För framtidens frakt- och kryssningsfartyg kan en skrovlig skrovyta under vattenlinjen vara en fördel.
En superslät yta garanterar inte automatiskt supersnabbhet och energieffektivitet. Det har forskare vid UCLA kommit till via matematiska modeller, numeriska simuleringar och experiment med ett vid universitetet utvecklat superhydrofobt (supervattenavstötande) material. Rapporten har publicerats i journalen Physics of Fluids.
Teamet, som leds av professor John Kim, har utfört försök med olika ytstrukturer med det superhydrofoba materialet, för att se hur de påverkar friktion/vattenmotstånd vid laminärt (linjärt) och turbulent flöde.
Experimenten visar att ett mönster på skrovets ytmaterial av pyttesmå ’åsar’, längsgående upphöjningar i strömningsriktningen, styr vattenflödet längs skrovet under framdrivning, och medger högre hastighet genom att minska friktionen mellan skrovytan och vattnet.
Luftbubblor blir luftkuddar. En beläggning av det nya superhydrofoba materialet med ytmönster med åsliknande upphöjningar gör att små luftfickor samlas mellan skrovet och vattnet, och de pyttesmå luftbubblorna bildar ett slags luftkuddar som minskar friktion.
Vid laminär strömning är en skrovlig ytas friktionsminskningseffekt observerbar, men inte betydande. Vid turbulent strömning – som i naturen är oftare förekommande än laminär – är friktionsminskningen emellertid större, vilket har överraskat forskarna.
Luftkuddarna som bildas mellan skrovet och vattnet förändrar de turbulenta flödesmönstren och dämpar bromseffekten.
Kim påpekar att turbulenta flöden – vattenvirvlar – längs släta skrovytor orsakar större friktion än laminära flöden. Därför är de en större utmaning för fartygsinnovatörer.
Mycket att vinna. Minskad friktion ger fördelar: högre hastighet, kortare färdtider, lägre bränsleförbrukning – extra viktigt för gigantiska fraktfartyg – och mindre utsläpp.
Dessutom väntas superhydrofoba ytmaterial förebygga eller minska ’biofouling’: organismer som fäster på skrovytan under vattenlinjen. Dessa ’fripassagerare’ växer per halvår runt 150 kilogram per kvadratmeter, en extravikt som kostar tiotusentals euro per fartyg att avlägsna. Amerikanska flottan har räknat ut att ’biofouling’ kan öka bränslekostnaderna med 40 procent.
Realvärlden nästa. John Kim understryker att skrovkonceptet med ytmönstrad superhydrofob beläggning tills vidare baserar sig på utförda numeriska simuleringar. Följande steg är att vidareutveckla innovationen och inleda modellprov för att få fram den optimala strukturen.
Han ser i förlängningen intressanta tillämpningsmöjligheter. En skrovyta som ger lägre friktion och ställer i sikte högre hastighet, innebär i sin tur en utmaning för fartygskonstruktörer, en växelverkan som genomgripande kan förändra sjöfartens villkor och samtidigt svara på miljöutmaningen.
Mikko Niini, vd för Aker Arctic (tidigare Wärtsilä Arctic Research Center), säger att konceptet är intressant, om än oprövat.
Teamet kan nog vara på rätt spår. Men spontant tycker man att idén borde studeras ur flera vinklar. Avgörande är naturligtvis modellprov som grund för att evaluera konceptets möjligheter.”
Niini har sysslat med luftbubblor i större kaliber: WARC utvecklade på 1970-talet WABS, Wärtsiläs luftbubblingssystem, som med luftutblåsning i vattenlinjen underlättade isgång och minskade friktionen mellan fartygsbog och istäcke. Systemet används i dag på många av världens isbrytare. I Japan används redan rutinmässigt ’småbubbliga’ luftutblåsningssystem på olika fartygstyper för att reducera vattenmotståndet.
Ragnhild Artimo text
