Los ingenieros de UCLA Desarrollan la Primera Tecnología de Reducción de Arrastre para Embarcaciones
La superficie «superhidrofóbica» del tamaño de una tarjeta de crédito tiene ranuras microscópicas que atrapan el aire y reducen la fricción del agua en un 30%.
Un equipo de investigación de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA ha demostrado que una superficie especialmente diseñada puede reducir la fricción del agua corriente en casi un tercio. Esto se hizo en una primera prueba de barco exitosa en aguas abiertas en Marina Del Rey, California.
En un estudio publicado en Physical Review Applied, los investigadores dicen que la superficie de la muestra podría ampliarse para cubrir los cascos de barcos y barcos para ayudarlos a cortar el agua con menos resistencia.
«El efecto es similar a un disco de hockey de aire que se desliza sobre la mesa con facilidad», dijo el líder del estudio Chang-Jin «CJ» Kim, un distinguido profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA Samueli. «La disminución de la resistencia conduciría a una reducción del uso de combustible marítimo y de las emisiones.»
La idea de usar una superficie inusualmente repelente al agua o «superhidrofóbica» en los cascos de los barcos ha existido durante aproximadamente dos décadas, con el concepto mostrando una promesa inicial en experimentos de laboratorio. En lugar de fluir directamente sobre una superficie sólida, el agua fluiría sobre una pequeña película de aire atrapada entre el agua y la superficie superhidrofóbica.
«Se demostró que las superficies superhidrofóbicas mantienen una fina película de aire, llamada plastrón, durante los experimentos de canales de agua en muchos laboratorios», dijo Kim. «Sin embargo, este plastrón desaparecería inexplicablemente cuando se probaran las mismas superficies en aguas abiertas fuera del laboratorio. El principal avance reportado en nuestro estudio es que hemos logrado mantener el plastrón durante las pruebas de campo y hemos confirmado la reducción de la resistencia en un barco en aguas de mar abierto.»
Los estudios globales han estimado que los buques de carga oceánica representan aproximadamente el 12% del uso de energía del transporte en el mundo, y alrededor del 15% de las emisiones globales de gas nitroso y óxido de azufre.
«La resistencia por fricción de las embarcaciones constituye una parte significativa del consumo de energía global y de la emisión de gases, por lo que incluso una leve reducción de la resistencia produciría un impacto significativo para el mundo», dijo Kim, sobre las motivaciones a largo plazo detrás del estudio.
Los investigadores reemplazaron una pequeña parte de la parte inferior de una lancha motora de 13 pies con un banco de pruebas. Incluía una oblea de silicio del tamaño de una tarjeta de crédito con ranuras microscópicas diseñadas a medida que miden una décima de milímetro de profundidad y se extienden longitudinalmente desde la dirección de desplazamiento. Las ranuras se tratan con teflón para repeler el agua, y se separan una décima de milímetro.
Diseñado para maximizar el atrapamiento del aire, su superficie superhidrofóbica resultó en una reducción del 30% en la fricción durante los experimentos. Las pruebas se realizaron en aguas de mar abierto a velocidades de entre 6 y 12 millas por hora. Hasta este estudio de la UCLA, nunca se había confirmado que una superficie superhidrofóbica redujera el arrastre en un entorno realista de aguas abiertas.
» El principal desafío para nosotros fue desarrollar un experimento que representara las condiciones reales a las que se enfrenta un barco mientras se utiliza una pequeña muestra que podemos producir en el laboratorio de investigación de la escuela», dijo Kim, quien también es la Cátedra de Ingeniería dotada de UCLA Volgenau. «Como no existía nada de eso, tuvimos que desarrollarlo todo nosotros mismos.»
Además de adaptar una pequeña sección del casco del barco y desarrollar un sistema de cámara submarina para grabar los experimentos, el equipo también tuvo que crear un sensor de flujo compacto, un proceso de desarrollo de tres años que resultó en su propio artículo publicado.
Para Kim, la exitosa demostración culminó muchos años de investigación. Su grupo ya está trabajando en la fabricación de la superficie superhidrofóbica para cubrir toda la parte inferior de un barco para nuevos experimentos. Además de los barcos y los barcos, Kim dijo que la superficie también podría usarse para reducir la fricción de los líquidos que fluyen a través de las tuberías.
El autor principal del estudio fue el doctorando en ingeniería mecánica de la UCLA Muchen (Mitch) Xu. Los otros autores incluyeron a Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte y Jeong-Won Lee, todos miembros actuales o anteriores del Laboratorio de Micro y Nano Fabricación de UCLA, que dirige Kim, así como a Byron Pfeifer, técnico del Centro Acuático Marino de UCLA.
El estudio fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y la Oficina de Investigación Naval (ONR).