Vattenkraftutvecklare måste ta hänsyn till många faktorer när det är dags att licensiera ett nytt projekt eller förnya ett befintligt:​​Hur kan miljöpåverkan mildras, inklusive till fiskpopulationer? Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har landat en unik lösning:att använda 3-D-utskrift och sensorer för att skapa falska fiskar för turbintestning.

När fisk passerar genom vattenkraftsdammar, de stöter på hinder som kan orsaka skador – tryckförändringar, turbulens, och snurrande blad på turbiner. Som en del av sitt miljöbedömningsarbete för vattenkraftprojekt, ORNL utvecklade ett system för att analysera effekten av turbinkonstruktioner på högvärdiga arter.

"Vi vill förstå de krafter som olika fiskarter möter och hur dessa krafter kan resultera i skada eller dödlighet, sa Ryan Saylor, en Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education student som arbetar i ORNL:s Environmental Sciences Division. "Det kan finnas justeringar som turbindesigners och tillverkare kan göra som skulle bevara fiskarter samtidigt som effekten på energiproduktionen minimeras."

Arbetet är viktigt. Vattenkraft är den största källan till förnybar energi och energilagring i allmännyttan i landet, svarar för 6 % av den totala elproduktionen. ORNL har en lång historia av att stödja vattenkraft, inklusive förbättringar av licens- och regleringsprocessen.

Det finns många faktorer att ta hänsyn till när man testar vattenkraftens effekter på fisk:hur snabbt bladen rör sig, bladens tjocklek och vinkel, hur stor varje fisk är och var dess massa ligger.

"Vad vi insåg är att det i grunden är ett fysikproblem, " tillade Mark Bevelhimer, som startade projektet och har nyligen gått i pension från ORNL.

Forskarna bestämde sig för att skapa en modellfisk - i tekniska termer, en antropomorf testenhet – för att hjälpa dem att förstå krafterna i turbinbladen och generera flera datapunkter för analys.

De kom på idén att använda ballistisk gel för fiskkroppen. Gelen, ursprungligen utvecklad för militära ändamål, kan styras för olika densiteter för att efterlikna muskelvävnad.

För att skapa formar för olika fiskarter, forskarna vände sig till 3D-utskriftsfunktionerna vid tillverkningsdemonstrationsanläggningen, en DOE utsedd användaranläggning på ORNL. Forskarna tog med fisk till MDF för att laserskannas, och de resulterande konturerna matades in i ett datorstödt designprogram som i sin tur ledde en 3D-skrivare för att skapa formar av varje fisk som skulle testas.

Brian Post, som ledde MDF-satsningen, noterade att 3D-utskrift av formarna är en snabb, lågkostnadslösning som möjliggör skapandet av ett stort utbud av fiskmodeller på kort tid. "Varje art har en annan morfologi, så att göra formar gör att vi kan fånga dessa skillnader. Vi kan göra en unik fisk ganska enkelt. Om du skulle tillverka formarna på konventionellt sätt, det skulle ta längre tid att subtrahera formen från ett materialblock, " Inlägget förklaras.

Miljöforskarna blandade den ballistiska gelén med kanelolja (ett billigt antimikrobiellt medel) och fyllde sedan formarna och lät gelén stelna. Teamet testade "squishiness" hos efterföljande falska fiskar för att komma så nära verkligheten som möjligt. Forskarna belade sedan fisken i en plastliknande färg för att ge dem mer styvhet och för att efterlikna hud och fjäll.

Sensorer inbäddade i modellerna mäter acceleration och G-krafter i turbinsimulatorn i tre dimensioner. Töjningsmätare används också för att mäta hur fisken sträcker sig eller drar ihop sig internt och externt som ett resultat av de simulerade anslagen.

Forskarna fortsätter att förbättra modellen, inklusive att öka svarsfrekvensen, vilket i sin tur borde resultera i högre upplösning av data, samt framsteg inom dataextraktion och analys. Hittills har de skapat och testat modeller av fyra fiskarter:regnbåge, Bluegill, shad och bas.

Projektet finansierades av ORNL:s Laboratory Directed Research and Development-program.

"Att härma biologi är svårt, Saylor noterade. "Vi har arbetat för att komma så nära vi kan en bra representation utan att använda specialutrustning som kan öka kostnaderna."

Det faktum att det finns lite standardisering av vattenkraftprojekt ger en möjlighet till mer arbete, forskarna noterade. Vattenkraftsdammar har till stor del byggts efter varje platss geografi och kundens kraftbehov, så varje projekt är olika.

"Vi vill producera vattenkraft på ett sätt som inte skadar fisken som passerar igenom, ", sa Bevelhimer. "Det finns ett stort tryck på kraftdammägare och operatörer att minska sin miljöpåverkan. Det finns många utmaningar, och att ge fisk säkrare passage är en av dem."