セントアンソニーフォールズ研究所

セントアンソニーフォールズ研究所
米国歴史地区 寄与資産
ミネアポリスのダウンタウン、セント アンソニー滝のそばにある研究所の眺め。研究所はヘネピン島にあります。右側に隠れているのは、 Xcel Energyが運営する水力発電所です。左側には、屋外の StreamLab フィールド規模の研究施設があります。
位置	ミネアポリス、ミネソタ州
構築済み	1938
エンジニア	ロレンツ・G・シュトラウブ[1]
の一部	セントアンソニーフォールズ歴史地区(ID71000438)

セントアンソニーフォールズ研究所（旧称：セントアンソニーフォールズ水理研究所）、略してSAFLは、アメリカ合衆国ミネソタ州ミネアポリスのミシシッピ川のヘネピン島にある研究所です。主な研究分野は「工学、環境、生物学、地球物理学的流体力学」です。 ^[2]ミネソタ大学理工学部と提携しています。研究は、16,000平方フィートの研究スペースと24の異なる専門施設を使用して、大学院生と教員によって行われています。

この研究所は、セントアンソニー滝の隣に位置しているため、滝の 水頭を利用して多くの実験に水を供給できるという点でユニークです。

研究室で行われる実験は多岐にわたり、次のようなものが含まれます。

• ダム建設や撤去などの土木・環境工事の請負
• 河川システムのダイナミクスを理解する
• デルタ地帯の鉱床を特徴付ける石油探査に携わる
• 流体の流れと河川の生態系の相互作用を理解するための研究
• より優れたプロペラを作るために、流体中のキャビテーションを理解するための取り組み

セントアンソニーフォールズ研究所は、国立科学財団の科学技術センターである国立地球表面ダイナミクスセンターの本部でもあります。 ^[3]

この研究所は、国家歴史登録財に登録されているセントアンソニーフォールズ歴史地区の貢献資源です。 ^[4]

SAFL は、公共事業促進局の資金提供により 1930 年代に設計、建設され、1963 年に死去するまでロレンツ G. シュトラウブが所長を務めました。建設は 1936 年 3 月に始まり、研究所は 1938 年 11 月に開設され、開所されました。

当初、SAFL は水理学と工学の研究に重点を置いていましたが、シュトラウブの死後、研究室は成層流、乱流、水文学など、より幅広い分野に研究を拡大し始めました。大気層風洞と複数の水路も研究施設に追加されました。これは、国立科学財団 (NSF)からの資金提供によって可能になりました。

1977 年から 1993 年にかけて、研究所は教育と基礎研究および応用研究の統合に重点を置きました。SAFL に新しい研究活動をもたらすために、数人の新しい教員が任命されました。その例としては、数値流体力学、水資源とエネルギー、環境水研究、海軍流体力学、キャビテーション、風力工学、小規模水力発電開発、降雨モデリング、地形学などがあります。NSF は 2002 年に SAFL を国立地球表面力学センター (NCED) の本部にしました。NCED は、地球表面の技術と研究の予測を向上させるセンターです。

2006 年、ミネソタ大学とセント アンソニー フォールズ研究所は、エネルギー省の助成金の支援を受けて学術パートナー、業界、政府研究所を結集した EOLOS と呼ばれる風力エネルギー研究コンソーシアムを立ち上げました。ミネアポリスのすぐ南に位置するこの新しい施設は、風力タービンなどを追加することで、SAFL を再生可能エネルギー研究の世界にさらに引き入れました。

それ以来、SAFL は地球表面と流体力学の研究において国際的に有名なリーダーとなりました。研究能力を拡大するために、長年にわたって複数の新しい施設が追加されましたが、その多くは実際にスタッフによって作成され、SAFL の研究者によって独占的に使用されています。

SAFL の拡張のための資金は、 NASA、NSF、米国海軍、エネルギー省、空軍科学研究局、ハンブルク船舶模型基地、ミネソタ州資源立法市民委員会など、数多くの外部機関から長年にわたり提供されてきました。

セントアンソニーフォールズ研究所は、2011 年にミネソタ大学理工学部に研究施設として追加されました。

SAFL の研究には、土木工学、水理工学、水文学、生態学、地質学など、多くの分野の研究が含まれます。SAFL の研究は、国立地球表面動態センター(NCED) の本部としての地位によって、21 世紀の最初の 10 年間で促進されました。

SAFL の地質学者は、河川および堆積システムの類似材料モデルを使用して、河川の形態とダイナミクスの原因を理解し、特定の地層パッケージを生成するイベントの履歴を再構築しています。河川形態を研究する研究者は、編組された河川を 1 本の糸 (多くの場合、曲がりくねった) システムに制限する上での植生の重要性を示しています。^{[5] [6]}実験的な扇状地デルタで行われた研究では、流れの占有の統計と生命と財産への潜在的な危険性が強調され、^[7]短期的な海岸線の位置を決定する堆積物の貯蔵と放出のパターンの自生周期性が示され、^[8]シーケンス層序学と地層記録を形成するプロセスに関連付けられています。 ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13]}

SAFL の研究は主に次の 4 つの主要分野に集中しています。

• 地球の表面、水、そして生命
• 地球環境の変化による影響の緩和
• 再生可能エネルギーシステム
• パーソナライズされたヘルスケアのための生体流体力学

SAFL は 2002 年に、地球表面の進化を予測するための統合的かつ定量的なアプローチの開発に重点を置く NSF 科学技術センターである NCED に関与するようになりました。工学、地球科学、生物学、数学、物理学、社会科学など、あらゆる重要な分野に焦点を当てています。現在、SAFL は、NCED が作成した研究統合ポスドク プログラムおよびアウトリーチ プログラムの継続をサポートする助成金である NCED2 の一部です。

現在、SAFL の地球表面研究は、次の相互に関連したテーマを中心に展開されています。

• マルチスケール仮想水生環境
• 流体の流れ、微生物の生理学、生物地球化学の相互作用
• 粒子、気泡、その他の多相流
• デルタと堆積システム
• 環境変化の回廊としての河川網

SAFLの長期的な研究ビジョンは、「環境修復や自然災害の緩和から降水量の変化、地球規模の海面上昇に至るまでのシナリオについて、検証可能で適応的な予測を提供できる、生きた表面環境からのデータストリームに支えられた理論モデルと計算モデルの相互接続システムを開発すること」です。^[14]

SAFL は、地球規模の変化の影響を評価および定量化し、大気の変化や水資源の劣化などの影響を緩和するための科学的解決策を開発するために、さまざまな分野で積極的な研究プログラムを実施しています。

SAFL の研究分野には以下が含まれます。

• 地球環境の変化を評価するための宇宙からの地球観測
• 土石流の危険
• 川の洪水
• 空気の質
• 水質と生息地

「地球環境の変化の影響を緩和することは、今後数十年にわたって科学研究の最前線に立つことになるでしょう。SAFLは、大規模な学際的研究を促進し、工学と社会科学、行動科学、経済科学を統合し、ビッグデータとデータ駆動型科学を活用し、指数関数的に成長する計算能力を活用し、利害関係者、政策立案者、コミュニティを積極的に関与させることにより、現実的で測定可能な影響を生み出すことに貢献する立場にあります。」^[14]

2007 年以来、SAFL は、流体力学と再生可能エネルギー システムにおけるより有能な研究に向けて、研究室および現場規模の新しい実験施設、高度な計算ツール、業界および政府研究室との新しいパートナーシップを開発してきました。この研究の焦点は、研究とテクノロジーを使用して、異常気象の頻発や海面上昇などの気候変動の影響に対処し、研究することを目指しています。

この分野における SAFL の研究には以下が含まれます。

• 風力エネルギー
• 水力発電（水力発電、海洋発電、水力動力学技術を含む）
• 微細藻類からのバイオ燃料生産。

「世界の炭素排出量を大幅に削減するための最も経済的に実現可能な戦略は、現在世界のエネルギーポートフォリオのわずか10〜13％を占める再生可能資源からのエネルギー生産を大幅に増やすことです...風力エネルギー、海洋流体力学的エネルギー、バイオ燃料エネルギーに基づく再生可能エネルギー技術は、生きている地球表面環境に不可欠な部分です。これらの技術の実装は、リアルタイムデータによって駆動されるメカニズムモデルによってサポートされ、政策、経済、人間の健康科学、生態学と統合される必要があります。SAFLは、業界、政府および州政府機関、およびその他の再生可能エネルギー関係者を積極的に関与させるという考え方で、これらすべての分野で国家のリーダーシップを発揮できます。」^[14]

近年、流体力学と生物学の連携により、人体の流体力学を理解し、その疾患経路との関連性を定量化することを目的とした研究が成長しています。

SAFL は、シミュレーション ベースの研究アプローチを使用した心臓血管流体力学研究のリーダーです。新しい計算血行動態ツールが開発され、検証され、臨床的に重要なさまざまな問題の研究に適用されています。UMN 内では、バイオメディカル エンジニアリング学部、航空宇宙工学および機械工学学部、医学部、医学工学研究所、およびメイヨー クリニックや全国のその他の協力者と提携関係が確立され、活用されています。

研究テーマは次のとおりです。

• 心臓血管流体力学研究
• 呼吸流体力学研究

今後数年間の生物医学流体力学研究の指針となる課題は、急速に発展する個別化医療の未来を支える計算ツールを学術研究分野から臨床実践に統合することです。

セント アンソニー フォールズ研究所は、ミシシッピ川にある 16,000 平方フィートの研究施設です。研究所には、プロジェクトのニーズに合わせて簡単に構成できる 15 の汎用水路、タンク、チャネルがあり、ミシシッピ川から最大 300 ft³/s の水を無制限に汲み上げることができます。SAFL の施設には、大規模な堆積物輸送実験のためにミシシッピ川の水を送ることができるメイン チャネル、実験的な地層学を迅速に構築できるように設計されたデルタ盆地、大規模な堆積モデリングのための沈降盆地である eXperimental EarthScape 施設 (XES、愛称は「ジュラシック タンク」)、河川プロセスと河岸の生態を現場に近い規模で理解するために使用される屋外ストリーム ラボ、その他多くの機器があります。この研究室は、ダム撤去の影響を調べるための実物大の河川模型など、実験装置を迅速に構築・破壊することで知られている。

メイン チャネルは SAFL 最大の研究チャネルで、長さ 275 フィート、ミシシッピ川からの 300 ft³/s の流量に対応できる直線のコンクリート チャネルで、池システムまたはフロースルー システムとして運用できます。チャネルには、波発生装置、堆積物フラックス監視および再循環システム、およびデータ収集台車が装備されています。

この特殊な盆地は、地質学的時間スケールでデルタと盆地の形態力学を研究するために使用されます。この盆地は、その設計と機能により SAFL 独自のものです。盆地底の沈下をシミュレートすることで地殻変動が地表プロセスに与える影響を組み込むことができ、データ キャリッジにより XES 盆地全体のデータ収集が可能になり、断面をより見やすくするために「スライス」することができます。XES 盆地には、SAFL の最も高度なデータ キャリッジが備えられています。

これら 2 つの長方形の貯水槽は、デルタとデルタ システムに関する SAFL の研究の一部です。貯水槽では、水面、堆積物の供給、給水速度を制御できます。データ取得には、SAFL が新たに設計したデータ キャリッジ、地形スキャナー、およびさまざまなカメラ システムが含まれます。どちらの貯水槽も 16.4 x 16.4 フィートで、深さは 2.1 フィートです。

SAFL ビルの外にあるこの独自に設計された屋外フィールド スケールの施設は、SAFL と NCED によって開発され、制御された条件下で大規模な実験を実施するために使用できます。洪水を発生させることができ、水文学、生態学、生物学の研究に適した幅広い流量を備えています。OSL は、さまざまな水流量、堆積物供給速度、蛇行する川の湾曲、水路形成、および洪水機能を可能にします。これは、さまざまな氾濫原、植生、水路の研究の機会を促進するために使用されます。StreamLab には、最大 200 L³/s の再循環水流出があります。

空気/陸地境界層のモデリング用に設計された風洞は、最大 148 フィート/秒に達する循環または一過性の空気の流れを提供できます。ガラス製の観察壁、温度および表面変化機能、回転ターンテーブル、煙発生器、レーザー計測機器が装備されています。風洞には温度制御機能があり、大気中の温度成層が構造物に与える影響を研究できます。

CloudIAはSAFLが作成した施設で、1m³の乱気流を生成できる256個の個別に制御されたエアジェットで構成されています。大気中の状態を再現して粒子を研究するように設計されています。

より小さなスケールでの動作を観察できます。液体または固体の微粒子を調整可能な速度で投入でき、複数の高速カメラと高繰り返しレーザーで追跡できます。CloudIAは完全に透過的であるため、ライブで

可視性。

小規模企業から米国エネルギー省などの政府機関まで、さまざまな組織と提携している風力エネルギーコンソーシアム。進行中の研究プロジェクトは、風力発電所の立地、状態ベースの監視、制御システムの最適化、空力弾性モデリング、抗力および騒音低減方法、風力発電所とレーダーの相互作用、パワーエレクトロニクス、ギアボックスなどです。

SAFL には、研究プロジェクトに応じてさまざまな形や大きさの複数の水路、チャネル、タンク、盆地などを含む、その他の専門的な研究施設も多数あります。

学年度中、SAFL は、学術界、政府機関、産業界からの講師を招いて、環境、地球物理学、生物流体力学および工学に関連するさまざまなトピックに関するセミナーを毎週開催しています。これらのセミナーは無料で一般公開されています。

REU プログラムは、ミネソタ大学、スペリオル湖チッペワ族のフォンデュラック部族、モンタナ州の連合サリッシュ・クーテナイ部族が協力して、地域社会の問題解決に役立つさまざまな研究テーマを研究するものです。テーマは、地球表面力学、地質学、土木環境工学、生態学、生物学、水文学などに集中できます。

北緯44°58′57″ 西経93°15′18″ / 北緯44.98250° 西経93.25500° / 44.98250; -93.25500