మెరుగైన వాటర్ ఫిల్టర్‌లను రూపొందించడానికి, MIT ఇంజనీర్లు మాంటా కిరణాలను చూస్తారు

కొత్త పరిశోధన ఫిల్టర్-ఫీడర్లు నీటి శుద్ధి వ్యవస్థల రూపకల్పనకు తెలియజేయగల పారగమ్యత మరియు ఎంపిక మధ్య సహజ సమతుల్యతను చూపుతాయి.

ఫిల్టర్ ఫీడర్‌లు చిన్న క్రస్టేసియన్‌లు మరియు కొన్ని రకాల పగడాలు మరియు క్రిల్‌ల నుండి వివిధ మొలస్క్‌లు, బార్నాకిల్స్ మరియు భారీ బాస్కింగ్ షార్క్‌లు మరియు బలీన్ వేల్‌ల వరకు జంతు ప్రపంచంలో ప్రతిచోటా ఉన్నాయి. ఇప్పుడు, MIT ఇంజనీర్లు పారిశ్రామిక నీటి ఫిల్టర్‌ల రూపకల్పనను మెరుగుపరిచే మార్గాల్లో ఆహారాన్ని జల్లెడ పట్టడానికి ఒక ఫిల్టర్ ఫీడర్ అభివృద్ధి చెందిందని కనుగొన్నారు.

లో ఈ వారం కనిపించే పేపర్‌లో నేషనల్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్ ప్రొసీడింగ్స్ బృందం మొబులా రే యొక్క ఫిల్టర్-ఫీడింగ్ మెకానిజమ్‌ను వర్గీకరిస్తుంది – రెండు మాంటా జాతులు మరియు ఏడు డెవిల్ కిరణాలను కలిగి ఉన్న జల కిరణాల కుటుంబం. మొబ్యులా కిరణాలు సముద్రంలోని పాచి అధికంగా ఉండే ప్రాంతాల ద్వారా నోరు తెరిచి ఈత కొట్టడం ద్వారా మరియు పాచి కణాలను వాటి గుల్లెట్‌లోకి ఫిల్టర్ చేయడం ద్వారా వాటి నోటిలోకి మరియు వాటి మొప్పల ద్వారా నీరు ప్రవహిస్తుంది.

మొబ్యులా కిరణం యొక్క నోటి నేల రెండు వైపులా సమాంతరంగా, దువ్వెన లాంటి నిర్మాణాలతో కప్పబడి ఉంటుంది, వీటిని ప్లేట్లు అని పిలుస్తారు, ఆ నీటిని కిరణాల మొప్పల్లోకి పంపుతుంది. MIT బృందం ఈ ప్లేట్ల యొక్క కొలతలు ఇన్‌కమింగ్ పాచి మొప్పల ద్వారా బయటకు కాకుండా ప్లేట్‌ల అంతటా మరియు మరింత కిరణాల కుహరంలోకి బౌన్స్ అయ్యేలా అనుమతించవచ్చని చూపించింది. ఇంకా ఏమిటంటే, కిరణం యొక్క మొప్పలు బయటకు ప్రవహించే నీటి నుండి ఆక్సిజన్‌ను గ్రహిస్తాయి, ఆహారం తీసుకునేటప్పుడు కిరణం ఏకకాలంలో శ్వాస తీసుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.

MITలో మెకానికల్ ఇంజినీరింగ్ యొక్క పప్పలార్డో ప్రొఫెసర్, అధ్యయన రచయిత అనెట్ “పెకో” హోసోయ్ మాట్లాడుతూ, “మొబులా రే ఈ ప్లేట్ల జ్యామితిని ఆహారం మరియు శ్వాసను సమతుల్యం చేయడానికి సరైన పరిమాణంలో రూపొందించిందని మేము చూపిస్తాము.

ఇంజనీర్లు మోబులా రే యొక్క ప్లాంక్టన్-ఫిల్టరింగ్ లక్షణాల తర్వాత ఒక సాధారణ నీటి వడపోతను రూపొందించారు. 3డి-ప్రింటెడ్ ప్లేట్ లాంటి నిర్మాణాలను అమర్చినప్పుడు ఫిల్టర్ ద్వారా నీరు ఎలా ప్రవహిస్తుందో వారు అధ్యయనం చేశారు. బృందం ఈ ప్రయోగాల ఫలితాలను తీసుకుంది మరియు బ్లూప్రింట్‌ను రూపొందించింది, డిజైనర్లు పారిశ్రామిక క్రాస్-ఫ్లో ఫిల్టర్‌లను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చని వారు చెప్పారు, ఇవి మొబ్యులా రేకు కాన్ఫిగరేషన్‌లో విస్తృతంగా సమానంగా ఉంటాయి.

“మాంటా రే నుండి కొత్త పరిజ్ఞానంతో సాంప్రదాయ క్రాస్-ఫ్లో ఫిల్ట్రేషన్ యొక్క డిజైన్ స్థలాన్ని మేము విస్తరించాలనుకుంటున్నాము” అని ప్రధాన రచయిత మరియు MIT పోస్ట్‌డాక్ Xinyu Mao PhD ’24 చెప్పారు. “ప్రజలు మొబ్యులా రే యొక్క పారామీటర్ పాలనను ఎంచుకోవచ్చు, తద్వారా వారు మొత్తం ఫిల్టర్ పనితీరును మెరుగుపరచగలరు.”

MITలో మెకానికల్ ఇంజినీరింగ్ అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్ అయిన ఇర్మ్‌గార్డ్ బిషోఫ్‌బెర్గర్‌తో కలిసి హోసోయ్ మరియు మావో కొత్త అధ్యయనాన్ని రచించారు.

మెరుగైన ట్రేడ్-ఆఫ్

కోవిడ్ మహమ్మారి ఉధృతంగా ఉన్న సమయంలో, వైరస్‌ను ఫిల్టర్ చేయడానికి పరిశోధకులు ఫేస్ మాస్క్‌లను రూపొందిస్తున్నప్పుడు, కొత్త అధ్యయనం సమూహం యొక్క వడపోతపై దృష్టి పెట్టింది. అప్పటి నుండి, మావో జంతువులలో వడపోతను అధ్యయనం చేయడంపై దృష్టి సారించారు మరియు కొన్ని ఫిల్టర్-ఫీడింగ్ మెకానిజమ్‌లు నీటి శుద్ధి కర్మాగారాల వంటి పరిశ్రమలో ఉపయోగించే ఫిల్టర్‌లను ఎలా మెరుగుపరుస్తాయి.

ఏదైనా పారిశ్రామిక వడపోత తప్పనిసరిగా పారగమ్యత (ఫిల్టర్ ద్వారా ద్రవం ఎంత తేలికగా ప్రవహిస్తుంది), మరియు సెలెక్టివిటీ (లక్ష్య పరిమాణంలోని కణాలను ఉంచడంలో ఫిల్టర్ ఎంత విజయవంతమైనది) మధ్య సమతుల్యతను కలిగి ఉండాలని మావో గమనించాడు. ఉదాహరణకు, పెద్ద రంధ్రాలతో నిండిన పొర చాలా పారగమ్యంగా ఉండవచ్చు, అంటే చాలా తక్కువ శక్తిని ఉపయోగించి చాలా నీటిని పంప్ చేయవచ్చు. అయినప్పటికీ, పొర యొక్క పెద్ద రంధ్రాలు అనేక కణాలను అనుమతించాయి, ఇది ఎంపికలో చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. అదేవిధంగా, చాలా చిన్న రంధ్రాలతో కూడిన పొర మరింత ఎంపికగా ఉంటుంది, అయితే చిన్న ఓపెనింగ్స్ ద్వారా నీటిని పంప్ చేయడానికి మరింత శక్తి అవసరం.

“పర్మెబిలిటీ మరియు సెలెక్టివిటీ మధ్య ఈ ఒప్పందంతో మనం ఎలా మెరుగ్గా పని చేస్తాం అని మనల్ని మనం ప్రశ్నించుకున్నాము” అని హోసోయ్ చెప్పారు.

మావో ఫిల్టర్-ఫీడింగ్ జంతువులను పరిశీలించినప్పుడు, మోబులా కిరణం పారగమ్యత మరియు ఎంపిక మధ్య ఒక ఆదర్శ సమతుల్యతను సాధించిందని అతను కనుగొన్నాడు: కిరణం చాలా పారగమ్యంగా ఉంటుంది, తద్వారా ఆక్సిజన్‌ను సంగ్రహించేంత త్వరగా దాని నోటిలోకి మరియు దాని మొప్పల ద్వారా నీటిని బయటకు పంపగలదు. ఊపిరి పీల్చుకోవడానికి. అదే సమయంలో, ఇది కణాలను మొప్పల ద్వారా బయటకు వెళ్లనివ్వకుండా పాచిని వడపోత మరియు ఆహారంగా తీసుకుంటుంది.

రే యొక్క వడపోత లక్షణాలు పారిశ్రామిక క్రాస్-ఫ్లో ఫిల్టర్‌ల మాదిరిగానే ఉన్నాయని పరిశోధకులు గ్రహించారు. ఈ ఫిల్టర్‌లు ద్రవం చాలా వరకు ద్రవం గుండా ప్రవహించే పారగమ్య పొర అంతటా ప్రవహించేలా రూపొందించబడ్డాయి, అయితే ఏదైనా కలుషిత కణాలు పొర అంతటా ప్రవహించడం కొనసాగిస్తాయి మరియు చివరికి వ్యర్థాల రిజర్వాయర్‌లోకి వెళ్లిపోతాయి.

పారిశ్రామిక క్రాస్-ఫ్లో ఫిల్టర్‌లకు డిజైన్ మెరుగుదలలను మోబులా రే ప్రేరేపించగలదా అని బృందం ఆశ్చర్యపోయింది. దాని కోసం, వారు మొబులా రే వడపోత యొక్క డైనమిక్స్‌లోకి లోతుగా డైవ్ చేశారు.

ఒక సుడి కీ

వారి కొత్త అధ్యయనంలో భాగంగా, బృందం మొబ్యులా రే నుండి ప్రేరణ పొందిన ఒక సాధారణ ఫిల్టర్‌ను రూపొందించింది. ఫిల్టర్ డిజైన్‌ను ఇంజనీర్లు “లీకీ ఛానల్”గా సూచిస్తారు – ప్రభావవంతంగా, దాని వైపులా రంధ్రాలు ఉన్న పైపు. ఈ సందర్భంలో, జట్టు యొక్క “ఛానల్” రెండు ఫ్లాట్, పారదర్శక యాక్రిలిక్ ప్లేట్‌లను కలిగి ఉంటుంది, అవి అంచుల వద్ద అతుక్కొని ఉంటాయి, ప్లేట్ల మధ్య కొంచెం తెరవడం ద్వారా ద్రవాన్ని పంప్ చేయవచ్చు. ఛానెల్ యొక్క ఒక చివరలో, పరిశోధకులు మొబ్యులా కిరణం యొక్క నోటి అంతస్తులో ఉండే గాడి ప్లేట్‌లను పోలి ఉండే 3D-ముద్రిత నిర్మాణాలను చొప్పించారు.

ఆ బృందం ప్రవాహాన్ని దృశ్యమానం చేయడానికి రంగు రంగులతో పాటు వివిధ రేట్ల వద్ద ఛానెల్ ద్వారా నీటిని పంప్ చేసింది. వారు ఛానల్ అంతటా చిత్రాలను తీశారు మరియు ఆసక్తికరమైన పరివర్తనను గమనించారు: నెమ్మదిగా పంపింగ్ రేట్లు వద్ద, ప్రవాహం “చాలా ప్రశాంతంగా ఉంది,” మరియు ద్రవం సులభంగా ప్రింటెడ్ ప్లేట్లలోని పొడవైన కమ్మీల గుండా మరియు రిజర్వాయర్‌లోకి జారిపోతుంది. పరిశోధకులు పంపింగ్ రేటును పెంచినప్పుడు, వేగంగా ప్రవహించే ద్రవం జారిపోలేదు, కానీ ప్రతి గాడి నోటి వద్ద తిరుగుతూ కనిపించింది, ఇది దువ్వెన దంతాల చిట్కాల మధ్య జుట్టు యొక్క చిన్న ముడి వలె సుడిగుండం సృష్టిస్తుంది.

“ఈ సుడిగుండం నీటిని అడ్డుకోవడం లేదు, కానీ అది కణాలను అడ్డుకుంటుంది” అని హోసోయ్ వివరించాడు. “నెమ్మదిగా ప్రవహిస్తున్నప్పుడు, కణాలు ఫిల్టర్ ద్వారా నీటితో వెళతాయి, అధిక ప్రవాహ రేటు వద్ద, కణాలు ఫిల్టర్ గుండా వెళ్ళడానికి ప్రయత్నిస్తాయి కానీ ఈ సుడి ద్వారా నిరోధించబడతాయి మరియు బదులుగా ఛానెల్‌ని కాల్చివేస్తాయి. సుడి కణాలను నిరోధిస్తుంది కాబట్టి ఇది సహాయపడుతుంది. ప్రవహించే నుండి.”

మొబులా కిరణాల ఫిల్టర్-ఫీడింగ్ సామర్థ్యానికి వోర్టిసెస్ కీలకమని బృందం అంచనా వేసింది. కిరణం సరైన వేగంతో ఈదగలదు, దాని నోటిలోకి నీరు ప్రవహిస్తుంది, గాడి పలకల మధ్య సుడిగుండాలను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ వోర్టీస్‌లు ఏదైనా పాచి కణాలను సమర్థవంతంగా నిరోధించాయి – ప్లేట్ల మధ్య ఖాళీ కంటే చిన్నవి కూడా. అప్పుడు కణాలు ప్లేట్‌ల మీదుగా బౌన్స్ అవుతాయి మరియు కిరణాల కుహరంలోకి వెళతాయి, మిగిలిన నీరు ఇప్పటికీ పలకల మధ్య మరియు మొప్పల ద్వారా బయటకు ప్రవహిస్తుంది.

క్రాస్-ఫ్లో ఫిల్ట్రేషన్ కోసం బ్లూప్రింట్‌ను అభివృద్ధి చేయడానికి పరిశోధకులు తమ ప్రయోగాల ఫలితాలను, మోబులా కిరణాల వడపోత లక్షణాల కొలతలతో పాటు ఉపయోగించారు.

“మొబ్యులా కిరణం వలె వాస్తవానికి ఫిల్టర్ చేయడం ఎలా అనేదానిపై మేము ఆచరణాత్మక మార్గదర్శకత్వాన్ని అందించాము” అని మావో అందిస్తున్నారు.

“మీరు వోర్టిసెస్‌ను ఉత్పత్తి చేసే పాలనలో మీరు ఉండేలా ఫిల్టర్‌ని డిజైన్ చేయాలనుకుంటున్నారు” అని హోసోయ్ చెప్పారు. “మా మార్గదర్శకాలు మీకు చెబుతున్నాయి: మీరు మీ మొక్కను నిర్దిష్ట రేటుతో పంప్ చేయాలనుకుంటే, ఈ పరిమాణంలోని కణాలను ఫిల్టర్ చేసే వోర్టీస్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి మీ ఫిల్టర్‌కు నిర్దిష్ట రంధ్ర వ్యాసం మరియు అంతరం ఉండాలి. మొబులా కిరణం నిజంగా మాకు అందిస్తోంది. హేతుబద్ధమైన డిజైన్ కోసం చక్కని నియమం.”

పేపర్: “మొబులా ఫిల్టర్‌లచే ప్రేరణ పొందిన యూనివర్సల్ లీకీ ఛానెల్ కోసం పారగమ్యత-సెలెక్టివిటీ ట్రేడ్-ఆఫ్”