UCLA Engineers Develop First-Ever Drag-Reduction Technology for Boats
Credit-card-sized “superhydrophobic” surface has microscopic grooves that trapping air and reduce water friction by 30%.
Un gruppo di ricerca della UCLA Samueli School of Engineering ha dimostrato che una superficie appositamente progettata è in grado di ridurre l’attrito dall’acqua che scorre di quasi un terzo. Questo è stato fatto in un primo test in barca di successo in acque libere a Marina Del Rey, in California.
In uno studio pubblicato su Physical Review Applied, i ricercatori dicono che la superficie del campione potrebbe in ultima analisi essere scalato fino a coprire gli scafi di barche e navi per aiutarli a tagliare attraverso l’acqua con meno resistenza.
” L’effetto è simile a un air hockey puck scivolare sopra il tavolo con facilità, “ha detto il leader dello studio Chang-Jin” CJ ” Kim, un illustre professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso UCLA Samueli. “La diminuzione della resistenza porterebbe a ridurre l’uso di carburante marittimo e le emissioni.”
L’idea di utilizzare una superficie insolitamente idrorepellente o “superidrofobica” sugli scafi delle barche è in circolazione da circa due decenni, con il concetto che mostra la promessa iniziale negli esperimenti di laboratorio. Invece di scorrere direttamente su una superficie solida, l’acqua scorrerebbe su un piccolo film d’aria intrappolato tra l’acqua e la superficie superidrofobica.
“Le superfici superidrofobiche hanno dimostrato di mantenere un sottile film d’aria, chiamato plastron, durante gli esperimenti del canale dell’acqua in molti laboratori”, ha detto Kim. “Tuttavia, questo plastron scomparirebbe inspiegabilmente quando le stesse superfici venivano testate in acque libere al di fuori del laboratorio. La svolta principale riportata nel nostro studio è che siamo riusciti a mantenere il plastron durante i test sul campo e abbiamo confermato la riduzione della resistenza su una barca in mare aperto.”
Studi globali hanno stimato che le navi da carico oceaniche rappresentano circa il 12% del consumo energetico del trasporto mondiale e circa il 15% delle emissioni globali di gas di azoto e ossido di zolfo.
“La resistenza all’attrito delle moto d’acqua costituisce porzioni significative del consumo energetico globale e delle emissioni di gas, quindi anche una lieve riduzione della resistenza produrrebbe un impatto significativo per il mondo”, ha affermato Kim, sulle motivazioni a lungo termine dietro lo studio.
I ricercatori hanno sostituito una piccola parte della parte inferiore di un motoscafo di 13 piedi con un banco di prova. Comprendeva un wafer di silicio di dimensioni di carta di credito con scanalature microscopiche progettate su misura che sono un decimo di millimetro di profondità che corrono longitudinalmente dalla direzione di marcia. Le scanalature sono trattate con Teflon per respingere l’acqua e distanziate di un decimo di millimetro.
Progettato per massimizzare l’intrappolamento dell’aria, la loro superficie superidrofobica ha comportato una riduzione dell’attrito del 30% durante gli esperimenti. I test sono stati condotti su acque di mare aperto a velocità comprese tra 6 e 12 miglia all’ora. Fino a questo studio UCLA, una superficie superidrofobica non era mai stata confermata per ridurre la resistenza in un ambiente realistico in acque libere.
“La sfida principale per noi era sviluppare un esperimento che rappresentasse le condizioni reali di fronte a una barca mentre utilizzavamo un piccolo campione che possiamo produrre nel laboratorio di ricerca della scuola”, ha detto Kim, che è anche la cattedra di ingegneria di UCLA Volgenau. “Dal momento che non esisteva nulla di simile, abbiamo dovuto sviluppare tutto da soli.”
Oltre al retrofitting di una piccola sezione dello scafo della barca e allo sviluppo di un sistema di telecamere subacquee per registrare gli esperimenti, il team ha anche dovuto creare un sensore di flusso compatto, un processo di sviluppo durato tre anni che ha portato alla pubblicazione di un proprio documento.
Per Kim, la dimostrazione di successo è culminata in molti anni di ricerca. Il suo gruppo sta già lavorando alla produzione della superficie superidrofobica per coprire un’intera parte inferiore di una barca per ulteriori esperimenti. Oltre alle barche e alle navi, Kim ha detto che la superficie potrebbe anche essere utilizzata per ridurre l’attrito dei liquidi che scorrono attraverso i tubi.
Autore principale dello studio è stato UCLA ingegneria meccanica dottorato Muchen (Mitch) Xu. Gli altri autori inclusi Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte e Jeong-Won Lee — tutti attuali o ex membri del laboratorio di Micro e nano-produzione di UCLA, che Kim dirige, così come Byron Pfeifer, un tecnico presso l’UCLA Marine Aquatic Center.
Lo studio è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dalla National Science Foundation (NSF) e dall’Office of Naval Research (ONR).