UCLA Ingenieure Entwickeln Erste Drag-Reduktion Technologie für Boote
Kreditkarte-größe „superhydrophobe“ oberfläche hat mikroskopische nuten, dass falle luft und reduzieren wasser reibung durch 30%.
Ein Forschungsteam der UCLA Samueli School of Engineering hat gezeigt, dass eine speziell entwickelte Oberfläche die Reibung durch fließendes Wasser um fast ein Drittel reduzieren kann. Dies wurde in einem ersten erfolgreichen Bootstest auf offenem Wasser in Marina Del Rey, Kalifornien, durchgeführt.
In einer Studie, die in Physical Review Applied veröffentlicht wurde, sagen die Forscher, dass die Probenoberfläche letztendlich vergrößert werden könnte, um die Rümpfe von Booten und Schiffen zu bedecken, damit sie Wasser mit weniger Widerstand durchschneiden können.
„Der Effekt ähnelt einem Airhockey-Puck, der mit Leichtigkeit über den Tisch rutscht“, sagte Studienleiter Chang-Jin „CJ“ Kim, ein angesehener Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli. „Die Verringerung des Luftwiderstands würde zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und geringeren Emissionen auf See führen.“
Die Idee, eine ungewöhnlich wasserabweisende oder „superhydrophobe“ Oberfläche auf Bootsrümpfen zu verwenden, gibt es seit etwa zwei Jahrzehnten, wobei das Konzept in Laborexperimenten erste vielversprechende Ergebnisse zeigte. Anstatt direkt über eine feste Oberfläche zu fließen, würde Wasser über einen winzigen Luftfilm fließen, der zwischen Wasser und der superhydrophoben Oberfläche eingeschlossen ist.
„Es wurde gezeigt, dass superhydrophobe Oberflächen während Wasserkanalexperimenten in vielen Labors einen dünnen Luftfilm, ein so genanntes Plastron, aufrechterhalten“, sagte Kim. „Dieses Plastron würde jedoch unerklärlicherweise verschwinden, wenn dieselben Oberflächen außerhalb des Labors im offenen Wasser getestet würden. Der wichtigste Durchbruch in unserer Studie ist, dass es uns gelungen ist, das Plastron während der Feldtests zu halten und die Verringerung des Luftwiderstands auf einem Boot im offenen Meerwasser zu bestätigen.“
Globale Studien haben geschätzt, dass Seefrachtschiffe etwa 12% des weltweiten Transportenergieverbrauchs und etwa 15% der globalen Lachgas- und Schwefeloxidgasemissionen ausmachen.
„Der Reibungswiderstand von Wasserfahrzeugen macht erhebliche Teile des globalen Energieverbrauchs und der Gasemissionen aus, so dass selbst eine leichte Verringerung des Luftwiderstands erhebliche Auswirkungen auf die Welt haben würde“, sagte Kim zu den langfristigen Motivationen hinter der Studie.
Die Forscher ersetzten einen kleinen Teil der Unterseite eines 13-Fuß-Motorboots durch ein Testbett. Es umfasste einen kreditkartengroßen Siliziumwafer mit maßgeschneiderten mikroskopischen Rillen, die einen Zehntel Millimeter tief sind und in Längsrichtung aus der Fahrtrichtung verlaufen. Die Rillen sind mit Teflon behandelt, um Wasser abzustoßen, und ein Zehntel Millimeter voneinander entfernt.
Ihre superhydrophobe Oberfläche wurde entwickelt, um das Einfangen von Luft zu maximieren und führte während der Experimente zu einer Verringerung der Reibung um 30%. Die Tests wurden auf offenem Meerwasser mit Geschwindigkeiten zwischen 6 und 12 Meilen pro Stunde durchgeführt. Bis zu dieser UCLA-Studie wurde nie bestätigt, dass eine superhydrophobe Oberfläche den Luftwiderstand in einer realistischen Freiwasserumgebung verringert.
„Die größte Herausforderung für uns bestand darin, ein Experiment zu entwickeln, das die realen Bedingungen eines Bootes darstellt, während wir eine kleine Probe verwenden, die wir im Forschungslabor der Schule herstellen können“, sagte Kim, der auch der UCLA Volgenau Stiftungslehrstuhl für Ingenieurwissenschaften ist. „Da es so etwas nicht gab, mussten wir alles selbst entwickeln.“
Neben der Nachrüstung eines kleinen Teils des Bootsrumpfes und der Entwicklung eines Unterwasserkamerasystems zur Aufzeichnung der Experimente musste das Team auch einen kompakten Durchflusssensor entwickeln, ein dreijähriger Entwicklungsprozess, der zu einer eigenen Veröffentlichung führte.
Für Kim gipfelte die erfolgreiche Demonstration in vielen Jahren der Forschung. Seine Gruppe arbeitet bereits an der Herstellung der superhydrophoben Oberfläche, um eine ganze Unterseite eines Bootes für weitere Experimente zu bedecken. Neben Booten und Schiffen, Kim sagte, die Oberfläche könnte auch verwendet werden, um die Reibung von Flüssigkeiten zu reduzieren, die durch Rohre fließen.
Der Hauptautor der Studie war UCLA Maschinenbau Doktorand Muchen (Mitch) Xu. Zu den anderen Autoren gehörten Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte und Jeong-Won Lee — alle aktuellen oder ehemaligen Mitglieder des UCLA Micro and Nano -Manufacturing Laboratory, das Kim leitet, sowie Byron Pfeifer, ein Techniker am UCLA Marine Aquatic Center.
Die Studie wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der National Science Foundation (NSF) und dem Office of Naval Research (ONR) unterstützt.