Les ingénieurs de l’UCLA Développent la Toute Première Technologie de Réduction de la Traînée pour les bateaux
La surface « superhydrophobe » de la taille d’une carte de crédit possède des rainures microscopiques qui emprisonnent l’air et réduisent la friction de l’eau de 30%.
Une équipe de recherche de l’école d’ingénierie UCLA Samueli a démontré qu’une surface spécialement conçue est capable de réduire de près d’un tiers la friction due à l’écoulement de l’eau. Cela a été fait lors d’un tout premier essai de bateau réussi en eau libre à Marina Del Rey, en Californie.
Dans une étude publiée dans Physical Review Applied, les chercheurs affirment que la surface de l’échantillon pourrait finalement être agrandie pour couvrir les coques des bateaux et des navires afin de les aider à traverser l’eau avec moins de résistance.
« L’effet est similaire à celui d’une rondelle de hockey sur air glissant facilement sur la table », a déclaré le chef de l’étude, Chang-Jin « CJ » Kim, professeur émérite de génie mécanique et aérospatial à l’UCLA Samueli. « La diminution de la traînée entraînerait une réduction de la consommation de carburant maritime et des émissions. »
L’idée d’utiliser une surface exceptionnellement hydrofuge ou « superhydrophobe » sur les coques de bateaux existe depuis environ deux décennies, le concept étant initialement prometteur dans les expériences en laboratoire. Au lieu de s’écouler directement sur une surface solide, l’eau s’écoulerait sur un minuscule film d’air emprisonné entre l’eau et la surface superhydrophobe.
« Il a été démontré que les surfaces superhydrophobes maintenaient un mince film d’air, appelé plastron, lors d’expériences sur les canaux d’eau dans de nombreux laboratoires », a déclaré Kim. « Cependant, ce plastron disparaîtrait inexplicablement lorsque les mêmes surfaces étaient testées en eau libre à l’extérieur du laboratoire. La principale percée rapportée dans notre étude est que nous avons réussi à conserver le plastron tout au long des tests sur le terrain et confirmé la réduction de la traînée sur un bateau en eau de mer. »
Des études mondiales ont estimé que les cargos océaniques représentent environ 12% de la consommation mondiale d’énergie de transport et environ 15% des émissions mondiales de gaz nitreux et d’oxyde de soufre.
« La traînée de friction des motomarines constitue une part importante de la consommation mondiale d’énergie et des émissions de gaz, de sorte que même une légère réduction de la traînée aurait un impact significatif pour le monde », a déclaré Kim, sur les motivations à long terme derrière l’étude.
Les chercheurs ont remplacé une petite partie du dessous d’un bateau à moteur de 13 pieds par un banc d’essai. Il comprenait une plaquette de silicium de la taille d’une carte de crédit avec des rainures microscopiques conçues sur mesure d’un dixième de millimètre de profondeur s’étendant dans le sens de la longueur à partir du sens de déplacement. Les rainures sont traitées avec du téflon pour repousser l’eau et espacées d’un dixième de millimètre.
Conçues pour maximiser le piégeage de l’air, leur surface superhydrophobe a entraîné une réduction de 30% du frottement pendant les expériences. Les tests ont été effectués sur de l’eau de mer à des vitesses comprises entre 6 et 12 milles à l’heure. Jusqu’à cette étude de l’UCLA, une surface superhydrophobe n’avait jamais été confirmée pour réduire la traînée dans un environnement réaliste en eau libre.
« Le principal défi pour nous était de développer une expérience qui représenterait les conditions réelles d’un bateau tout en utilisant un petit échantillon que nous pouvons produire dans le laboratoire de recherche de l’école », a déclaré Kim, qui est également titulaire de la Chaire d’ingénierie UCLA Volgenau. « Comme rien de tel n’existait, nous devions tout développer nous-mêmes. »
En plus de moderniser une petite partie de la coque du bateau et de développer un système de caméra sous-marine pour enregistrer les expériences, l’équipe a également dû créer un capteur de débit compact, un processus de développement de trois ans qui a abouti à son propre article publié.
Pour Kim, la démonstration réussie a culminé de nombreuses années de recherche. Son groupe travaille déjà à la fabrication de la surface superhydrophobe pour couvrir tout le dessous d’un bateau pour d’autres expériences. En plus des bateaux et des navires, Kim a déclaré que la surface pourrait également être utilisée pour réduire le frottement des liquides circulant dans les tuyaux.
L’auteur principal de l’étude était Muchen (Mitch) Xu, doctorant en génie mécanique de l’UCLA. Les autres auteurs comprenaient Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte et Jeong-Won Lee — tous membres actuels ou anciens du Laboratoire de Micro et Nano-fabrication de l’UCLA, que Kim dirige, ainsi que Byron Pfeifer, technicien au Centre aquatique Marin de l’UCLA.
L’étude a été soutenue par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation (NSF) et l’Office of Naval Research (ONR).