inżynierowie UCLA opracowują pierwszą w historii technologię redukcji oporu dla Łodzi
powierzchnia „superhydrofobowa” o Rozmiarze Karty Kredytowej ma mikroskopijne rowki, które zatrzymują powietrze i zmniejszają tarcie wody o 30%.
zespół badawczy z UCLA Samueli School of Engineering wykazał, że specjalnie zaprojektowana powierzchnia jest w stanie zmniejszyć tarcie płynącej wody o prawie jedną trzecią. Dokonano tego podczas pierwszego w historii udanego testu łodzi na otwartej wodzie w Marina Del Rey w Kalifornii.
W badaniu opublikowanym w Physical Review Applied, naukowcy twierdzą, że powierzchnia próbki może ostatecznie zostać skalowana, aby pokryć kadłuby łodzi i statków, aby pomóc im przeciąć wodę z mniejszym oporem.
„efekt jest podobny do krążka air hockey z łatwością poślizguje się po stole”, powiedział lider badania Chang-Jin” CJ ” Kim, wybitny profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej na UCLA Samueli. – Zmniejszenie oporu doprowadziłoby do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji na morzu.”
pomysł użycia niezwykle wodoodpornej lub” superhydrofobowej ” powierzchni na kadłubach łodzi istnieje od około dwóch dekad, a koncepcja ta pokazuje początkową obietnicę w eksperymentach laboratoryjnych. Zamiast płynąć bezpośrednio nad stałą powierzchnią, woda przepływałaby przez maleńki film powietrza uwięziony między wodą a superhydrofobową powierzchnią.
„wykazano, że Superhydrofobowe powierzchnie utrzymują cienką warstwę powietrza, zwaną plastronem, podczas eksperymentów z kanałem wodnym w wielu laboratoriach”, powiedział Kim. „Jednak ten plastron w niewytłumaczalny sposób zniknie, gdy te same powierzchnie zostaną przetestowane na otwartej wodzie poza laboratorium. Głównym przełomem odnotowanym w naszym badaniu jest to, że udało nam się utrzymać plastron podczas testów polowych i potwierdziliśmy zmniejszenie oporu na łodzi na otwartej wodzie morskiej.”
globalne badania oszacowały, że morskie statki towarowe odpowiadają za około 12% światowego zużycia energii w transporcie i około 15% globalnych emisji gazów podtlenku azotu i siarki.
„opór tarcia jednostek pływających stanowi znaczną część globalnego zużycia energii i emisji gazów, więc nawet łagodne zmniejszenie oporu przyniosłoby znaczący wpływ na świat”, powiedział Kim, na długoterminowe motywacje stojące za badaniem.
badacze zamienili niewielką część 13-metrowego spodu motorówki na platformę testową. Zawierał w sobie silikonowy wafel wielkości karty kredytowej z specjalnie zaprojektowanymi mikroskopijnymi rowkami o głębokości jednej dziesiątej milimetra biegnącymi wzdłuż od kierunku jazdy. Rowki są traktowane teflonem w celu odpychania wody i oddalone od siebie o jedną dziesiątą milimetra.
zaprojektowane, aby zmaksymalizować wychwytywanie powietrza, ich superhydrofobowa powierzchnia spowodowała 30% zmniejszenie tarcia podczas eksperymentów. Testy przeprowadzono na otwartych wodach morskich z prędkością od 6 do 12 mil na godzinę. Do czasu tego badania UCLA, superhydrofobowa powierzchnia nigdy nie została potwierdzona, aby zmniejszyć opór w realistycznym środowisku otwartej wody.
„głównym wyzwaniem dla nas było opracowanie eksperymentu, który przedstawiłby rzeczywiste warunki stojące przed łodzią przy użyciu małej próbki, którą możemy wyprodukować w Szkolnym Laboratorium Badawczym”, powiedział Kim, który jest również katedrą inżynierii UCLA Volgenau. „Ponieważ nic takiego nie istniało, musieliśmy wszystko rozwijać sami.”
oprócz modernizacji niewielkiej części kadłuba łodzi i opracowania podwodnego systemu kamer do rejestrowania eksperymentów, zespół musiał również stworzyć Kompaktowy czujnik przepływu, trzyletni proces rozwoju, który zaowocował własnym opublikowanym artykułem.
dla Kim udana demonstracja zakończyła wiele lat badań. Jego grupa pracuje już nad produkcją superhydrofobowej powierzchni, aby pokryć cały spód łodzi do dalszych eksperymentów. Oprócz łodzi i statków, Kim powiedział, że powierzchnia może być również wykorzystana do zmniejszenia tarcia cieczy przepływających przez rury.
głównym autorem badania był UCLA mechanical engineering Doctor graduate Muchen (Mitch) Xu. Wśród innych autorów znaleźli się Andrew Grabowski, ning Yu, Gintare Kerezyte i Jeong-won Lee — wszyscy obecni lub byli członkowie Laboratorium mikro-i Nano-produkcyjnego UCLA, którym kieruje Kim, a także Byron Pfeifer, technik w UCLA Marine Aquatic Center.
badanie było wspierane przez Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation (NSF) i Office of Naval Research (ONR).