Reinsdyrets nese har veldig stor innvendig overflate, og gjør om kald luft til varm luft på rekordtid. Hva er naturens hemmelige oppskrift? Illfoto: Per Harald Olsen
Reinsdyr lever under tøffe kår på vinteren. På Svalbard og på vidder og fjell i fastlands-Norge, er det tidvis temperaturer ned mot 30-40 minusgrader. Det er lite mat å finne når snøen dekker landskapet, og vann får reinen i seg kun ved å tygge kald snø. Hvordan klarer reinsdyrene seg når det er veldig kaldt?
Den tykke pelsen isolerer godt, men det er ikke hele forklaringen. Reinen overlever også ved å avgi så lite varme som mulig til omgivelsene gjennom nesen – og slippe ut minst mulig vanndamp.
Hva er det med Rudolfs nese?
Kan svaret på hvorfor Rudolf klarer seg godt i kaldt klima ha noe med nesens konstruksjon å gjøre?
Denne hypotesen interesserer doktorgradsstipendiat Elisa Magnanelli og hennes veiledere ved NTNU, Signe Kjelstrup (professor) og Øivind Wilhelmsen (professor II og forsker ved SINTEF Energi).
Deres fagområder er termodynamikk og varmeutveksling. Og nå ble du kanskje forvirret. Hvorfor er teknologer opptatt av dyrs pusteorgan? Det skal du få svar på snart.
Reinsdyr på tredemølle
Elisa Magnanelli og hennes veiledere samarbeider tett med forskere ved Universitetet i Tromsø – Norges arktiske universitet (UiT). Tromsøforskere har studert reinsdyrets åndedrett mens det har vært i et klimakammer og gått på tredemølle i forskningens tjeneste. Målinger viser at reinen har en fantastisk evne til å forandre temperaturen på luften den puster inn, til den når lungene, og motsatt. Om det er 40 minusgrader i luften, er temperaturen omtrent 38 grader pluss – når den når reinens lunger.
Reinens sinnrike nesestruktur klarer altså å endre luftas temperatur med utrolige 70-80 grader på mindre enn ett sekund. På utpust kjøles den varme pusten kjapt ned for å tape så lite kroppsvarme som mulig til omgivelsene.
Professor Signe Kjelstrup og hennes kolleger har lenge samlet kunnskap om egenskapene til energieffektive system. Hun begynte å spekulere på om naturen selv hadde slike egenskaper. Hun spurte tromsøforsker Arnoldus Schytte Blix, som tipset henne om å se nærmere på reinsdyrene.
I tillegg slipper reinsdyret ut minimalt med fuktighet når det puster ut. Noe som er superviktig når tilgang på vann kun er snø, iskald snø.
Enorm indre overflate
Den kraftige reinsdyrsnuten er bygget opp av brusk og bein, kjøttstruktur, slimhinner og mange blodkar. Forskere ved UiT har gjort innvendige nesemål av snuten. En reinsdyrnese har da blitt delt opp i skiver og CT-skannet. Slik har forskerne skaffet seg tverrsnittbilder av pusteorganet i hele sin lengde. Bildene viser at nesen innvendig har en uvanlig og underlig struktur. Den ligner på en konkylie.
Også den indre overflate ble målt, og viste seg å være enorm. På hvilken måte? Tenk på norskekysten. Måler vi den faktiske lengden på kysten, inkludert alle kroker og kriker, ser vi at kysten vår er enormt lang. Slik er det med reinsdyrnesens indre overflate også. En stor indre overflate betyr at det er mye plass for å utveksle varme og vanndamp mellom luften og neseveggen.
Hva er naturens oppskrift?
Illustrasjonen viser en reinsdyrnese som har blitt delt opp i skiver og viser at nesen innvendig ligner på en konkylie.
Nesen har altså veldig stor innvendig overflate, og gjør om kald luft til varm luft på rekordtid. Hvordan er dette mulig? Hva er naturens hemmelige oppskrift? Rudolfs utrolige evne til å endre temperatur og holde styring på fuktigheten er et spennende tema for NTNU-forskerne, som altså har termodynamikk og varmeutveksling på fagmenyen.
Professor Signe Kjelstrup og hennes kolleger har lenge samlet kunnskap om egenskapene til energieffektive system. Hun begynte å spekulere på om naturen selv hadde slike egenskaper og tok kontakt med tromsøforsker Arnoldus Schytte Blix, som tipset henne om å se nærmere på reinsdyrene.
Matematisk reinsdyrnese
De bestemte seg for å lage en matematisk modell av reinsdyrnesen. Doktorgradsstipendiat Magnanelli ble satt på saken. Hun skaffet flere vitale mål fra andre forskningsmiljø, blant annet fra forskerne i Tromsø. Eksempler på slike mål er mengden luft som reinsdyret suger inn når den puster, hvor stor blodgjennomstrømning og hvilke temperaturer det er på ulike steder i nesen, og vanninnholdet i reinens pust. Data ble tatt i bruk både for å utvikle, og for å vurdere nøyaktigheten til et spesialdesignet dataprogram av reinsdyrnesen.
Dataneser i laboratoriet
I tillegg til å lage en datasimulert reinsdyrnese, laget forskerne et dataprogram av en forenklet datanese som ikke hadde konkylieform, men lignet på et rør. Denne fungerte som en referanse.
Forsøk ble gjort og repetert i begge datanesene. Funnene overrasket forskerne.
Bildet viser at reinsdyrnesen innvendig har en uvanlig og underlig struktur. Den ligner på en konkylie, noe som gjør at den indre overflaten er veldig stor. Foto: Mario Acquarone
Det ene funnet viser at Rudolfs nese fungerer etter et velkjent teoretisk prinsipp: konstant entropi-produksjon. Begrepet kan vippe den mest ivrige amatørleser av pinnen, om det ikke umiddelbart forklares. Heng med:
Når man går på skøyter på is, brukes noe av energien til å overvinne friksjonen som oppstår mellom isen og skøytene. Friksjonen genererer varme under skøytene, energi forbrukes. Dette er eksempel på termodynamikkens 2. lov.
Ingen prosess er hundre prosent energieffektiv. Man har alltids no friksjon, hvor energien forsvinner som varmetap til omgivelsene. Hvis man lever på Svalbard eller på Røros-vidda er det viktig å miste minst mulig energi til omgivelsene. Dette har reinsdyret Rudolf skjønt.
Den geniale reinsdyrnesen
Magnanellis simuleringsforsøk, 1600 kilometer og 15 breddegrader unna reinens hjemlige trakter, viser at nesen fungerer etter prinsippet minst mulig energitap. Dette friksjonstapet kaller forskerne entropiproduksjon. Den geniale reinsdyrnesen sørger for at entropiproduksjonen hele tiden er konstant.
En konstant fordeling betyr at dyret totalt sett mister minst mulig energi til omgivelsen når det puster. Reinsdyrnesen følger omtrent den matematiske ligningen ”konstant entropi-produksjon”.
Doktorgradsstipendiat Elisa Magnanelli fant ut at reinsdyrnesen følger omtrent den matematiske ligningen ”konstant entropi-produksjon”. Foto: Maria Amelie
For å forklare hvorfor dette er så gunstig kan vi ta en ekstra titt på skøyte-eksemplet: For å bruke minst mulig energi på å komme seg rundt en skøytebane, er det best å ha jevn fart. Slik er det også med reinsdyrnesen. Den er utformet slik at den har en jevn entropiproduksjon.
Jo kaldere, jo mer effektiv nese
Det andre funnet som overrasket forskerne er at jo kaldere lufta er, jo mer energieffektiv er nesa sammenlignet med en nese uten konkylieform. Ved 30 minusgrader fungerer reinsdyrnesas konkylieform enda bedre enn ved 10 minusgrader.
Med den matematiske nese-modellen og funnet av tilnærmet konstant entropi-produksjon, kan NTNU-teknologene nå forklare hvordan reinsdyrets nese fungerer: Den kalde lufta som suges inn gjennom neseborene, passerer den store innvendige overflaten. Den består av slimhinner med slim og snørr, som ligger utenpå nesens kjøttstruktur med mange små blodårer. Det er det varme blodet som kjapt og kontinuerlig varmer opp slimet, som igjen varmer opp lufta som pustes inn.
Øivind Wilhelmsen er prof II på NTNU og forsker ved SINTEF Energi. Han er en av Elisa Magnanellis veileder.
Vannet eller fuktigheten fra lungene må reinen spare på for å slippe å spise snø. Og her er nok et genialt trekk fra naturen: Vinterlufta er kald og tørr. For at den oppvarmede lufta ikke skal være for tørr når den når lungene, så avgis litt fuktighet fra slimhinnene til lufta når reinen puster inn. Når den skal pustes ut, innkasserer slimhinnene jammen fuktigheten, så reinen puster ut tørr og delvis nedkjølt luft.
Kunnskap fra naturen kan brukes i samfunnet
Det er mange grunner til at forskere og teknologer er så ekstremt ivrige på å forstå reinens magiske nese. Reinsdyrnesen fungerer som en utmerket varme og damp-utveksler på grunn av den underfundige konkylieformen.
Derfor skal vi ikke se bort fra at denne nyervervede kunnskapen fra NTNU en dag kan komme til nytte når industridesignere skal lage såkalte balanserte ventilasjonsanlegg for hus og hytter i ekstremt kalde strøk. Den nye kunnskapen kan bli et viktig bidrag når tida er inne for å lage nullutslippshus i de arktiske strøk.
Dette hadde vel vært noe for julenissens verksted på Nordpolen.
Her er den vitenskapelige publikasjonen The Nasal Geometry of the Reindeer Gives Energy-Efficient Respiration.
Forsker Mario Acquarone og professor Lars Folkow ved Universitetet i Tromsø – Norges arktiske universitet er medforfattere på artikkelen.
