kostnadsminskning, säger Lele.

När Ghate och Leles metod fick dragkraft i fält, inklusive en framstående publikation i Journal of Fluid Mechanics , Dabiri såg synergi mellan deras arbete och hans bakgrund inom biologi-inspirerad vindenergi. Han har startat en forskarkarriär genom att öka krafttätheten i vindkraftsparker med hjälp av design inspirerad av skolfiskar och sjögräsbäddar, och genom att fokusera på mindre turbiner som svänger vertikalt, snarare än traditionella propellerliknande sådana.

"Att starta ett projekt och säkra finansieringskällor kan vara utmanande om du inte redan har erfarenhet av att ha utvecklat idéerna, " säger Dabiri. "Det vi började arbeta med var fortfarande i ett begynnande skede."

Så, att inleda sitt samarbete, de ansökte om ett fröbidrag från TomKat Center for Sustainable Energy 2016, och med det stödet på plats, de började utforska den kompletterande räckvidden av sin forskning. Stanford har sin egen testplats för vindkraftsparker i norra Los Angeles County, och det verkade vara ett logiskt ställe att börja.

"På vår fältplats i södra Kalifornien, du kan flytta runt de fysiska turbinerna, " säger Dabiri. "Men du måste välja, OK, vad är den första experimentella konfigurationen? Vad är det andra? Och hur prioriterar du dem?"

Det är där Leles teoretiska ramverk kommer in. Tillsammans, han och Dabiri kan använda fysiken för att visa vägen till lovande riktningar för den experimentella designen, och, i tur och ordning, testplatsen rapporterar tillbaka vindkraftsdata som antingen bekräftar eller omdirigerar de vetenskapliga beräkningarna.

"I den nuvarande tidsåldern av maskininlärning, data har ofta använts för att informera modeller – men vad som saknats är fysiken, " säger Lele. "Väskemekaniker har en lång tradition av att försöka förstå fysiken och komma på enkla modeller."

Deras samlade expertis har öppnat nya möjligheter för att optimera de mer än 200, 000 vindkraftverk för närvarande i drift över hela världen. Deras vetenskap är redan utanför labbet och in i verkliga vindkraftsparker, genom allianser med ett kanadensiskt vindkraftsföretag, samt ett vindenergikomplex som planeras i södra USA. Med 170, 000 hektar och upp till 3, 000 megawatt vindkraft, detta komplex kan bli en av de största vindkraftparkerna som någonsin byggts.

Professorerna hoppas att deras analytiska sweetspot kommer att ge vindkraftsutvecklare den information de behöver för att välja turbinstorlek och orientering, inom en budget och tidslinje som gör processen handlingsbar. Om deras modeller visar sig vara så hög kvalitet som de hoppas, då skulle vindbönder runt om i världen kunna använda verktyget för att generera mer vinster och mer förnybar energi.

"Två år sedan, Jag kunde inte föreställa mig vad John och jag åstadkommer nu, säger Lele.