Nuovo studio su Nature per l’ Università di Roma “Tor Vergata”. Una spugna marina ci aiuterà a volare

Che cosa c’entra una spugna marina con i grattacieli o con gli aeroplani? Apparentemente sono mondi distanti, ma in comune hanno il doversi muovere secondo le leggi della fisica e della dinamica. Ed è proprio una spugna, quella che sui libri di scuola etichetteremmo come “animale inferiore”, a suggerire a noi uomini dei preziosi consigli ingegneristici grazie alla sua capacità di resistere alle forze idrodinamiche degli abissi oceanici, modificando a suo vantaggio i flussi.

Un gruppo di ricerca internazionale che riunisce esperti in Ingegneria, Biologia e Fisica, coordinato dall’Università di Roma “Tor Vergata”, è riuscito a capire come la particolare struttura dell’Euplectella aspergillum, una spugna marina che vive negli abissi oceanici, interagisca con l’acqua di mare e influenzi l’idrodinamica a proprio vantaggio.

PUBBLICAZIONE SU NATURE

Sono pochi gli studi finora condotti in questo campo cioè quello che indaga come le strutture bio-scheletriche della spugna possano essere alla base dell’ottimizzazione della fisica del flusso, sia all’interno che all’esterno dell’organismo. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista “Nature”, è stata possibile grazie all’utilizzo del supercomputer “MARCONI100” del CINECA che, basandosi su metodi di fluidodinamica computazionale, ha permesso la prima simulazione in assoluto dell’intera spugna di profondità. Lo studio ha come titolo “Extreme flow simulations reveal skeletal adaptations of deep-sea sponges” e presenta diverse possibili implicazioni per la progettazione di numerose strutture meccaniche: dai grattacieli alle navi, alle fusoliere degli aeroplani.

UNA SPUGNA DI VETRO PARTICOLARE

L’Euplectella aspergillum è una spugna marina molto particolare nota come “Cestello di Venere”. Presenta notevoli proprietà strutturali. Una delle particolarità più studiate dai ricercatori è la sua composizione: fibre realizzate in silicio che la spugna estrae sotto forma di acido silicico dall’acqua di mare, trasformandolo in sottilissime fibre di vetro. Da qui il loro appellativo comunemente usato di “spugne di vetro”.
A prima vista la sua struttura potrebbe sembrare estremamente distante dalle strutture progettate dall’uomo ma le intuizioni su come il reticolo di fori e creste dell’organismo influenzi l’idrodinamica dell’acqua di mare in cui la spugna è immersa potrebbero portare a progetti avanzati per edifici, ponti, veicoli marini e aerei, e a tutto ciò che deve rispondere alle forze imposte dal flusso di aria o acqua garantendo la sicurezza della struttura.

COLLABORAZIONI IN TUTTO IL PIANETA

La ricerca multidisicplinare, coordinata da Giacomo Falcucci dell’Università di Roma “Tor Vergata” insieme a Sauro Succi dell’Istituto Italiano di Tecnologia e Maurizio Porfiri della Tandon School of Engineering della New York University, è frutto di una collaborazione strutturata su tre continenti (Australia, Europa, Stati Uniti) e si colloca alle frontiere della Fisica, della Biologia e dell’Ingegneria. Supportata dal CINECA con il programma ISCRA (Giacomo Falcucci, Roma “Tor Vergata”), la ricerca è stata inoltre finanziata dai progetti PRIN (Giacomo Falcucci, Roma “Tor Vergata”), dalla Forrest Research Foundation (Giovanni Polverino, University of Western Australia), dalla U.S. National Science Foundation (Maurizio Porfiri, New York University) e dall’European Research Council nell’ambito del programma Horizon 2020 – ERC Advanced Grant (Sauro Succi, IIT).

NOTTE EUROPEA DEI RICERCATORI E DELLE RICERCATRICI

L’Università di Roma “Tor Vergata” crede molto nella divulgazione. Per questo sarà al fianco, in qualità di partner, dell’associazione Frascati Scienza per la Notte Europea dei ricercatori e delle ricercatrici 2021. Tanti suoi studi mostrano quanto dalla natura ci sia molto da imparare. Per questo solo proteggendola – uno degli obiettivi del progetto LEAF – potremo continuare a lasciarci ispirare da essa, trovando soluzioni per la nostra quotidianità.

I VORTICI CHE CREA LA SPUGNA

«Questo organismo è stato studiato molto da un punto di vista meccanico a causa della sua straordinaria resistenza strutturale, nonostante la sua composizione silicea», afferma Giacomo Falcucci, dell’Università di Roma “Tor Vergata” con una seconda affiliazione presso l’Università di Harvard e primo autore della ricerca. «Abbiamo potuto approfondire aspetti dell’idrodinamica e compreso come la geometria della spugna offra una risposta funzionale al passaggio delle correnti marine per produrre qualcosa di speciale rispetto all’interazione con l’acqua».
Lo studio ha rivelato una profonda connessione tra la struttura e l’ecologia
funzionale della spugna, facendo luce sulla capacità del “Cestello di Venere” di resistere alle forze idrodinamiche dell’oceano e sulla sua capacità di dare origine a vortici ricchi di sostanze nutritive all’interno del “cesto” della cavità corporea. I ricercatori hanno impiegato risorse di supercalcolo e sofisticate metodologie numeriche per ottenere una comprensione più approfondita di queste interazioni, creando la prima simulazione in assoluto dell’intera spugna di profondità e di
come essa risponda e influenzi il flusso dell’acqua vicina.
«Esplorando il flusso all’interno e all’esterno della cavità corporea della spugna, abbiamo scoperto come essa si sia adattata all’ambiente circostante. Non solo la struttura della spugna contribuisce a ridurre la resistenza, ma facilita anche la creazione di vortici a bassa velocità all’interno della cavità corporea che vengono utilizzati per l’alimentazione e la riproduzione», aggiunge Maurizo Porfiri, esperto di dinamica dei sistemi complessi della Tandon School of Engineering della New York University, coautore dello studio.

La struttura della Euplectella aspergillum, riprodotta in Italia da Pierluigi Fanelli dell’Università della Tuscia, ricorda un delicato vaso di vetro a forma di tubo cilindrico a parete sottile con un grande atrio centrale, composto da spicole silicee.

«Questo lavoro è un’applicazione esemplare della fluidodinamica computazionale, in generale, e del metodo Lattice Boltzmann, in particolare», afferma Sauro Succi, riconosciuto a livello internazionale come uno dei fondatori del metodo Lattice Boltzmann. «L’accuratezza e la flessibilità del metodo, combinata con l’accesso a uno dei migliori supercomputer al mondo, ci ha permesso di eseguire calcoli di livello mai tentati prima in questo campo, che fanno luce sul ruolo dei flussi nell’adattamento degli organismi che vivono negli abissi».

La ricerca, che indaga il ruolo della geometria della spugna relativamente alla sua risposta al fluido circostante, potrà avere notevoli implicazioni per la progettazione ingegneristica del futuro, da nuove strutture a bassa resistenza per la realizzazione di navi e fusoliere di aeroplani, fino ad arrivare a innovativi grattacieli, più alti e più snelli di quelli attuali.
«Ci sarà meno resistenza aerodinamica sui grattacieli costruiti con un simile reticolo di creste e fenestrature? La distribuzione delle forze applicate risulterà ottimizzata? Rispondere a queste e ad altre domande è un obiettivo chiave del nostro gruppo di ricerca», dichiara Giacomo Falcucci.