UCLA: n insinöörit kehittävät ensimmäisen vastuksen Vähentämisteknologian veneisiin
luottokortin kokoisessa ”superhydrofobisessa” pinnassa on mikroskooppisia uria, jotka vangitsevat ilman ja vähentävät veden kitkaa 30%.
UCLA Samueli School of Engineeringin tutkimusryhmä on osoittanut, että erityisesti suunniteltu pinta pystyy vähentämään virtaavan veden aiheuttamaa kitkaa lähes kolmanneksella. Tämä tapahtui kaikkien aikojen ensimmäisessä onnistuneessa venekokeessa Avovedellä Marina Del Reyssä Kaliforniassa.
Physical Review Applied-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tutkijat sanovat, että näytepinta voitaisiin lopulta skaalata kattamaan veneiden ja laivojen rungot, jotta ne voisivat leikata vettä vähemmällä vastuksella.
”vaikutus on samanlainen kuin ilmakiekko, joka lipuu helposti pöydän yli”, sanoi tutkimuksen johtaja Chang-Jin ”CJ” Kim, arvostettu UCLA Samuelin kone-ja avaruustekniikan professori. ”Ilmanvastuksen väheneminen johtaisi merenkulun polttoaineen käytön ja päästöjen vähenemiseen.”
ajatus epätavallisen vettä hylkivän eli” superhydrofobisen ” pinnan käyttämisestä veneiden rungoissa on ollut olemassa jo parikymmentä vuotta, ja konsepti on osoittanut alustavaa lupausta laboratoriokokeissa. Sen sijaan, että vesi virtaisi suoraan kiinteän pinnan yli, se virtaisi veden ja superhydrofobisen pinnan väliin jääneen pienen ilmakalvon yli.
”Superhydrofobisten pintojen osoitettiin ylläpitävän ohutta ilmakalvoa, jota kutsutaan plastroniksi, vesikanavakokeissa monissa laboratorioissa”, Kim sanoi. ”Tämä plastron kuitenkin hävisi selittämättömästi, kun samoja pintoja testattiin avovedessä laboratorion ulkopuolella. Tärkein läpimurto, joka on raportoitu tutkimuksessamme, on se, että olemme onnistuneet säilyttämään plastronin koko kenttäkokeiden ajan ja vahvistaneet veneessä olevan ilmanvastuksen vähenemisen avomerivedessä.”
maailmanlaajuiset tutkimukset ovat arvioineet, että valtamerilaivat aiheuttavat noin 12% maailman liikenneenergian käytöstä ja noin 15% maailmanlaajuisista ilokaasu – ja rikkioksidikaasupäästöistä.
”vesikulkuneuvojen kitkavoima muodostaa merkittävän osan globaalista energiankulutuksesta ja kaasupäästöistä, joten jo lievällä ilmanvastuksen vähentämisellä olisi merkittävä vaikutus koko maailmaan”, Kim sanoi tutkimuksen taustalla olevista pitkän aikavälin motiiveista.
tutkijat korvasivat pienen osan 13-jalkaisen moottoriveneen alapinnasta koepohjalla. Siihen kuului luottokortin kokoinen piikiekko, jossa oli mittatilaustyönä suunnitellut mikroskooppiset urat, joiden syvyys on millimetrin kymmenesosa ja jotka kulkevat pituussuunnassa kulkusuunnasta. Urat käsitellään teflonilla veden hylkimiseksi, ja ne on sijoitettu millimetrin kymmenesosan päähän toisistaan.
niiden superhydrofobinen pinta on suunniteltu maksimoimaan ilman vangitseminen, mikä johti 30%: n kitkan vähenemiseen kokeiden aikana. Testit suoritettiin avomerellä 6-12 mailin tuntinopeudella. Ennen tätä UCLA: n tutkimusta superhydrofobisen pinnan ei ollut koskaan vahvistettu vähentävän ilmanvastusta realistisessa avovesiympäristössä.
”suurin haasteemme oli kehittää koe, joka edustaisi todellisia olosuhteita veneessä samalla, kun käytämme pientä näytettä, jonka voimme tuottaa koulun tutkimuslaboratoriossa”, sanoi Kim, joka on myös UCLA Volgenaun teknillinen johtaja. ”Koska mitään sellaista ei ollut olemassa, meidän oli kehitettävä kaikki itse.”
pienen osan veneen rungosta jälkiasentamisen ja kokeiden tallentamiseen tarkoitetun vedenalaisen kamerajärjestelmän kehittämisen lisäksi työryhmä joutui luomaan kompaktin virtaussensorin, kolme vuotta kestäneen kehitysprosessin, jonka tuloksena syntyi oma julkaistu paperi.
Kimille onnistunut demonstraatio huipentui monen vuoden tutkimustyöhön. Hänen ryhmänsä työstää jo superhydrofobisen pinnan valmistusta niin, että se kattaa kokonaisen veneen alapinnan lisäkokeita varten. Veneiden ja laivojen lisäksi pintaa voitaisiin Kimin mukaan käyttää myös putkien läpi virtaavien nesteiden kitkan vähentämiseen.
tutkimuksen pääkirjoittaja oli UCLA: n konetekniikan tohtorikoulutettava Muchen (Mitch) Xu. Muita kirjoittajia olivat Andrew Grabowski, ning Yu, Gintare Kerezyte ja Jeong-Won Lee — kaikki Kimin johtaman UCLA: n mikro-ja Nanotuotantolaboratorion nykyisiä tai entisiä jäseniä sekä UCLA Marine Aquatic Centerin teknikko Byron Pfeifer.
tutkimusta tukivat Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation (NSF) ja Office of Naval Research (ONR).