Los hermosos arrecifes retorcidos y recovecos que rodean las islas tropicales sirven como refugio marino y protección natural contra mares tormentosos. Pero a medida que los efectos del cambio climático blanquean y destruyen los arrecifes de coral en todo el mundo, y los fenómenos meteorológicos extremos se vuelven más comunes, las comunidades costeras quedan cada vez más vulnerables a las frecuentes inundaciones y erosión.
Un equipo del MIT ahora espera fortificar las costas con arrecifes «arquitectados»: estructuras marinas sostenibles diseñadas para imitar los efectos de amortiguación de las olas de los arrecifes naturales y al mismo tiempo proporcionar bolsas para peces y otras especies marinas.
El diseño del arrecife del equipo se centra en una estructura cilíndrica rodeada por cuatro listones en forma de timón. Los ingenieros descubrieron que cuando esta estructura se enfrenta a una ola, la rompe de manera eficiente en chorros turbulentos que finalmente disipan la mayor parte de la energía total de la ola. El equipo ha calculado que el nuevo diseño podría reducir tanta energía de las olas como los arrecifes artificiales existentes, utilizando 10 veces menos material.
Los investigadores planean fabricar cada estructura cilíndrica a partir de cemento sostenible, que moldearían en un patrón de «vóxeles» que podrían ensamblarse automáticamente y proporcionarían bolsas para que los peces exploren y otras especies marinas se establezcan en ellas. Los cilindros podrían conectarse para formar un muro largo y semipermeable, que los ingenieros podrían erigir a lo largo de la costa, aproximadamente a media milla de la costa. Según los experimentos iniciales del equipo con prototipos a escala de laboratorio, el arrecife diseñado podría reducir la energía de las olas entrantes en más del 95 por ciento.
«Esto sería como un rompeolas largo», dice Michael Triantafyllou, profesor Henry L. y Grace Doherty de Ciencias e Ingeniería Oceánicas en el Departamento de Ingeniería Mecánica. «Si las olas tienen 6 metros de altura viniendo hacia esta estructura de arrecife, en última instancia tendrían menos de un metro de altura en el otro lado. Por lo tanto, esto elimina el impacto de las olas, lo que podría prevenir la erosión y las inundaciones».
Los detalles del diseño arquitectónico del arrecife se informan hoy en un estudio que aparece en la revista de acceso abierto. Nexo PNAS. Los coautores del MIT de Triantafyllou son Edvard Ronglan SM '23; los estudiantes de posgrado Alfonso Parra Rubio, José del Auila Ferrandis y Erik Strand; las científicas investigadoras Patricia Maria Stathatou y Carolina Bastidas; y el profesor Neil Gershenfeld, director del Centro de Bits y Átomos; junto con Alexis Oliveira Da Silva del Instituto Politécnico de París, Dixia Fan de la Universidad de Westlake y Jeffrey Gair Jr. de Scinetics, Inc.
Aprovechando la turbulencia
Algunas regiones ya han erigido arrecifes artificiales para proteger sus costas de las tormentas invasoras. Estas estructuras suelen ser barcos hundidos, plataformas de petróleo y gas retiradas e incluso configuraciones ensambladas de hormigón, metal, neumáticos y piedras. Sin embargo, existe variabilidad en los tipos de arrecifes artificiales que existen actualmente y no hay un estándar para diseñar tales estructuras. Es más, los diseños que se implementan tienden a tener una baja disipación de ondas por unidad de volumen de material utilizado. Es decir, se necesita una enorme cantidad de material para romper suficiente energía de las olas para proteger adecuadamente a las comunidades costeras.
En cambio, el equipo del MIT buscó formas de diseñar un arrecife artificial que disipara eficientemente la energía de las olas con menos material y, al mismo tiempo, proporcione un refugio para los peces que viven a lo largo de cualquier costa vulnerable.
«Recuerde, los arrecifes de coral naturales sólo se encuentran en aguas tropicales», dice Triantafyllou, director del MIT Sea Grant. «No podemos tener estos arrecifes, por ejemplo, en Massachusetts. Pero los arrecifes diseñados no dependen de la temperatura, por lo que pueden colocarse en cualquier agua, para proteger más áreas costeras».
El nuevo esfuerzo es el resultado de una colaboración entre investigadores del MIT Sea Grant, que desarrollaron el diseño hidrodinámico de la estructura del arrecife, e investigadores del Centro de Bits y Átomos (CBA), que trabajaron para hacer la estructura modular y fácil de fabricar en el lugar. . El diseño arquitectónico del arrecife del equipo surgió de dos problemas aparentemente no relacionados. Los investigadores de CBA estaban desarrollando estructuras celulares ultraligeras para la industria aeroespacial, mientras que los investigadores de Sea Grant evaluaban el rendimiento de los dispositivos de prevención de explosiones en estructuras petroleras en alta mar: válvulas cilíndricas que se utilizan para sellar pozos de petróleo y gas y evitar fugas.
Las pruebas del equipo mostraron que la disposición cilíndrica de la estructura generaba una gran cantidad de resistencia. En otras palabras, la estructura parecía ser especialmente eficiente a la hora de disipar flujos de petróleo y gas de alta fuerza. Se preguntaron: ¿Podría la misma disposición disipar otro tipo de flujo, en las olas del océano?
Los investigadores comenzaron a jugar con la estructura general en simulaciones de flujo de agua, ajustando sus dimensiones y agregando ciertos elementos para ver si las olas cambiaban y cómo cambiaban al chocar contra cada diseño simulado. Este proceso iterativo finalmente aterrizó en una geometría optimizada: un cilindro vertical flanqueado por cuatro listones largos, cada uno unido al cilindro de una manera que deja espacio para que el agua fluya a través de la estructura resultante. Descubrieron que esta configuración esencialmente rompe cualquier energía de las olas entrantes, haciendo que partes del flujo inducido por las olas giren en espiral hacia los lados en lugar de estrellarse hacia adelante.
«Estamos aprovechando esta turbulencia y estos potentes chorros para, en última instancia, disipar la energía de las olas», dice Ferrandis.
Enfrentándose a las tormentas
Una vez que los investigadores identificaron una estructura óptima para disipar las olas, fabricaron una versión a escala de laboratorio de un arrecife arquitectónico hecho a partir de una serie de estructuras cilíndricas, que imprimieron en 3D a partir de plástico. Cada cilindro de prueba midió aproximadamente 1 pie de ancho y 4 pies de alto. Reunieron varios cilindros, cada uno de ellos espaciados aproximadamente a un pie de distancia, para formar una estructura similar a una valla, que luego bajaron a un tanque de olas en el MIT. Luego generaron olas de varias alturas y las midieron antes y después de atravesar el arrecife arquitectónico.
«Vimos que las olas se redujeron sustancialmente a medida que el arrecife destruía su energía», dice Triantafyllou.
El equipo también ha estudiado cómo hacer que las estructuras sean más porosas y amigables para los peces. Descubrieron que, en lugar de hacer cada estructura a partir de una losa sólida de plástico, podían utilizar un tipo de cemento más asequible y sostenible.
«Hemos trabajado con biólogos para probar el cemento que pretendemos utilizar, y es benigno para los peces y está listo para funcionar», añade.
Identificaron un patrón ideal de «vóxeles» o microestructuras en las que se podría moldear el cemento para fabricar los arrecifes y al mismo tiempo crear bolsas en las que los peces pudieran vivir. Esta geometría de vóxel se asemeja a cartones de huevos individuales, apilados de un extremo a otro, y parece no afectar el poder general de disipación de ondas de la estructura.
«Estos vóxeles aún mantienen una gran resistencia al tiempo que permiten que los peces se muevan hacia adentro», dice Ferrandis.
Actualmente, el equipo está fabricando estructuras de vóxeles de cemento y ensamblándolas en un arrecife arquitectónico a escala de laboratorio, que probarán en diversas condiciones de olas. Imaginan que el diseño del vóxel podría ser modular y escalable a cualquier tamaño deseado, y fácil de transportar e instalar en varias ubicaciones en alta mar. «Ahora estamos simulando patrones marinos reales y probando cómo funcionarán estos modelos cuando finalmente tengamos que desplegarlos», dice Anjali Sinha, estudiante de posgrado del MIT que se unió recientemente al grupo.
En el futuro, el equipo espera trabajar con pueblos costeros de Massachusetts para probar las estructuras a escala piloto.
«Estas estructuras de prueba no serían pequeñas», subraya Triantafyllou. «Tendrían alrededor de una milla de largo y unos 5 metros de alto, y costarían alrededor de 6 millones de dólares por milla. Así que no es barato, pero podría evitar miles de millones de dólares en daños por tormentas. Y con el cambio climático, proteger las costas se convertirá en un gran problema».
Este trabajo fue financiado, en parte, por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU.
