Электричество в борьбе с обрастанием корпусов судов

Обрастание подводной части корпуса судна водорослями, морскими желудями, моллюсками и прочими мелкими организмами - серьезная проблема. И даже не одна, а, как минимум, три - экологическая, экономическая и техническая.

Дело в том, что для всех этих безбилетных пассажиров любое судно является удобным транспортным средством, которое не только доставляет их в более богатые пищей регионы мирового океана, но и способствует их распространению как биологического вида. Между тем, нашествие таких переселенцев, не имеющих, как правило, в новом ареале обитания естественных врагов, а потому быстро размножающихся, часто приводит к нарушению экологического равновесия и чревато непредсказуемыми и тяжелыми последствиями для всей экосистемы в целом.

От обрастания - сплошные убытки...

Кроме того, в результате обрастания заметно увеличивается масса судна и ухудшаются его гидродинамические характеристики и ходовые свойства, что приводит к значительному перерасходу топлива. По словам Мартина Валя (Martin Wahl), профессора Центра морских исследований GEOMAR в Киле, "такой перерасход топлива означает не только дополнительное загрязнение окружающей среды, но еще и чувствительные финансовые потери, особенно при нынешних ценах на нефть". За год эксплуатации одного контейнеровоза расходы, связанные с обрастанием корпуса судна, могут составить несколько миллионов евро.

Но и это еще не все. Обрастание столь значительно меняет химические условия на поверхности корпуса судна, что резко ускоряет процесс коррозии металла. И, наконец, нарост из ракушек часто выводит из строя сенсоры и датчики, расположенные на подводной части корпуса.

Широкий ассортимент: противообрастающие покрытия химического,..

Над решением проблемы обрастания уже давно бьются ученые самых разных специальностей - инженеры и конструкторы, биологи и экологи, физики, химики и материаловеды.

Долгое время основным средством защиты было нанесение на корпус судна так называемого противообрастающего покрытия - специальных лакокрасочных составов, содержащих ядовитые соединения ртути, мышьяка, олова, меди и ряда других элементов. Эти покрытия неплохо выполняли свою функцию, но являлись самыми токсичными веществами из всех, когда-либо сознательно запущенными в оборот человеком. Проникая в воду, эти яды вызывали тяжелые нарушения обмена веществ и генетические мутации у представителей морской фауны. Наконец, наиболее токсичные покрытия на основе оловоорганических соединений - они же и наиболее эффективные - были запрещены, что побудило ученых еще активнее искать альтернативные способы решения проблемы.

механического...

Были разработаны новые водорастворимые краски на основе силикона: обтекающая корпус судна вода постепенно, слой за слоем, смывает такую краску, а вместе с ней - и осевших было морских организмов. Впрочем, по мнению ряда экологов, эта краска причиняет вред моллюскам, кораллам и зоопланктону, поскольку микрочастицы силикона могут засорить фильтрующий аппарат этих животных, а кроме того, породить у них чувство сытости, на самом деле не удовлетворив их потребность в энергии.

Разрабатываются и покрытия, обладающие особой микроструктурой, которая механически затрудняет обрастание - что-то вроде акульей кожи. Причем тут речь идет как о пленках для наклеивания на корпус судна, так и о специальных красках, наносимых специальными методами. Однако пока эффективность этих покрытий оставляет желать лучшего, а их нанесение связано со значительными трудностями.

...и биологического,..

Предлагаются и биологические методы защиты от обрастания - например, использование диатомовой водоросли Nitzschia pellucida, которая защищается от агрессоров и конкурентов, выделяя в окружающую среду чрезвычайно сильный токсин - цианид брома. Георг Понерт (Georg Pohnert), профессор аналитической химии Йенского университета, говорит: "Сегодня для борьбы с обрастанием используют покрытия, содержащие яды, что, мягко говоря, не слишком экологично. Если нам удастся подселить эту диатомовую водоросль в формирующуюся на корпусе судна биопленку, это позволит существенно сократить применение ядовитых покрытий и уменьшит нагрузку на окружающую среду".

Впрочем, до практической реализации этой идеи дело пока не дошло. А вот разработка специалистов Института механики материалов общества имени Фраунгофера в Галле уже проходит испытания. Главное же - то, что она противодействует обрастанию не химически, механически или биологически, а электрически.

...а теперь - еще и электрического действия

Профессор Манфред Фютинг (Manfred Füting), координатор проекта, поясняет: "Представьте себе корпус судна, покрашенный в черную и белую полоску словно зебра. И есть особое устройство, которое попеременно подает на эти полосы слабый электрический заряд - то на белые плюс, на черные минус, то наоборот". В результате образуется электрическое поле, запускающее процесс электролитической диссоциации воды вблизи корпуса судна. На эти изменения морские организмы реагируют очень чувствительно, продолжает профессор Фютинг: "Меняя знак электрического заряда, мы меняем свойства воды - с кислотных на щелочные и обратно. Переключение происходит примерно каждые 20 минут. Поскольку же одни морские организмы предпочитают кислую среду, а другие - щелочную, постоянное изменение водородного показателя воды лишает и тех, и других возможности обосноваться на корпусе судна".

Сама по себе эта идея не нова, но ее практическая реализация наталкивалась до сих пор на большие трудности, говорит профессор Фютинг: "Представьте себе, это была система, состоящая из 12 слоев различных материалов, причем разной консистенции. Скажем, нанести такую систему на поверхность корпуса судна было почти невозможно".

Экологичность в сочетании с энергоэкономичностью

Теперь ученые Института механики материалов совместно со специалистами фирмы NTC (Nano Tech Coatings) разработали особые нанокомпозиционные краски, которые позволили реализовать такую систему всего из трех слоев. Первый слой - грунтовка, предохраняющая корпус судна от электрокоррозии. На нее наносится функциональный слой электропроводящей нанокомпозиционной краски, а сверху - защитный слой, придающий всему покрытию механическую прочность и облегчающий скольжение в воде.

Однако экологичностью достоинства новой системы не исчерпываются, говорит профессор Фютинг: "Энергопотребление системы невелико, поскольку тут мы имеем дело с очень слабыми токами - около 0,1 миллиампера на квадратный сантиметр. В качестве источника энергии нам для наших испытаний хватило двух стандартных модулей солнечных батарей. А кроме того, систему можно и вовсе отключить - ведь при движения судна со скоростью более 3 узлов или, скажем, в условиях низких температур обрастания вообще практически не происходит. Это тоже позволит сэкономить немало энергии".