Eine nachhaltige Lösung: kompostierbare Windturbinenblätter

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Rotorblätter aus Bambus und Myzel könnten eine wachsende Zahl von Windflügeln von Mülldeponien fernhalten

Wir schreiben das Jahr 2035. In einer Welt, die vor einer Klimakatastrophe steht, wird das menschliche Unternehmen von Feldern mit Windparks angetrieben, mit Turbinenblättern aus schnell wachsenden Gräsern und den Wurzeln eines Millionen Jahre alten Pilzes.

Es mag wie eine Szene aus einem Klimafilm klingen, aber Valeria La Saponara, Expertin für Polymerverbundstoffe, Professorin am Department of Mechanical and Aerospace Engineering der UC Davis, hat die Vision, kompostierbare, ökologisch unbedenkliche Rotorblätter für Windkraftanlagen aus Bambus und Myzel zu entwickeln , das pilzartige wurzelartige System, das Pilze hervorbringt. Mit einer Anschubfinanzierung aus der strategischen Forschungsvision „Next Level“ des College of Engineering und einem Zuschuss aus dem „The Green Initiative Fund“ der UC Davis Sustainability für die Anfangsphase der Forschung haben La Saponara, Co-Hauptforscher Michele Barbato in der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen und Ein vielfältiges Team aus Studenten und Forschern im Labor „Advanced Composites Research, Engineering and Science“ testet einen Prototyp auf dem Campus.

Wind ist eine der am schnellsten wachsenden Quellen erneuerbarer Energie in Kalifornien und auf der ganzen Welt. Es ist ein wichtiger Teil des Weges Kaliforniens zur CO2-Neutralität bis 2045. China, das mehr als die Hälfte der weltweiten Windenergie erzeugt, plant den Bau eines Windparks, der bis 2025 13 Millionen Haushalte mit Strom versorgen könnte, während es auf sein Netto-Neutralitätsziel für 2060 hinarbeitet. Null Ziel.

Die zunehmende Rolle des Windes ist größtenteils eine gute Nachricht. Da diese wichtige erneuerbare Energiequelle jedoch wächst, wird eine umweltfreundliche Lösung für die exponentiell wachsende Zahl von Windflügeln benötigt, die auf Mülldeponien landen. Windturbinenblätter sind riesig: Der durchschnittliche Rotordurchmesser in den USA betrug im Jahr 2021 418 Fuß, ein einzelnes Blatt ist also fast so groß wie die Flügelspannweite einer Boeing 747. Die Rotorblätter sind so konzipiert, dass sie starken Winden und Wetterbedingungen standhalten und haben eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren, bevor sie ausgemustert oder ersetzt werden. Die meisten bestehen aus einer Verbundstruktur aus Glasfaser/Epoxidharz auf Balsaholz, die für zusätzliche Stabilität und Flexibilität sorgt. Die Recyclingmöglichkeiten sind sehr begrenzt, kostspielig und führen zu zusätzlichen Auswirkungen auf den CO2-Fußabdruck des Transports.

Die meisten Rotorblätter von Windkraftanlagen landen auf Mülldeponien. Laut einer aktuellen Studie werden allein in den USA bis 2050 voraussichtlich mehr als 2 Millionen Tonnen ausgemusterter Rotorblätter auf Mülldeponien landen; Weltweit dürfte die Masse aller Rotorblätter, die bis 2050 ausgemustert werden, bis zu 43 Millionen Tonnen betragen. Die Verwendung von Balsaholz ist eine zusätzliche, verheerende ökologische Auswirkung. Das schnelle Wachstum der Windkraftindustrie hat zu einer Überholzung des ecuadorianischen Amazonas-Regenwaldes geführt, was zu einer unkontrollierten Abholzung der Wälder und zu gesellschaftlichem Schaden für die indigenen Gemeinschaften in der Region geführt hat. Einige Hersteller sind auf PET-Kunststoffe umgestiegen und tragen so zu den Millionen Tonnen PET-Abfällen in der Umwelt bei.

Für La Saponara ist die Verschmutzung durch Windblätter ein dringendes Problem.

„Wir wollen saubere Energie haben, aber saubere Energie darf die Umwelt nicht verschmutzen und nicht zur Abholzung der Wälder führen“, sagte La Saponara. „Wenn wir saubere Energie nutzen, dann nicht, um den Amazonas-Regenwald abzuholzen. Wir wollen gute Bürger für alle sein.“

La Saponara stellt sich einen kompostierbaren Windturbinenflügel vor, der aus geflochtenem Bambus, Myzel und Biomasse aus landwirtschaftlichen Abfällen aus dem kalifornischen Central Valley anstelle von Glasfaser und Balsaholz besteht. Sie begann 2019 erstmals mit Myzel zu arbeiten, als sie nach einer Alternative zu den fossilbasierten Kunststoffen von Fahrradhelmeinlagen suchte. Myzel ist eine erstaunlich vielseitige Substanz, und das Labor von La Saponara hat nach Möglichkeiten gesucht, es als kompostierbare Alternative mit geringem CO2-Ausstoß, geringer Toxizität und nicht abbaubaren Materialien wie Polyurethan und Acryl zu nutzen.

Die Skalierung auf ein so großes und komplexes Projekt wie die Rotorblätter von Windkraftanlagen ist ein Schritt der nächsten Stufe, an dem eine äußerst kooperative Gruppe beteiligt ist.

„Das Projekt boomt“, scherzte La Saponara. „Die Erstellung dieses Designs erfordert die Arbeit mehrerer Disziplinen.“

Neben dem Co-Hauptforscher Barbato, der die Strukturentwicklung unterstützen wird, und dem Forschungsingenieur Shuhao Wan umfasst das Projekt eine vielfältige Gruppe studentischer Forscher in den Bereichen Ingenieurwesen und Design.

Glücklicherweise hat La Saponara eine äußerst multidisziplinäre Forscherin in ihrem Team, die auch eine erfahrene Bambushandwerkerin ist: Shuhao Wan, die Instrumentierungs- und Designforschungsingenieurin des Labors, hat als Hobby mit Bambus gearbeitet und Modellschiffe in Flaschen hergestellt. Wan testet verschiedene Methoden zum Flechten der Bambusrohre.

Das Team untersucht Möglichkeiten zum Bau der Blätter, einschließlich der Strukturierung der Bambusschicht. (Gregory Urquiaga/UC Davis)

Unterdessen arbeitet das Team an der Optimierung der Medien für das Wachstum und die Anheftung der Myzelschicht. Myzel ist ein erstaunliches Material, weil es dort angebaut werden kann, wo es verwendet werden soll – solange die Bedingungen stimmen. Die Pilzmasse kann in Abfallströmen von Kaffeesatz bis hin zu weggeworfenen Kunststoffen gedeihen, wobei ihr Ausgangsstoff ihre Eigenschaften beeinflusst. Aber Myzel frisst nicht alles, und Bambus, der von Natur aus pilzhemmend wirkt, steht nicht auf der Speisekarte. Das Team testet die Einbeziehung von Post-Consumer-Textilabfällen, was den Vorteil bieten könnte, dass das Myzel mithilfe von Abfällen gezüchtet wird, die sonst auf der Mülldeponie landen würden.

Das Team hat kürzlich einen Prototyp gebaut, um mit den Tests zu beginnen.

„Wir wollen Strukturtests durchführen, um herauszufinden, wie schnell wir rotieren können und wie viel Strom wir erzeugen können“, sagte La Saponara.

Das Team untersucht einen Prototyp eines Windturbinenblatts. (Gregory Urquiaga/UC Davis)

Der Myzel-Bambus-Verbundwerkstoff wird die Rotorblätter einer kommerziellen 1-Kilowatt-Turbine ersetzen, die in der Nähe des STEEL Lab, Teil des Western Cooling Efficiency Center, abseits des zentralen Campus, aufgestellt ist. La Saponara sagte, dass sie auch die Widerstandsfähigkeit dieser Rotorblätter testen werden, um sicherzustellen, dass sie Windgeschwindigkeiten von 85 Meilen pro Stunde standhalten.

„Sobald wir den Machbarkeitsnachweis für 1 Kilowatt haben, was einer angemessenen Energiemenge entspricht, können wir mit Unternehmen an der Kommerzialisierung dieses Konzepts für dezentrale Energieanwendungen arbeiten“, sagte La Saponara.

Dies ist noch der Anfang für das letztendliche Ziel, die Rotorblätter für den weltweiten Einsatz zu skalieren. Tatsächlich könnten die Rotorblätter in Gebieten helfen, die von Naturkatastrophen betroffen sind, wo schnell Energielösungen benötigt werden und Windkraft mit Sonnenkollektoren gekoppelt werden könnte.

„Was wir gerade machen, funktioniert nicht mehr“, sagte sie. „Wir befinden uns an einem Wendepunkt in der Umwelt und unsere nächste Generation wird diejenigen sein, die den höchsten Preis zahlen werden. Letztlich gibt es keine Möglichkeit, über Umwelttechnik zu sprechen, ohne über Umweltgerechtigkeit zu sprechen.“

Co-Hauptermittler Michele Barbato, Professor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen, wird die Strukturmodellierung des Turms unterstützen und den Postdoktoranden Prakash Singh Badal beraten.

Shuhao Wan , der Instrumentierungs- und Designforschungsingenieur des Labors und ein Absolvent der UC Davis für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, untersucht Möglichkeiten zum Bau der Rotorblätter, einschließlich der Strukturierung der Bambusschicht. Shuhao wird seine Doktorarbeit beginnen. an der University of Michigan im Herbst 2023.

Shree Nagarkar , ein Ph.D. Student der Maschinenbau- und Luft- und Raumfahrttechnik begann mit der Untersuchung der Aerodynamik und des Fluid-Struktur-Wechselwirkungsverhaltens dieser flexiblen Windturbinenblätter. In jüngerer Zeit wird die aerodynamische Modellierung der Rotorblätter von Windkraftanlagen von studentischen Forschern durchgeführtFernando Hernandez Sánchez(ein Absolvent der Abteilung Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik sowie Pilot), beraten von Camli Badrya, Expertin für Windturbinen-Aerodynamik, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik.

Studentische Forscher im GrundstudiumNicholas Gallo, Dominic Soufl, Connor Prescott(in verschiedenen Stadien ihrer Hauptfächer Maschinenbau und/oder Luft- und Raumfahrttechnik) undShivani Torres-Lal(Student des Chemieingenieurwesens) haben an verschiedenen Aspekten des Projekts gearbeitet, von der Konstruktion der Klinge bis zur Vorbereitung und Prüfung des Myzels/Bionass.

Alejandra Ruiz , Master of Fine Arts-Student im Fachbereich Design, untersucht das Wachstum von Myzel auf Textilien. Ruiz wird von Christina Cogdell, Professorin am Fachbereich Design und Biodesign-Expertin, betreut.

Aidelen Montoya, California State University, San Marcos, in Museumswissenschaften, Kunst und Geschichte, eine Studentin im Sommerforschungssemester 2022, die das Wachstum von Myzel aus Papier für verschiedene Anwendungen untersucht. Montoya wird von Professorin Lucy HG Solomon in der Abteilung für Kunst, Medien und Design des CSUSM betreut.​​​​

Von Sharon Campbell Knox, neu veröffentlicht von der University of California, Davis.

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