Pulserend pompen lijkt zo’n mooi energiebesparend idee, maar vooral in theorie

De pauze in het ritme zou het hem doen. Een vloeistof pulserend door een pijp pompen, in het ritme waarop het hart bloed door de aorta pompt, vermindert turbulentie en kan daardoor een flinke energiebesparing opleveren. Dat schrijven onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria woensdag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Dat klinkt mooi, maar experts zijn desgevraagd sceptisch over toepassing van het idee. De pauze in het pompen zorgt ook voor een drukgolf en een elastische aorta kan die beter opvangen dan een stijve pijpleiding.

Het op- en rondpompen van vloeistoffen en gassen kost veel energie. Naar schatting 10 procent van de wereldwijde elektriciteitsproductie gaat op aan pompen. Dat gaat van grote schaal – industriële olie- en gasleidingen – tot kleine schaal – de verwarmingsbuizen in huis. Het kost zoveel energie omdat door wrijving in de pijpleidingen wervelingen ontstaan in de vloeistof (turbulentie), met krachten alle kanten op in plaats van alleen vooruit, zoals gewenst.

Een andere strategie

Dit is een bekend probleem. Oplossingen worden gezocht in pijpontwerp of vloeistofsamenstelling. Het menselijk lichaam gebruikt echter een andere strategie. Dankzij het ritme van het hart is er weinig turbulentie in de bloedbaan.

Het idee van pulserend pompen is niet nieuw. Achterliggende gedachte is dat een stroomversnelling, die ontstaat als een pomp meer kracht zet, het ontstaan van turbulente kinetische energie vertraagt en de schuifspanning met de wand van de pijp vermindert. Vertraging heeft ook invloed op de weerstand. Een pauze nemen in het pompen, zoals een hart doet, was nog niet eerder onderzocht.

De onderzoekers experimenteerden met een buis van 1,2 meter lang en een binnendiameter van een centimeter. Een zuiger dreef het water door een opstelling. Bij continue snelheid was in de hele buis turbulentie te zien. Zo ook bij een gelijkmatig wisselende snelheid. Werd het ritme van het menselijk hart aangehouden, inclusief pauze na de vertraging, dan was geen turbulentie te zien. De golfjes in de grafiek behorend bij deze variant lijken net die van een cardiogram.

Nieuwe energie in de golf

De verklaring hiervoor is volgens de onderzoekers dat de pauze in het pompen de versnelling ontkoppelt van de voorgaande vertraging. De turbulentie krijgt zo de kans te verdwijnen voor er nieuwe energie de golf in gaat.

De energiebesparing die dit kan opleveren becijferen de onderzoekers op 9 procent, ten opzichte van pompen met continue snelheid.

„Het idee is aardig en de gemeten effecten op laboratoriumschaal kloppen denk ik wel”, zegt Jerry Westerweel, hoogleraar vloeistofdynamica aan de TU Delft. „Maar het verschijnsel kan niet worden opgeschaald.”

Kraan snel dichtdraaien

Dat zit hem in de drukgolf door de vertraging. „Er ontstaat ‘waterslag’”, zegt Westerweel. „Thuis kun je dit ervaren als je een kraan snel dichtdraait, dan hoor je een knal en trillen de leidingen. In het experiment van de Oostenrijkers levert de mate van vertraging in combinatie met de geringe lengte van de buis geen noemenswaardige drukverschillen op. Maar kijk je naar de dynamica van een buissysteem op een schaal zoals wordt gebruikt in de olie- en gasindustrie, dan is de drukgolf aanzienlijk.”

Hij rekent voor: „Bij een diameter van 20 centimeter, een buislengte van 10 kilometer en een oliesnelheid van 3 meter per seconde kan bij eenzelfde variatie van pulserende stroming als in het artikel een drukgolf van 30 bar ontstaan.” Ter vergelijk: de druk in een waterleiding is 2 tot 4 bar.

De vergelijking met de bloedstroom gaat op meer plekken mank. „De aderwand is elastisch, waardoor bij een pulserende stroming een deel van de energie in het oprekken van de wand gaat zitten”, zegt Westerweel. „Ook vangt het vaatstelsel variaties in bloedstroming op door het bloedvat in diameter te laten toenemen, waardoor de snelheid van de stroming afneemt. In een rigide buis, zoals in het artikel, kan dit allemaal niet.”