Бременські науковці вчаться у природи

Шукаючи рішення тієї чи іншої проблеми, вчені та інженери рідко починають роботу з нуля. Сучасні конструктори запозичують досягнення попередників і залучають колег до співробітництва. Але є і ще одна форма запозичення – досить законна, хоча вона не передбачає згоди з боку власника інтелектуальної власності. Мова йде про найдавнішу форму запозичення – запозичення у природи. Тут не завжди можна говорити про імітацію: інколи природа підказує вченим нові напрямки дослідження, принципово нові ідеї та підходи.

Збитки через обростання корпусів суден

Зокрема, вчені давно звернули увагу на акул, оскільки мають надію, що зможуть підвищити ходові характеристики морських суден, надавши підводній частині їхніх корпусів поверхової структури, подібної до структури шкіри акули. Тут мають спрацювати одразу два фактори: така структура, по-перше, значно знизить гідродинамічний опір сама по собі, а по-друге - попередить обростання корпусів судів водоростями, молюсками та іншими організмами.

Річ у тому, що для всіх цих безбілетних пасажирів будь-яке судно є зручним транспортним засобом, яке забезпечує їхнє переміщення до більш насичених корисними речовинами регіонів світового океану, а також сприяють їхньому розповсюдженню як біологічного виду. Але вторгнення таких прибульців має погані наслідки для місцевої екології, а для пароплавств обростання судів ракушками та рачками обходиться дуже дорого.

Спеціаліст галузі біології моря Мартін Валь, науковий співробітник Інституту морських досліджень IFM-GEOMAR при Кільському університеті, говорить: «Підвищений гідродинамічний опір або зменшує швидкість руху судна, або збільшує витрати пального. Через обростання корпусу опір збільшується в середньому на 15 відсотків, перевищення витрат на пальне може сягати 50 відсотків. А це і додаткове забруднення навколишнього середовища, і досить відчутні фінансові втрати».

Унікальні властивості акулячої шкіри

Протягом довгого часу єдиним засобом захисту корпусу судна від обростання було його фарбування спеціальними сумішами на основі трибуту олова. Але застосування цих вкрай токсичних речовин давно заборонене, так що проблема обростання потребує альтернативних рішень. На акулі ж – на відміну від більшості інших риб та ссавців – представники дрібної морської фауни майже ніколи не селяться.

Не менш важливу роль відіграють гідродинамічні характеристики: рифлена мікроструктура акулячої шкіри, яка складається із тонких повздовжніх борозенок, мінімізує поверхове тертя в прикордонному шарі, дякуючи чому тварина здатна переміщуватися у воді з величезною швидкістю і мінімальними енергетичними витратами. Зрозуміло, що це робить акулячу шкіру досить привабливим прикладом для наслідування технологами, які працюють над створенням покриттів для підводної частини корпусів морських суден. Рулонні плівки, які імітують рифлену поверхову структуру акулячої шкіри, були запропоновані ще в 80-х роках минулого століття, але так і не були широко розповсюджені.

Саша Бухбах, науковий співробітник Інституту виробничих технологій та прикладного матеріаловедення Спілки імені Фраугофера у Бремені, пояснює: «Проблема в тому, що такі плівки дуже погано наносяться на викривлені поверхні. І при закрої велика частина плівки йде на відходи. А крім того, наклеювана плівка – це зайва вага, і чимала».

Замість рулонного матеріалу – полімерна фарба

Саме тому бременські спеціалісти пішли іншим шляхом – вони вирішили розробити полімерну фарбу з такою технологією її нанесення, щоб необхідна поверхнева мікроструктура утворювалася сама в процесі застигання. Колега Саші Бухбаха – Генріх Корді – пояснює: «Ми використовуємо силіконову матрицю, яка проникає через ультрафіолетове опромінення. Ця матриця є доволі щільною плівкою шириною у півметра. Її головна особливість – наявність поверхової мікроструктури, рельєф якої є дзеркальним відображенням потрібних нам мініатюрних борозен. На цю матрицю наноситься рідка полімерна фарба, потім все разом припасовується до корпусу судна, і фарба стає твердою за допомогою ультрафіолетового опромінення, після чого матриця видаляється».

Для нанесення такого покриття бременські технологи розробили прототип автоматизованого пристрою. Робот складається із сопла, який обприскує матрицю фарбою, валків, які розкатують просочений фарбою рушник і прижимаючи його до корпусу судна, а також джерела ультрафіолетового опромінення.

Дослідів і розрахунків мало, потрібні випробовування

Під час випробовувань на верфі в Емдені швидкість нанесення покриття склала майже два погонних метри на хвилину. Генріх Корді говорить, що особливість цих дослідів у тому, що вони проводилися не в лабораторії на стенді, а в умовах реального суднобудівного підприємства: "Ми успішно нанесли покриття на стальну поверхню площею 30 квадратних метрів".

Розробники інноваційної технології вже оформили заявку на патент. Експерименти в гідродинамічному каналі та розрахунки говорять про те, що експлуатація лише одного контейнеровоза з «акулячим» покриттям корпусу дозволить за рік зекономити пального на 300 тисяч доларів. Проте щоб переконати в цьому судноплавні підприємства, самих лише розрахунків та експериментів мало. Потрібні справжні морські випробовування повноцінного судна, які довели б, по-перше, реальність значної економії пального, а по-друге, міцність і довговічність покриття. Саме таке завдання ставлять наразі перед собою бременські спеціалісти.

Автори: Наталія Мар'янчик, Володимир Фрадкін
Редактор: Захар Бутирський