8 Minute
Ingineri de la University of Rochester au dezvoltat țevi din aluminiu care rămân la suprafață chiar și după ce suferă avarii severe — un pas important către vase și platforme plutitoare practic insubmersibile. Abordarea echipei combină tratamente de suprafață cu laser și chimice pentru a capta aerul și a menține flotația, deschizând noi posibilități pentru ingineria marină, tehnologiile offshore și sistemele de energie regenerabilă.
«Dacă le distrugi sever, făcând cât mai multe găuri posibil, tot plutesc», spune Guo, subliniind fiabilitatea fenomenului observat în laboratorul său.
How a dry interior keeps metal afloat
Secretul nu este doar de a face metalul mai gol, ci de a modifica textura sa la scară microscopică. Conducând cercetările, Chunlei Guo, profesor de opticǎ și fizică la University of Rochester și cercetător principal la Laboratory for Laser Energetics, și echipa sa au folosit etch‑controlat pentru a aspriza suprafața interioară a țevilor din aluminiu obișnuite la micro‑ și nano‑scale. Acea textură transformă interiorul într‑o suprafață superhidrofobică — puternic respingătoare la apă — astfel încât, atunci când tubul este scufundat, el captează un buzunar stabil de aer și se opune umectării.
Termenul „superhidrofobic” descrie suprafețe care resping apa atât de eficient încât lichidul nu pătrunde în văile și porii micro‑ și nano‑structurați. Natura oferă precedent: păianjenii care își construiesc clopote de aer (diving bell spiders) sau anumite insecte fixează straturi de aer pe corpul lor pentru a rămâne uscate sub apă; laboratorul lui Guo a adaptat același principiu funcțional pe substraturi metalice.
Procesul combină mai multe etape: pregătirea suprafeței, prelucrarea cu laser pentru a crea topografii controlate la scară mică, și tratamente chimice care modifică energia suprafeței pentru a amplifica efectul de respingere a apei. Rezultatul este o structură internă care menține un strat stabil de aer în prezența presiunii hidrodinamice moderate, prevenind intruziunea apei chiar dacă exteriorul metalic este afectat.
În mediul controlat al laboratorului, țeava „insuși‑abilă” din aluminiu, obținută prin atac chimic și tratare cu laser, a flotat în apă distilată demonstrând capacitatea de a păstra aerul intern și a respinge umezeala pentru perioade prelungite.
Design choices that matter for real seas
Demonstrațiile anterioare realizate de grupul condus de Guo foloseau discuri pereche, etanșate, pentru a crea flotația; însă acele configurații s‑au dovedit sensibile la înclinare și putea eșua la unghiuri extreme. Geometria tubulară atenuează această vulnerabilitate. Echipa a adăugat un separator central în fiecare tub astfel încât aerul prins rămâne stabil chiar și atunci când tubul este împins vertical sau răsturnat de valuri. Divider‑ul interior limitează deplasarea liberă a aerului și reduce riscul ca un eșec local să evacueze întregul buzunar de aer.
Testele de laborator au inclus expunere susținută la apă agitată, cicluri repetate de solicitare mecanică și perforare intenționată în mai multe locuri ale tuburilor pentru a simula daune accidentale. Conform declarațiilor lui Guo, țevi tratate au plutit după săptămâni de testare continuă, menținând flotația chiar și după ce au fost perforate în mod extensiv. Aceste rezultate indică nu doar proprietatea inițială de a respinge apa, ci și reziliența la degradare mecanică.
Pentru a evalua comportamentul structural în condiții practice, cercetătorii au conectat mai multe țevi în formațiuni de tip „raft” și au măsurat capacitatea de a prelua sarcă. Țevile cu lungimi diferite — unele aproape de jumătate de metru — au fost demonstrate în laborator, iar echipa susține că metoda este scalabilă către diametre și lungimi mai mari, potrivite pentru balize, platforme plutitoare sau componente ale unui cheson insubmersibil. În plus, substratul metalic oferă avantaje față de spumele polimerice sau compartimentele etanșe: finisajul superhidrofobic păstrează aerul prins pe termen nedefinit, în loc să se bazeze pe sigilii impermeabile care pot ceda în timp.
Aspecte de proiectare esențiale pentru utilizarea în mări reale includ: modul de aplicare a tratamentelor la scară industrială, rezistența la abraziune mecanică și impact, stabilitatea la variații de temperatură și presiune, și compatibilitatea tratamentelor cu cauzele tipice de coroziune marină. Selectarea aliajelor de aluminiu, posibile straturi intermediare anticorozive și scheme de mentenanță preventivă vor fi cruciale pentru tranziția din laborator spre aplicații comerciale.
Mai multe țevi metalice insubmersibile legate între ele într‑o formațiune tip plută ar putea constitui baza navelor, balizelor și platformelor plutitoare ale viitorului. Conectivitatea modulară și redundanța oferită de un ansamblu de tuburi pot asigura că, chiar și în cazul deteriorării locale, sistemul global își păstrează flotabilitatea și integritatea operațională.
Implications for marine systems and renewable energy
O structură plutitoare practică și rezilientă ar putea transforma siguranța maritimă și ingineria offshore. Secțiuni insubmersibile ar putea funcționa ca compartimente de flotație de siguranță pe nave, reducând necesitatea balastului intern greu sau simplificând sistemele de control al daunelor. Avantajele ar putea include o reducere a greutății totale a navei, o îmbunătățire a rezervelor de stabilitate pasivă și timpi de reparație mai mici în situații de avarie.
Dincolo de siguranță, echipa a început explorarea captării energiei valurilor prin cuplarea țevilor la dispozitive de conversie a energiei. O matrice flotantă durabilă, care se opune umectării și uzurii mecanice, ar putea găzdui sisteme oscilante, sisteme de tip point absorber sau harvestere piezoelectrice care transformă mișcarea valurilor în electricitate cu un nivel de întreținere mai redus decât platformele plutitoare actuale. Utilizarea metalului prelucrat pentru a menține camere de aer stabile oferă o fundație solidă pentru angrenaje mecanice sau conexiuni electrice integrate, permițând conversia eficientă a energiei mecanice în energie electrică.
Un câmp modular de țevi superhidrofobice ar putea fi conceput pentru a susține sisteme hibride: module de captare a energiei, balize autonome pentru monitorizare oceanică, stații de încărcare pentru vehicule autonome acvatice sau chiar baze pentru ferme piscicole care necesită flotabilitate stabilă și management redus al daunelor.
Provocările integrate includ evaluarea performanței în apă sărată (corodare accelerată), protecția împotriva depunerilor biologice (biofouling), rezistența la radiație UV și la temperaturi extreme, precum și ciclurile repetate de încărcare și descărcare. Studii complementare privind coroziunea galvanică, compatibilitatea cu vopsele marine și impactul micro‑structurii pe proprietățile mecanice pe termen lung vor informa alegerea materialelor și a proceselor de fabricație.
Expert Insight
«Această lucrare reprezintă o traducere ingenioasă a strategiilor biologice de respingere a umezelii pe o platformă metalică», afirmă dr. Rebecca Nolan, ingineră costieră cu două decenii de experiență offshore. «Dacă tratamentul suprafeței rămâne robust în apă sărată și sub expunere UV, ar putea reduce costurile de întreținere pe termen lung pentru balize și sisteme flotante de energie regenerabilă. Scalabilitatea și alegerea materialelor vor determina dacă aceasta rămâne o curiozitate de laborator sau devine o soluție aplicabilă în teren.»
Comentariile experților indică direcții practice: validări în medii marine reale, testări accelerate de îmbătrânire, evaluări de cicluri de întreținere și integrarea cu reglementările maritime existente. Colaborarea cu industria navală, armatori și producători de echipamente offshore va fi importantă pentru a ajusta designul la cerințele funcționale și la standardele de certificare (clasificare, testare ISO, etc.).
Conclusion
Țevile din aluminiu etch‑ate la University of Rochester reprezintă o rută promițătoare către structuri plutitoare care își păstrează flotația chiar și când sunt deteriorate. Prin proiectarea unor interioare superhidrofobice care captează buzunare de aer, cercetătorii au creat un sistem care menține flotația fără a se baza pe cavități etanșe. Abordarea rezolvă preocupări legate de stabilitate și durabilitate care au limitat proiectele anterioare și sugerează aplicații multiple — de la nave mai sigure și balize rezistente până la platforme noi pentru captarea energiei valurilor.
Următorii pași propuși includ testări la scară largă, expunere pe termen lung în medii marine (inclusiv efectele apei sărate asupra coroziunii și acumularea biologică / biofouling), optimizarea proceselor de fabricație pentru volum și integrarea cu structuri portante ale navelor sau convertoarelor de energie. De asemenea, sunt necesare analize economice și evaluări ale ciclului de viață pentru a compara costurile și beneficiile față de soluțiile convenționale, cum ar fi spumele polimerice, compartimentarea etanșă sau soluțiile hibride.
Pe măsură ce inginerii marine și cercetătorii în energie regenerabilă explorează aceste direcții, țeava metalică superhidrofobică poate deveni un element cheie în proiectarea viitoarelor sisteme plutitoare, oferind un echilibru între performanță, durabilitate și scalabilitate industrială.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu