Pot pereții de stridii să protejeze țărmurile împotriva uraganelor? Darpa vrea să știe.

Pe 10 octombrie 2018, baza forțelor aeriene Tyndall din Golful Mexic – un pilon al superiorității aeriene americane – s-a trezit sub atac aerian. Uraganul Michael, observat pentru prima dată ca o furtună de categoria 2 în largul coastei Floridei, a ajuns în mod neașteptat la categoria 5. Vânturi susținute de 155 de mile pe oră au lovit la bază, aruncând stâlpi de energie, răsturnând F-22 și totalizând peste 200 de clădiri. . Singurul har salvator: În ciuda faptului că stătea pe o peninsulă, Tyndall a evitat pagubele provocate de inundații. Valenta de furtună de 9 până la 14 picioare a lui Michael a cuprins alte părți ale Floridei. Principala apărare a lui Tyndall a fost norocul.

Acel dezastru de 5 miliarde de dolari de la Tyndall a fost doar unul dintr-un număr tot mai mare de evenimente meteorologice extreme care au convins Departamentul Apărării al SUA că are nevoie de idei noi pentru a proteja cele 1.700 de baze de coastă de care este responsabil la nivel global. După cum tocmai au arătat uraganele Helene și Milton, locuitorii de pe malul mării se confruntă cu amenințări sporite din cauza schimbărilor climatice, iar Pentagonul nu face excepție. Oceanele care se ridică mestecă țărmurile. Furtunile mai puternice sunt mai capabile să inunde terenul.

Ca răspuns, Tyndall va testa mai târziu în această lună o nouă modalitate de a proteja țărmurile de valuri intense și de valuri de furtună: un recif artificial prototip, proiectat de o echipă condusă de oamenii de știință de la Universitatea Rutgers. Matricea de 50 de metri lățime, alcătuită din trei structuri în formă de chevron, fiecare cântărind aproximativ 46.000 de lire sterline, poate prelua 70% din oomph din valuri, conform testelor. Dar acesta nu este faldul bunicului tău. Este special conceput pentru a fi colonizat de stridii, unele dintre cele mai eficiente ucigașe de valuri ale naturii.

Dacă cercetătorii pot optimiza aceste creaturi pentru a lucra în tandem cu noile structuri artificiale amplasate pe mare, ei cred că barierele rezultate pot elimina 90% din energie din valuri. David Bushek, care conduce Laboratorul de cercetare Haskin Shellfish la Rutgers, jură că nu speră ca o megafurtună să vină și să arate din ce este făcută unitatea echipei sale. Dar el nu este nu sperând într-unul. „Modelele sunt întotdeauna imperfecte. Sunt întotdeauna o replică a ceva”, spune el. „Nu sunt lucrul adevărat.”

Joc apărare Reefense

Proiectul este unul dintre cele trei care sunt dezvoltate în cadrul unui program de 67,6 milioane de dolari lansat de Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată pentru Apărare a guvernului SUA, sau Darpa. Numită în mod neplăcut Reefense, inițiativa este efortul Pentagonului de a testa dacă recifele „hibride”, care combină structuri artificiale cu stridii sau corali, pot funcționa la fel de bine ca un vechi dig. Darpa a ales trei echipe de cercetare, toate conduse de universități din SUA, în 2022. După doi ani de cercetare și dezvoltare intensivă, prototipurile lor încep să intre în apă, cu primul lui Rutgers.

Astăzi, Pentagonul își protejează bunurile de pe coastă la fel ca și civilii: prin întărirea lor. Abordările comune implică blindarea țărmului cu ziduri de sprijin sau aranjarea obiectelor grele, cum ar fi pietre sau blocuri de beton, în rânduri lungi. Dar structurile hardscape vin cu compromisuri. Ele deviază mai degrabă decât absorb energia valurilor, așa că a-ți proteja propriul țărm înseamnă a-l expune pe cel al altcuiva. De asemenea, sunt statice: pe măsură ce nivelul mării crește și furtunile devin mai puternice, devine din ce în ce mai ușor pentru apă să depășească aceste structuri. Acest lucru le uzează mai repede și necesită reparații constante și costisitoare.

În ultimele decenii, a apărut o nouă idee: folosirea naturii ca infrastructură. Se pare că restabilirea habitatelor de coastă, cum ar fi mlaștinile și mangrovele, ajută la ținerea valurilor și furtunilor. „În loc de blindaj, folosești capacitatea naturală a naturii de a absorbi energia valurilor”, spune Donna Marie Bilkovic, profesor la Institutul de Științe Marine din Virginia. Darpa este interesată în special de două creaturi al căror număr a fost decimat de oameni, dar care spărg valuri grozavi atunci când li se permite să prospere: stridiile și coralii.

Stridiile sunt eficiente pentru uciderea valurilor datorită modului în care cresc. Bivalvele se îngrămădesc unul peste altul în movile mari și rezistente. Structura rezultată, spre deosebire de un dig neted, este plină de colțuri, crăpături și circumvoluții. Atunci când un val lovește, energia sa este difuzată în aceste goluri și este cheltuită în continuare pe suprafețele denivelate și complexe ale stridiilor. De asemenea, spre deosebire de un dig, un zid de stridii poate crește. S-a demonstrat că stridiile sunt capabile să se construiască pe verticală la o rată care se potrivește cu creșterea nivelului mării, ceea ce sugerează că își vor păstra o anumită valoare de protecție împotriva mareelor ​​mai înalte și a furtunilor mai puternice.

Astăzi, sute de recife de stridii îngrijite de om, în special pe coasta Atlanticului Americii, folosesc aceste principii pentru a proteja țărmul. Ei adoptă abordări diverse; unele arată mult ca recifele naturale, în timp ce altele au un componenta artificiala. Unii cultivă stridii pentru hrană, protecția coastei fiind un bun co-beneficiu; altele sunt construite special pentru a păstra țărmurile. Ceea ce lipsește în mijlocul tuturor acestor experimente, spune Bilkovic, sunt datele sistematice de performanță – acelea care ar putea valida care abordări sunt cele mai eficiente și mai rentabile. „În acest moment, inovația depășește știința”, spune ea. „Trebuie să avem un anumit tip de monitorizare sistematică a proiectelor, astfel încât să putem înțelege mai bine unde tehnicile funcționează cel mai bine. Pur și simplu nu există finanțare, sincer.”

Implementări hibride

În loc să aștepte datele necesare pentru a crea reciful perfect, Darpa vrea să le inoveze rapid printr-o explozie de cercetare și dezvoltare. Reefense le-a oferit premianților cinci ani pentru a implementa recife hibride care preiau până la 90% din energia din valuri, fără a costa semnificativ mai mult decât soluțiile tradiționale. Componenta artificială ar trebui să blocheze imediat undele. Dar ar trebui să fie rapid îmbunătățit de organisme care construiesc, în luni sau ani, o structură vie care ar dura natura decenii.

Echipa Rutgers și-a construit prototipul din 788 de module de beton interblocate, fiecare cu 2 picioare lățime și înălțime variind de la 1 până la 2 picioare înălțime. Au un aspect festonat, cu rafturi proeminente în toate direcțiile. În interior, toate aceste rafturi sunt conectate prin găuri.

O echipă finanțată de Darpa va instala bariere maritime, formate din sute de module de beton, lângă o bază militară din Florida. Forma festonată nu numai că ar trebui să disipeze energia valurilor, dar să invite stridiile să-și construiască propriile structuri.

Aceasta înseamnă că atunci când un val lovește această structură, se izbește în geometria internă, se învârte și iese cu mai puțină energie. Numai acest efect slăbește valul cu 70 la sută, potrivit Corpului Inginerilor Armatei SUA, care a testat un model la scară într-un simulator de valuri din Mississippi. Dar efectul ar trebui să se îmbunătățească doar pe măsură ce stridiile colonizează structura. Bushek și echipa sa au încercat să proiecteze rafturile cu duritatea, textura și umbrirea potrivite pentru a le atrage.

Dar valoarea recifului ar fi diminuată dacă, de exemplu, boala ar șterge moluștele. Acesta este motivul pentru care Darpa l-a însărcinat pe Rutgers să creeze și stridii rezistente la dermo, un protozoar care a răvășit stridiile din Atlantic de zeci de ani. Darpa le-a interzis utilizarea tehnicilor de modificare genetică. Dar, datorită progreselor recente în genomica, echipa Rutgers poate identifica rapid stridiile individuale cu trăsături rezistente la boli. Expune aceste stridii la dermo într-un laborator și încrucișează supraviețuitorii, producând moluște mai rezistente. În mod tradițional, este nevoie de aproximativ trei ani pentru a reproduce o generație de stridii pentru o mai bună rezistență la boli; Bushek spune că echipa sa a făcut-o într-unul singur.

Tropicele sunt o altă poveste

Stridiile pot satisface nevoile DoD în apele temperate, dar pentru bazele cu climă tropicală, coralul este cel care construiește cele mai bune diguri. Hawaii, de exemplu, se bucură de protecția recifelor de corali „încadrate” care se extind în larg pe sute de metri într-o pantă blândă de-a lungul fundului mării. Caracterul colosal, complex și poros al acestei suprafețe epuizează energia valurilor pe distanțe lungi, spune Ben Jones, oceanograf pentru Laboratorul de Cercetare Aplicată de la Universitatea din Hawaii – și șeful proiectului Reefense al universității. El a spus că nu este neobișnuit să vezi umflături oceanice de la 6 până la 8 picioare în larg, în timp ce apa de la malul mării strânge ușor.

O bază marină din Hawaii va testa o nouă abordare a protecției coastelor inspirată de recifele de corali locale: o barieră înainte va primi primele lovituri ale valurilor, iar o împrăștiere de piramide va slăbi și mai mult valurile înainte de a ajunge la țărm.

Inspirați de acest efect, Jones și o echipă de cercetători proiectează o matrice pe care o vor desfășura în apropierea unei baze a Corpului Marin al SUA din Oahu, al cărei țărm se retrage rapid. Deși designul final nu este încă stabilit, liniile mari sunt: ​​va prezenta două bariere de 50 de metri lățime așezate în rânduri, susținute de 20 de obstacole asemănătoare piramidei. Toate acestea sunt structuri goale, cu pereți subțiri, cu profile înclinate și o mulțime de găuri mari. Valurile care se lovesc de ele vor pierde energie prin târârile laterale, dar două aspecte de design ale structurii – lățimea găurilor și subțirerea pereților – vor genera turbulențe în apă, determinând-o să se învârtească mai multă energie sub formă de căldură. .

Structurile artificiale din Hawaii vor fi împânzite cu domuri de beton menite să încurajeze colonizarea coralilor. Deși sunt expuse unui risc grav din cauza încălzirii globale, se crede că recifele de corali oferă beneficii pentru protecția coastelor în valoare de miliarde de dolari.

În viziunea completă a echipei, unitățile sunt susținute de aproximativ o mie de mici colonii de corali. Grupul lui Jones intenționează să acopere structurile cu module de beton care au un diametru de aproximativ 20 de inci. Acestea au șanțuri și crăpături care oferă adăposturi perfecte pentru larvele de corali. Echipa le va implanta inițial cu corali crescuți în laborator. Dar ei experimentează și cu ademene, cum ar fi lumina și sunetul, care ajută la atragerea larvelor de corali din sălbăticie – cu atât mai bine să construiască un zid pe care natura, nu Pentagonul, îl va îngriji.

O a treia echipă Reefense, condusă de oameni de știință de la Universitatea din Miami, se inspiră dintr-un alt tip de coral. Designul său are o structură cu trei niveluri. Fundația este realizată din bușteni lungi, hexagonali, perforați cu găuri mari; deasupra se află un strat dens cu găuri mai mici — „imaginați-vă un burete făcut din beton”, spune Andrew Baker, directorul Coral Reef Futures Lab al universității și liderul echipei Reefense.

Echipa crede că aceste componente artificiale vor absorbi multă energie valurilor, dar este o creastă de coral elkhorn în partea de sus care va termina treaba. Originar din Florida, Bahamas și Caraibe, elkhorn-ului îi place să construiască recife dense în zone de apă puțin adâncă, cu valuri de mare intensitate. Nu le deranjează să fie loviți de apă pentru că îi ajută să recolteze alimente; această lovitură împiedică energia valurilor să ajungă la țărm.

Boala a devastat populațiile de elkhorn din Florida în ultimele decenii, iar acum valurile de căldură din ocean provoacă daune suplimentare. Dar starea lor critică i-a motivat și pe factorii de decizie politică să urmărească opțiuni pentru a salva această specie emblematică de stat, inclusiv a lui Baker, care este să dezvolte un elkhorn mai rezistent împotriva bolilor, a temperaturilor mai ridicate și a valurilor mai urâte. Sub Reefense, spune Baker, laboratorul său a dezvoltat elkhorn cu 1,5 până la 2 ° Celsius mai multă toleranță la căldură decât strămoșii lor. Ei susțin, de asemenea, că au crescut pragurile de căldură ale algelor simbiotice – un ocupant important din punct de vedere existențial al oricărui recif sănătos – și au încrucișat cornul de elan local cu cei din Honduras, unde recifele au rezistat în mod misterios la apele arzătoare.

O problemă neașteptată de autorizare, totuși, va forța echipa din Miami să părăsească Reefense în 2025, fără a construi unitatea de testare pe care spera să o desfășoare în apropierea unei baze navale din Florida. Autoritatea federală de autorizare dorea un vas de bani pus deoparte pentru a dezinstala structura dacă era necesar; Darpa a simțit că nu poate face asta în timp util, potrivit lui Baker. (Darpa a spus pentru WIRED că fiecare proiect Reefense are provocări unice de autorizare, așa că soarta echipei din Miami nu se referă neapărat la ceva mai larg. Reprezentanții celorlalte două proiecte Reefense au spus că problema lui Baker nu a apărut pentru ei.)

Deși munca echipei sale cu Reefense se apropie de sfârșit prematur, spune Baker, este încrezător că inovațiile lor vor fi implementate în altă parte. El a lucrat cu Key Biscayne, un sat insular de lângă Miami, ale cărui țărmuri au fost stricate de furtuni. Roland Samimy, ofițerul șef al satului pentru reziliență și durabilitate, spune că cheltuiesc milioane de dolari la fiecare câteva da rs importă nisip pentru plajele lor în retragere rapidă. El este nerăbdător să vadă dacă o structură hibridă, precum designul Universității din Miami, ar putea oferi protecție la un cost mult mai mic. „Oamenii realizează că structurile lor artificiale nu sunt la fel de rezistente ca natura”, spune el.

Nu doar Darpa

Darpa nu este în niciun caz singurul care experimentează în aceste domenii. În întreaga lume, există eforturi de abordare a diferitelor piese ale puzzle-ului, cum ar fi creșterea coralilor pentru o rezistență mai mare la căldură sau combinarea coralilor și stridiilor cu recife artificiale sau proiectarea betonului cu emisii scăzute de carbon care face construirea acestor structuri mai puțin dăunătoare mediului. Bilkovic, de la Institutul de Științe Marine din Virginia, spune că Reefense va fi un succes dacă demonstrează modalități mai bune de a face lucrurile decât metodele predominante – și are datele pentru a susține acest lucru. „Abia aștept să văd care sunt descoperirile lor”, spune ea. „Evaluează sistematic eficacitatea proiectului. Acele lecții învățate pot fi traduse în alte domenii și, dacă tehnicile sunt eficiente și funcționează bine, pot fi traduse cu ușurință în alte regiuni.”