UCLA ingenjörer utveckla första någonsin dra-reduktion teknik för båtar
kreditkort-sized ”superhydrophobic” yta har mikroskopiska spår som fångar luft och minska vattenfriktionen med 30%.
en forskargrupp från UCLA Samueli School of Engineering har visat att en specialdesignad yta kan minska friktionen från strömmande vatten med nästan en tredjedel. Detta gjordes i ett första framgångsrikt båttest på öppet vatten i Marina Del Rey, Kalifornien.
i en studie publicerad i Physical Review Applied säger forskarna att provytan i slutändan kan skalas upp för att täcka skrov på båtar och fartyg för att hjälpa dem att skära genom vatten med mindre motstånd.
”effekten liknar en air hockey puck glider över bordet med lätthet”, säger studieledaren Chang-Jin” CJ ” Kim, en framstående professor i mekanik och flygteknik vid UCLA Samueli. ”Minskningen av drag skulle leda till minskad bränsleanvändning och utsläpp till sjöss.”
tanken på att använda en ovanligt vattenavvisande eller” superhydrofob ” yta på båtskrov har funnits i ungefär två decennier, med konceptet som visar initialt löfte i laboratorieexperiment. I stället för att strömma direkt över en fast yta, skulle vatten strömma över en liten film av luft som fångats mellan vatten och den superhydrofoba ytan.
”Superhydrofoba ytor visade sig upprätthålla en tunn film av luft, kallad en plastron, under vattenkanalsexperiment i många laboratorier”, säger Kim. ”Men denna plastron skulle oförklarligt försvinna när samma ytor testades i öppet vatten utanför labbet. Det viktigaste genombrottet som rapporterades i vår studie är att vi har lyckats hålla plastronen under fälttesterna och bekräftat minskningen av drag på en båt i öppet havsvatten.”
Globala studier har uppskattat att havslastfartyg står för cirka 12% av världens transportenergianvändning och cirka 15% av de globala kväve – och svaveloxidgasutsläppen.
”vattenfartygets friktionsdrag utgör betydande delar av den globala energiförbrukningen och gasutsläppet, så även en mild minskning av dragningen skulle ge en betydande inverkan på världen”, säger Kim, på de långsiktiga motivationerna bakom studien.
forskarna ersatte en liten del av en 13-fots motorbåts undersida med en testbädd. Den inkluderade en kiselskiva med kreditkortsstorlek med specialdesignade mikroskopiska spår som är en tiondel av en millimeter djup som går längs från färdriktningen. Spåren behandlas med Teflon för att avvisa vatten och placeras en tiondel av en millimeter från varandra.
utformad för att maximera fångsten av luft resulterade deras superhydrofoba yta i en 30% minskning av friktionen under experimenten. Testerna utfördes på öppet havsvatten med hastigheter mellan 6 och 12 miles per timme. Fram till denna UCLA-studie hade en superhydrofob yta aldrig bekräftats för att minska drag i en realistisk öppen vattenmiljö.
”den största utmaningen för oss var att utveckla ett experiment som skulle representera de verkliga förhållandena inför en båt medan vi använder ett litet prov som vi kan producera i skolans forskningslabb”, säger Kim, som också är UCLA Volgenau begåvad Ingenjörsstol. ”Eftersom inget sådant fanns, var vi tvungna att utveckla allt själva.”
förutom att eftermontera en liten del av båtens skrov och utveckla ett undervattenskamerasystem för att registrera experimenten, var teamet också tvungen att skapa en kompakt flödessensor, en treårslång utvecklingsprocess som resulterade i ett eget publicerat papper.
för Kim kulminerade den framgångsrika demonstrationen många års forskning. Hans grupp arbetar redan med att tillverka den superhydrofoba ytan för att täcka en hel undersida av en båt för ytterligare experiment. Förutom båtar och fartyg sa Kim att ytan också kunde användas för att minska friktionen hos vätskor som strömmar genom rör.
studiens huvudförfattare var UCLA mechanical engineering doktorand Muchen (Mitch) Xu. De andra författarna inkluderade Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte och Jeong-Won Lee — alla nuvarande eller tidigare medlemmar av UCLAS mikro-och Nanotillverkningslaboratorium, som Kim leder, liksom Byron Pfeifer, en tekniker vid UCLA Marine Aquatic Center.
studien stöddes av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation (NSF) och Office of Naval Research (ONR).