8 Minutės
Rochesterio universiteto (University of Rochester) inžinieriai sukūrė aliuminio vamzdžius, kurie išlieka plūduriuojantys net ir po reikšmingų mechaninių pažeidimų — tai žingsnis link laivų ir plūduriuojančių platformų, kurios gali būti praktiškai nepaskandinamos. Tyrėjų metodas sujungia lazerinę ir cheminę paviršiaus apdorojimo technologiją, kad paviršiuje būtų užfiksuotas oras ir išlaikytas plūdrumas, taip atveriant naujas galimybes jūrų inžinerijai, plūduriuojančioms konstrukcijoms ir atsinaujinančios energijos sprendimams.
„Jeigu kamuoliuko formos vamzdžius smarkiai pažeidžiate skylėmis — tiek, kiek įmanoma — jie vis tiek plūduriuoja“, teigia Ch. Guo, vienas iš projekto vadovų, pabrėždamas, kad netūrinis pažeidimas ne visada reiškia prarastą plūdrumą, jei tinkamai inžinieriai kontroliuoja paviršiaus savybes ir oro buferį.
Kaip sausas vidus leidžia metalui plūduriuoti
Pagrindinis sprendimas nėra vamzdžio tūrio didinimas, o metalo mikroskopinės tekstūros pakeitimas. Vadovaujami Chunlei Guo, optikos ir fizikos profesoriaus Rochesterio universitete bei vyresniojo mokslininko Laser Energetics laboratorijoje, tyrėjai naudojo kontroliuojamą cheminį ir lazerinį etch (ėsdinimą / abliaciją), kad suardytų ir pašiurkštintų įprasto aliuminio vamzdžių vidinius paviršius mikroskopiniu ir nanometriniu masteliu. Toks mikro‑ ir nano‑raštas paverčia vidų superhidrofobiniu — itin atspariu vandeniui — todėl panirus vamzdžiui susiformuoja stabilus oro kišenės sluoksnis, kuris atsispiria drėkinimui ir užkerta kelią vandens prasiskverbimui į vidų.
Techniniu požiūriu superhidrofobinis paviršius pasižymi dideliu kontaktiniu kampu (dažniausiai virš 150°) ir mažu kontaktiniu kampo poslinkio (hysteresis), todėl vandens lašas išsėdėjęs ant tokio paviršiaus išlieka stabiliai ir nesiskverbia į mikrovagus bei slėnius. Praktinėje inžinerijoje tai reiškia, kad vamzdžio vidus gali išlaikyti oro sluoksnį net ir esant atviriems pažeidimams, nes angos ar plyšiai neužpildo oro kameros dėl paviršiaus energijos skirtumo bei susidarančių capillary (kapiliarinių) barjerų.
Guo ir komanda remiasi tiek klasikinėmis hidrofobinių paviršių teorijomis (Wenzel ir Cassie–Baxter modeliai), tiek eksperimentiniais rodikliais: specialiai modifikuotos struktūros leidžia sukurti meta‑stačią būseną, kai oras yra metastabiliame saprove ir tik retais atvejais laikinai pakeičia savo poziciją. Praktikoje tai reiškia, kad vamzdis gali išlaikyti plūdrumą valandas, savaites ar ilgiau laboratorinėmis sąlygomis, net jei jo sienos yra iš dalies pažeistos.
„Superhidrofobinis“ yra techninis terminas paviršiams, kurie taip stipriai atstumia vandenį, kad skystis negali prasiskverbti į paviršiaus kelias ar slėnius. Gamtoje egzistuoja precedentai: narvelis vorai (diving bell spiders), tam tikri vabzdžiai ir vandens gyvūnai laiko oro sluoksnį prie savo kūno, kad išliktų sausi po vandeniu. Guo laboratorija pasinaudojo šia biologine strategija (biomimikrija) ir pritaikė ją prie metalinio substrato — aliuminio — taip suteikdama tradiciniam metalo paviršiui naują funkcionalumą.
„Nepaskandinamam“ metaliniam vamzdžiui, pagamintam iš cheminiu būdu etchuoto aliuminio, pavyko išlikti plūduriuojančiu distiliuotame vandenyje Guo laboratorijoje — eksperimentiniai pavyzdžiai rodo, kad oro sluoksnis yra stabilus ir atsparus laipsniškam drėkinimui esant daugeliui tipinių laboratorinių išbandymų.
Dizaino sprendimai, svarbūs realioms jūroms
Ankstesni Guo grupės demonstraciniai sprendimai naudojo porinius, sandarius diskus, kad sukurtų plūdrumą, tačiau tokie variantai buvo jautrūs posvyrio kampui ir galėjo sugesti esant ekstremaliam posūkiui. Vamzdinė geometrija sprendžia šią silpną vietą: komanda į kiekvieną vamzdį integravo centrinę pertvarą, kuri padalija vamzdžio vidų į dvi ar daugiau sekcijų. Tokia vidinė skirstomoji struktūra užtikrina, kad įstrigęs oras išliktų stabilus net kai vamzdis verčiamas vertikaliai, stipriai svyruoja ar yra sumaitotas bangomis.
Laboratoriniai bandymai apėmė ilgesnį laiką trunkantį poveikį grubiam vandeniui (simuliuojant audrą), taip pat pakartotinį mechaninį pažeidimą, pvz., sistemingą perforaciją ir smūgius. Pagal Guo, vamzdžiai demonstravo plūdrumą net po kelių savaičių tęstinių bandymų ir po to, kai tyrėjai sąmoningai padarė daugybę skylių įvairiose vamzdžio vietose. Tai rodo ne tik paviršiaus reakciją į vienkartinį pažeidimą, bet ir sistemos gebėjimą atlaikyti pasikartojančią apkrovą bei mechaniškai agresyvią aplinką.
Be paprastų plūdrumo testų, tyrėjai surišo daugelį vamzdžių į plaustus, kad įvertintų apkrovos nešimo elgseną ir bendrą stabilumą. Bandymuose dalyvavo skirtingų ilgių vamzdžiai — kai kurie artėjo prie pusės metro ilgio — ir laboratorijoje demonstruota, kad metodas gali pritaikyti tiek ilgio, tiek skersmens skalavimą. Komanda teigia, kad procesas yra pritaikomas didesniems diametrams ir ilgiams, reikalingiems buolams, plūduriuojančioms platformoms ar nepaskandinamų korpusų moduliniams komponentams. Metalinis pagrindas turi tam tikrų pranašumų prieš polimerinius putas arba sandarius skyrius: superhidrofobinis paviršius išsaugo įstrigusią oro kamerką ilgai, nepriklausomai nuo to, ar yra senkančios sandarinimo medžiagos ar sujungimai, kurie laikui bėgant gali prarasti sandarumą.
Privalumai, palyginti su tradicinėmis sprendimo priemonėmis: metalas suteikia didesnį mechaninį patvarumą ir atsparumą smūgiams, paviršiaus modifikacija nereikalauja sudėtingų dulkių ar hermetinių maišų ir gali būti integruojama į esamus laivų korpusus kaip papildoma apsauga arba kaip struktūrinis elementas, mažinantis poreikį papildomam svoriui ir vidiniam balastui.
Daugybė nepaskandinamų metalinių vamzdžių, sujungtų į plausto formą, galėtų tapti pagrindu ateities laivams, bouyams ir plūduriuojančioms platformoms: modulinė, lengvai remontuojama ir pritaikoma konstrukcija, kurią būtų galima perkonfigūruoti pagal paskirties poreikius ir specifinius jūrų inžinerijos reikalavimus.
Pasekmės jūrų sistemoms ir atsinaujinančiai energetikai
Praktinė, atspari plūduriuojanti konstrukcija gali pakeisti laivybos saugumo standartus ir pakrančių bei vandenynų inžineriją. Nepaskandinami skyriai galėtų veikti kaip apsauginiai plūdrumo moduliai laivams, sumažinti sunkiojo vidinio balasto poreikį arba supaprastinti avarinių pažeidimų kontrolę ir stabilizavimo sistemas. Tokios technologijos integravimas į laivų dizainą gali leisti kurti plonesnius korpusus be tradicinio papildomo balasto, pagerinti gabenamų krovinių saugumą ir sumažinti avarinių gelbėjimo išlaidas.
Be saugos privalumų, tyrėjai jau pradėjo tirti bangų energijos panaudojimą sujungdami vamzdžius su elektros energijos konvertavimo prietaisais. Tvarus plūduriuojantis lauko tinklas, kuris atsparus drėkinimui ir mechaniniam nusidėvėjimui, gali būti naudojamas osiliaciniams sistemoms, piezoelektriniams rinktuvams arba kitoms mechaninės bangų energijos konversijos į elektrą sistemoms, reikalaujančioms mažesnės priežiūros nei šiuo metu naudojamos plūduriuojančios platformos.
Konkretūs energetikos scenarijai: vamzdžių plaustai galėtų būti pritaikyti kaip moduliniai taškiniai absorbuojantys elementai arba susieti su turbinomis ir generatoriais per hidrodinaminius srautus; kita galimybė — integruoti osiliacinius ritėlius arba piezoelektrinius modulius į vamzdžio konstrukciją, kad mechaninis svyravimas būtų tiesiogiai konvertuojamas į elektros srovę. Tokie sprendimai galėtų sumažinti aptarnavimo poreikį ir padidinti sistemos eksploatavimo patikimumą atšiauriomis jūrinėmis sąlygomis.
Be to, tokios plūduriuojančios konstrukcijos gali būti pritaikomos ir kitoms jūrų infrastruktūros reikmėms: ilgalaikėms stebėjimo platformoms, pakrančių apsaugai, laikiniems pontonams ir net perdirbamoms plūdrioms tiltų arba krantinių konstrukcijoms, kur lengva priežiūra ir atsparumas pažeidimams yra kritiniai veiksniai.
Ekspertų įžvalgos
„Šis darbas yra sumani biologinių drėkinimo strategijų perkėlimas į metalinę platformą“, sako dr. Rebecca Nolan, pakrančių inžinerė su dviem dešimtmečiais patirties jūrų inžinerijoje. „Jeigu paviršiaus apdorojimas išliks patvarus sūriame vandenyje ir po UV apšvietimo poveikio, tai gali reikšmingai sumažinti ilgalaikes priežiūros išlaidas bouiams ir plūduriuojančioms atsinaujinančios energetikos sistemoms. Skalavimas ir medžiagų pasirinkimas nulems, ar ši idėja liks laboratoriniu įdomumu, ar taps lauko sprendimu.“
Ekspertė taip pat pabrėžia praktinius aspektus: ilgalaikė korozija, elektrolizė, biofouling (organizmų prisitvirtinimas) ir UV degradacija yra realios priežastys, kurios gali paveikti superhidrofobinius paviršius laivybos aplinkoje. Todėl būtini sistemingi ilgalaikiai jūrų bandymai ir medžiagų modifikacijos, kurios užtikrintų ilgaamžiškumą chemiškai aktyvioje, sūdroje terpėje.
Išvados ir tolesni žingsniai
Rochesterio universiteto cheminiu būdu etchuoti aliuminio vamzdžiai žada perspektyvią kryptį plūduriuojančioms konstrukcijoms, kurios išlaiko plūdrumą net esant mechaniniams pažeidimams. Inžineriniu sprendimu sukonstruotos superhidrofobinės vidinės struktūros užfiksuoja oro kišenes ir taip išsaugo plūdriąją jėgą be hermetiškai sandarių kamerų. Tai sprendžia ankstesnių projektų stabilumo ir patvarumo trūkumus ir siūlo įvairias taikymo sritis — nuo saugesnių laivų ir atsparesnių boujų iki inovatyvių platformų bangų energijos surinkimui.
Kiti svarbūs tyrimų etapai apima: mastelio didinimo eksperimentus, ilgalaikį poveikį jūros aplinkai (sūdros aplinkos koroziją, biofouling poveikį, UV ir cheminį stabiliumą), taip pat integraciją su laivų nešančiomis konstrukcijomis ar energijos konvertavimo sistemomis. Taip pat reikalingi gyvenimo ciklo vertinimai, ekonomiškumo analizės ir atitiktis jūrų saugos bei aplinkosaugos standartams.
Galiausiai, nors idėja atrodo pažangi ir perspektyvi, realaus pasaulio pritaikymas reikalauja tarpdalykinių tyrimų — metalurgijos, cheminės dangos inžinerijos, jūrų technologijų ir energetikos sistemų sintezės — bei plėtros partnerystės su laivybos pramone ir atsinaujinančios energijos sektoriaus rangovais. Tokiu būdu galima užtikrinti, kad technologija ne tik veikia laboratorijoje, bet ir būtų ekonomiškai naudinga bei techniškai patikima jūrų eksploatacijoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą