Många önationer, inklusive Maldiverna i Indiska oceanen, står inför ett existentiellt hot till följd av en stigande havsnivå som orsakats av globala klimatförändringar. En grupp MIT-forskare ledda av Skylar Tibbits, en docent i designforskning vid institutionen för arkitektur, testar sätt att utnyttja naturens egna krafter för att bibehålla och återuppbygga hotade öar och kustlinjer.

Cirka 40 procent av världens befolkning bor i kustområden som hotas av havsnivåhöjningar under de kommande decennierna, ändå finns det få bevisade åtgärder för att motverka hotet. Vissa föreslår att man bygger barriärväggar, muddring av kustlinjer för att återuppbygga stränder, eller bygga flytande städer för att undkomma det oundvikliga, men sökandet efter bättre tillvägagångssätt fortsätter.

MIT-gruppen var inbjuden av Invena, en grupp på Maldiverna som hade sett forskarnas arbete med självmontering och självorganisering och ville samarbeta kring lösningar för att komma till rätta med havsnivåhöjningen. Det resulterande projektet har nu visat lovande initiala resultat, med en och en halv fot av lokaliserad sandansamling avsatt på bara fyra månader. MIT News bad Tibbits att beskriva det nya tillvägagångssättet och dess potential.

F:Människor har försökt att modifiera och kontrollera rörelsen av sand i århundraden. Vad var inspirationen till detta nya och annorlunda tillvägagångssätt för att bygga om stränder och strandlinjer?

S:När vi först besökte Maldiverna, vi togs till en lokal sandbank som precis hade bildats. Det var otroligt att se storleken på sandbanken, cirka 100 meter lång och 20 meter bred, och mängden sand, över 1 meter djup, som byggdes helt för sig själv, på bara några månader. Vi förstod att dessa sandreglar dyker upp och försvinner vid olika tider på året baserat på havets krafter och undervattensbatymetri. Lokalhistoriker berättade för oss om hur de skulle samarbeta med havet, växande vegetation för att expandera sina öar eller förvandla deras form. Dessa naturliga och kollaborativa tillvägagångssätt för att växa landmassa genom sandsjälvorganisering kom i skarp kontrast till människans muddring av sand från djuphavet, som också används för öåtervinning. På samma tid som det tar att muddra en ö, som tar månader, vi såg tre olika sandreglar bilda sig själva, genom satellitbilder.

Vi började inse att mängden energi, tid, pengar, arbetskraft, och förstörelse av den marina miljön som orsakas av muddring skulle sannolikt kunna stoppas om vi kunde förstå varför sandreglar bildas naturligt och utnyttja detta naturliga fenomen av självorganisering. Målet med våra laboratorie- och fältexperiment är att testa hypoteser om varför sandreglar bildas, och översätta dessa till mekanismer för att främja deras ackumulering på strategiska platser.

Genom att samarbeta med havets naturliga krafter tror vi att vi kan främja självorganisering av sandstrukturer för att växa öar och återuppbygga stränder. Vi tror att detta är ett hållbart förhållningssätt till problemet som så småningom kan skalas till många kustområden runt om i världen, precis som skogsbruk används för att stärka och skydda skogar från okontrollerade bränder eller igenväxning.

F:Kan du beskriva hur detta system fungerar, och hur den utnyttjar vågornas energi för att bygga upp sanden på de platser där den behövs?

S:Tillsammans med våra medarbetare på Maldiverna, vi designar, testning, byggnad, och distribuera dränkbara enheter som, helt enkelt baserat på deras geometri i förhållande till havets vågor och strömmar, främja sandansamling i specifika områden. I vårt första fältexperiment byggde vi blåsor av kraftig duk, sys ihop till de exakta rampgeometrierna. Med vårt andra fältexperiment, vi tog de bästa designerna från hundratals labbexperiment och lät tillverka dem från ett geotextilmembran. I båda experimenten fyllde vi blåsorna med sand för att tynga ner dem och sänkte dem sedan under vattnet. För vårt nästa fältexperiment bygger vi blåsor som har inre kammare som fungerar som en ballast i en ubåt, låter blåsan sjunka eller flyta och snabbt flyttas eller utplaceras. Varje experiment försöker göra tillverknings- och installationsprocessen så enkel och skalbar som möjligt.

Den enklaste mekanismen som vi testar är en rampliknande geometri som sitter på havsbotten och stiger vertikalt till vattenytan. Så vitt vi förstår, vad vi ser är att när vattnet rinner över toppen av rampen skapar det turbulens på andra sidan, blanda sanden och vattnet och sedan skapa sedimenttransport. Sanden börjar samlas på baksidan av rampen, staplar ständigt ovanpå sig själv. Vi har testat många andra geometrier som försöker minimera omslutande effekter, eller fokusera ackumuleringen på specifika områden, och vi fortsätter att söka efter optimala geometrier. På många sätt, dessa beter sig som naturliga djupvariationer, revstrukturer, eller vulkaniska formationer och kan fungera på liknande sätt för att främja sandansamling. Vårt mål är att skapa anpassningsbara versioner av dessa geometrier som lätt kan flyttas, omorienterad, eller utplaceras när säsonger ändras eller stormar ökar.

Sedan 2018 har vi genomfört experiment i vårt labb vid MIT i samarbete med Taylor Perron i [The Department of] Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. Vi har byggt två vågtankar där vi testar en mängd olika vågförhållanden, sandbeteenden, och geometrier för att främja ackumulering. Målet är att anpassa våra laboratorieexperiment och modeller till verkliga förhållanden som är specifika för de två dominerande årstiderna på Maldiverna. Vi har gjort hundratals tankexperiment hittills och använder dessa studier för att få intuition och insikt i vilka mekanismer som resulterar i den största sandansamlingen. Det bästa av dessa labbexperiment översätts sedan till fältexperiment två gånger om året.

F:Hur kunde du upptäcka och kvantifiera effekterna av ditt experiment, och vad är dina planer för att fortsätta och utöka detta projekt?

S:Vi har samlat in satellitbilder, drönarebilder, och fysiska mätningar ända sedan vi installerade vårt första fältexperiment i februari 2019 och vårt andra fältexperiment i oktober/november 2019. Satellitbilderna och drönarfilmerna ger oss en visuell indikation på sandansamling; dock, det är utmanande att kvantifiera mängden sand från dessa bilder. Så vi förlitar oss mycket på fysiska djupmätningar. Vi har en serie koordinater som vi skickar till våra samarbetspartners på Maldiverna som sedan tar en båt eller vattenskoter ut till de koordinaterna och gör djupmätningar. Vi jämför sedan dessa mätningar med våra tidigare mätningar, med tanke på dag/tid och förhållande till tidvattenhöjden.

Med vårt senaste fältexperiment, vi har samlat in bilder och fysiska mätningar för att analysera sandansamlingen. Vi ser nu ungefär en halv meter (cirka 20 tum) ny sand ansamling över ett område på cirka 20 meter gånger 30 meter, sedan november. Det är cirka 300 kubikmeter sandansamling, på ungefär fyra månader. Vi ser dessa som lovande tidiga resultat som är en del av ett mycket långsiktigt initiativ där vi siktar på att fortsätta testa dessa tillvägagångssätt på Maldiverna och olika andra platser runt om i världen.

Vi har nyligen tilldelats ett National Geographic Exploration-bidrag och planerar att åka tillbaka till Maldiverna för ytterligare två fältinstallationer senare i år och 2021. Vårt långsiktiga mål är att skapa ett system av nedsänkbara strukturer som kan anpassa sig till det dynamiska vädret förutsättningar för att naturligt växa och återuppbygga kustlinjer. Vi strävar efter att skala detta tillvägagångssätt och skräddarsy det till många platser runt om i världen för att hjälpa till att återuppbygga och stabilisera tätbefolkade kustlinjer och sårbara önationer.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.