Бременские материаловеды учатся у природы

Приступая к поиску решения той или иной проблемы, ученые и инженеры редко начинают работу, так сказать, с чистого листа. То есть заимствования - дело вполне обычное. Эти заимствования могут принимать разные формы - вплоть до плагиата или промышленного шпионажа. Но это - экстремальные случаи. Гораздо чаще современные конструкторы предпочитают легальный путь: они опираются на достижения предшественников и привлекают к сотрудничеству коллег.

Но есть и еще одна форма заимствования - вполне законная, хотя, выражаясь языком патентного права, не предполагающая согласия со стороны владельца интеллектуальной собственности. Речь идет о самой древней форме заимствования - заимствовании у природы. Причем далеко не всегда тут можно говорить о тривиальной имитации: порой природа подсказывает ученым новые направления исследования, принципиально новые идеи и подходы.

Так что в истории развития науки изучение особенностей строения и функционирования живых организмов играет исключительно важную роль не только само по себе, но еще и потому, что оно позволило успешно решить множество технических задач, стоявших перед человечеством. Впрочем, говорить об этом процессе в прошедшем времени вряд ли уместно, поскольку и сегодня интерес ученых к заимствованию новаторских подходов у живой природы сохраняется в полной мере.

Обрастание корпусов судов - удар по природе и по карману

В частности, исследователи уже давно присматриваются к акулам, поскольку надеются, что смогут существенно повысить ходовые характеристики морских судов, придав подводной части их корпусов поверхностную структуру, сходную со структурой акульей кожи. Здесь должны сработать сразу два фактора: такая структура, во-первых, заметно снизит гидродинамическое сопротивление сама по себе, а во-вторых, предотвратит обрастание корпусов судов водорослями, моллюсками и прочими морскими организмами.

Дело в том, что для всех этих безбилетных пассажиров любое судно является удобным транспортным средством, которое обеспечивает их доставку в более богатые питательными веществами регионы мирового океана, а заодно способствует их широкому распространению как биологического вида. Но вторжение таких пришельцев чревато плачевными последствиями для местной экологии, а что касается пароходств, то им обрастание судов ракушками и рачками обходится очень дорого в самом прямом смысле этого слова.

Специалист в области биологии моря Мартин Валь (Martin Wahl), научный сотрудник Института морских исследований IFM-GEOMAR при Кильском университете, говорит: "Повышенное гидродинамическое сопротивление либо уменьшает скорость движения судна, либо увеличивает расход горючего. Из-за обрастания корпуса сопротивление возрастает в среднем на 15 процентов, перерасход топлива может достигать 50 процентов. А это и дополнительное загрязнение окружающей среды, и весьма чувствительные финансовые потери".

Уникальные свойства акульей кожи

Долгое время единственным средством защиты корпуса судна от обрастания была его покраска специальными составами на основе трибутила олова. Но применение этих крайне токсичных веществ давно запрещено, так что проблема обрастания требует альтернативных решений. На акуле же - в отличие от большинства других рыб и морских млекопитающих - представители мелкой морской фауны почти никогда не селятся.

Не менее важную роль играют гидродинамические характеристики: рифленая микроструктура акульей кожи, представляющая собой тончайшие продольные бороздки, минимизирует поверхностное трение в приграничном слое, благодаря чему животное способно перемещаться в воде с огромной скоростью и минимальными энергозатратами. Понятно, что это делает акулью кожу весьма привлекательным образцом для подражания в глазах технологов, работающих над созданием покрытий для подводной части корпусов морских судов. Рулонные пленки, имитирующие рифленую поверхностную структуру акульей кожи, были предложены еще в 80-х годах прошлого века, но широкого распространения не получили.

Саша Бухбах (Sascha Buchbach), научный сотрудник Института производственных технологий и прикладного материаловедения Общества имени Фраугофера в Бремене, поясняет: "Проблема в том, что такие пленки очень плохо поддаются нанесению на искривленные поверхности. И при кройке уйма пленки идет в отходы. А кроме того, наклеиваемая пленка - это лишний вес, и немалый".

Вместо рулонного материала - полимерная краска

Поэтому бременские специалисты пошли иным путем: сделали ставку на полимерную краску и такую технологию ее нанесения, чтобы необходимая поверхностная микроструктура образовывалась как бы сама в процессе отверждения. Коллега Саши Бухваха - Хайнрих Корди (Heinrich Kordy) - поясняет: "Мы используем силиконовую матрицу, проницаемую для ультрафиолетового излучения. Эта матрица представляет собой довольно плотную пленку, полотнище шириной в полметра. Его главная особенность - наличие поверхностной микроструктуры, рельеф которой является как бы негативом, зеркальным отражением нужных нам миниатюрных бороздок. На эту матрицу наносится жидкая полимерная краска, затем все вместе припрессовывается к корпусу судна, и краска отверждается при помощи ультрафиолетового света, после чего матрица удаляется".

Для нанесения такого покрытия бременские технологи разработали прототип автоматизированного устройства. Робот состоит из сопла, опрыскивающего матрицу краской, валков, раскатывающих пропитанное краской полотнище и прижимающих его к корпусу судна наподобие обоев, и источника ультрафиолетового излучения.

Опытов и расчетов мало, нужны испытания

В ходе испытаний на верфи в Эмдене скорость нанесения покрытия составила почти два погонных метра в минуту. Хайнрих Корди говорит: "Особенность этих испытаний состояла в том, что проводились они не в лаборатории на стенде, а в условиях реального судостроительного предприятия. Мы успешно нанесли покрытие на стальную поверхность площадью в 30 квадратных метров".

Разработчики инновационной технологии уже оформили заявку на патент. Эксперименты в гидродинамическом канале и расчеты говорят о том, что эксплуатация лишь одного контейнеровоза с "акульим" покрытием корпуса позволит за год сэкономить горючего примерно на 300 тысяч долларов. Впрочем, чтобы убедить в этом судоходные предприятия, одних расчетов и экспериментов мало. Нужны настоящие морские испытания полноценного судна, которые доказали бы, во-первых, реальность значительной экономии топлива, а во-вторых, прочность и долговечность покрытия. Именно такую задачу и ставят теперь перед собой бременские специалисты.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева