風力発電をさらに環境に優しいものに

May 25, 2023

時は 2035 年。世界が気候変動の危機に直面している中、人類の事業は、急速に成長する草と 100 万年前の菌類の根から作られたタービンブレードを備えた風力発電所によって動力を供給されています。

気候変動映画のワンシーンのように聞こえるかもしれませんが、ポリマー複合材料の専門家でカリフォルニア大学デービス校機械航空宇宙工学科の教授であるヴァレリア・ラ・サポナラ氏は、竹と菌糸体から堆肥化可能で環境に優しい風力タービンブレードを開発するというビジョンを持っています。 、キノコを実らせる菌類の根のようなシステム。 工学部のネクストレベル戦略的研究ビジョンからのシード資金と、研究の初期段階でのカリフォルニア大学デービス・サステナビリティのグリーン・イニシアチブ基金からの助成金を受けて、土木・環境工学部のラ・サポナラ共同主任研究員ミケーレ・バルバト氏は、先端複合材料研究、工学、科学研究室の学生と研究者からなる多様なチームがキャンパスでプロトタイプをテストしています。

風力は、カリフォルニアおよび世界中で最も急速に成長している再生可能エネルギー源の 1 つです。 これは、カリフォルニア州が2045年までにカーボンニュートラルを実現するための重要な部分である。世界の風力発電の半分以上を占める中国は、2060年の発電電力網の実現に向けて、2025年までに1,300万世帯に電力を供給できる風力発電所を建設する計画を立てている。ゼロゴール。

風力の役割の拡大は主に良いニュースです。 しかし、この重要な再生可能エネルギー源が成長するにつれて、埋め立て地に送られる風力ブレードの数が飛躍的に増加するため、環境に配慮したソリューションが必要とされています。 風力タービンのブレードは巨大です。2021 年の米国のローターの平均直径は 418 フィートでした。つまり、1 枚のブレードはボーイング 747 の翼長とほぼ同じ大きさです。 強風や気象条件に対して耐久性があるように設計されており、ブレードの寿命は約 20 年で、廃棄または交換されます。 ほとんどは、バルサ材の上にグラスファイバー/エポキシの複合構造を使用して構築されており、安定性と柔軟性が追加されています。 リサイクルの選択肢は非常に限られており、費用がかかり、輸送による二酸化炭素排出量の追加の影響が生じます。

風力タービンのブレードのほとんどは埋め立て地に捨てられます。 最近の調査によると、米国だけでも、2050 年までに 200 万トン以上の使用済みブレードが埋め立て地に送られると予測されています。 世界中で、2050 年までに廃止されると予想されるすべてのブレードの質量は、4,300 万トンに達する可能性があります。 バルサ材の使用は、環境にさらに壊滅的な影響を与えます。 風力発電産業の急速な成長により、エクアドルのアマゾン熱帯雨林では伐採が過剰になり、その結果、歯止めのない森林伐採が発生し、地域の先住民族コミュニティに社会的被害を与えています。 一部のメーカーは PET プラスチックへの切り替えを進めており、環境中には数百万トンの PET 廃棄物が増加しています。

ラ・サポナーラにとって、風力発電による汚染は緊急の問題です。

「私たちはクリーンエネルギーを望んでいますが、クリーンエネルギーが環境を汚染することはできませんし、森林破壊を引き起こすこともできません」とラ・サポナーラ氏は語った。 「私たちがクリーンエネルギーをやっているのであれば、それはアマゾンの熱帯雨林を伐採することではありません。私たちは誰にとっても善良な市民でありたいのです。」

ラ・サポナーラは、グラスファイバーやバルサ材の代わりに、カリフォルニアのセントラルバレーからの農業廃棄物からの竹、菌糸体、バイオマスを編んだもので作られた、堆肥化可能な風力タービンブレードを構想している。 彼女は 2019 年に初めて菌糸体の研究を始めました。そのとき、彼女はバイクのヘルメットライナーの化石ベースのプラスチックの代替品を探していました。 菌糸体は驚くほど多用途な物質であり、ラ サポナーラの研究室は、ポリウレタンやアクリルなどの非分解性材料に代わる、低炭素排出、低毒性、堆肥化可能な代替品として菌糸体を利用する可能性を研究してきました。

風力タービンのブレードのように大規模かつ複雑なプロジェクトにスケールアップすることは、高度に協力的なグループが関与する次のレベルの動きです。

「プロジェクトは急成長している」とラ・サポナーラ氏は冗談を言った。 「このデザインを作成するには、複数の分野の協力が必要です。」

構造開発をサポートする共同主任研究員のバルバト氏と研究エンジニアのシュハオ・ワン氏に加えて、このプロジェクトにはエンジニアリングとデザインの多様な学生研究者のグループが含まれています。

幸運なことに、ラ・サポナーラのチームには非常に学際的な研究者がおり、その研究者は熟練した竹職人でもあります。研究室の計装および設計研究エンジニアであるシュハオ・ワンは、趣味として竹を使ってボトルの中に船の模型を作ってきました。 ワンさんは竹のアシを編むさまざまな方法を試しています。

一方、チームは菌糸体層を成長させて付着させるための培地の最適化に取り組んでいます。 菌糸体は、条件が適切である限り、使用される場所で成長させることができるため、驚くべき材料です。 この真菌群は、コーヒーかすから廃棄プラスチックに至る廃棄物の流れの中で繁殖し、その原料がその特性に影響を及ぼします。 しかし、菌糸体がすべてを食べるわけではないので、当然のことながら抗真菌効果のある竹はメニューにありません。 研究チームは消費後の繊維廃棄物を組み込むテストを行っており、埋め立てに送られる廃棄物を使って菌糸体を成長させるというボーナスの結果が得られる可能性がある。

チームは最近、テストを開始するためにプロトタイプを構築しました。

ラ・サポナーラ氏は、「どれくらいの速さで回転できるか、どのくらいの電力を生成できるかを調べるために構造テストをしたい」と述べた。

菌糸体と竹の複合材は、キャンパス中央から離れた西部冷却効率センターの一部であるSTEEL Labの近くに設置された商用1キロワットタービンのブレードを置き換える予定だ。 ラ・サポナーラは、これらのブレードの弾力性もテストし、時速85マイルの風に耐えられるかどうかを確認すると述べた。

「妥当な電力量である1キロワットの概念実証ができたら、この概念を分散型エネルギー用途に商業化するために企業と協力し始めることができる」とラ・サポナラ氏は語った。

これらは、ブレードを世界規模で使用できるように拡張するという最終的な目標に向けた初期段階にあります。 実際、このブレードは、エネルギーソリューションがすぐに必要とされる自然災害の影響を受ける地域で役立つ可能性があり、風力発電とソーラーパネルを組み合わせることができます。

「私たちが今やっていることはもう機能しません」と彼女は言いました。 「私たちは環境の転換点にあり、最も高い代償を払うのは私たちの次世代です。結局のところ、環境正義を語らずに環境工学を語ることはできません。」

共同主任研究員ミケーレ・バルバト土木・環境工学科の教授である同氏は、博士研究員のプラカシュ・シン・バダル氏にアドバイスし、塔の構造モデリングをサポートする予定だ。

シュハオ・ワン同研究所の計装および設計の研究エンジニアであり、カリフォルニア大学デービス校の機械工学および航空宇宙工学の卒業生でもある彼は、竹の層の構造を含め、ブレードを構築する方法を研究している。 Shuhao さんは博士号を取得する予定です。 2023年秋にミシガン大学で。

シュリー・ナガルカール博士号機械工学および航空宇宙工学の学生である彼は、これらの柔軟な風力タービン ブレードの空気力学および流体構造の相互作用挙動の調査を開始しました。 最近では、風力タービンのブレードの空気力学モデリングが学部生の研究者によって行われています。フェルナンド・エルナンデス・サンチェス(機械工学および航空宇宙工学の卒業生、パイロット)、風力タービンの空気力学の専門家によるアドバイスカムリ・バドリャ, 機械航空工学科の助教授。

学部学生研究者ニコラス・ギャロ、ドミニク・スフル、コナー・プレスコット（機械工学および/または航空宇宙工学専攻のさまざまな段階で）およびシバニ・トーレス・ラル（化学工学の学生）は、ブレードの構築から菌糸体/バイオナスの準備とテストに至るまで、プロジェクトのさまざまな側面に取り組んできました。

アレハンドラ・ルイスデザイン学科の美術修士課程の学生は、繊維上で成長する菌糸体を研究しています。 ルイスは、デザイン学科の教授でバイオデザインの専門家であるクリスティーナ・コグデルによって指導を受けています。

アイデレン・モントーヤカリフォルニア州立大学サンマルコス校、博物館研究、芸術、歴史を専攻し、さまざまな用途のために紙から成長する菌糸体を研究している2022年夏期研究学部生。 モントーヤは、CSUSM の芸術、メディア、デザイン学科のルーシー HG ソロモン教授の指導を受けています。

画像のプレスキットはここからダウンロードできます。