لوله های آلومینیومی ابرآب گریز؛ گامی به شناورهای غیرقابل غرق

مهندسان دانشگاه راچستر لوله‌های آلومینیومی توسعه داده‌اند که حتی پس از وارد شدن صدمات شدید هم شناور می‌مانند — گامی به‌سوی کشتی‌ها و سکوی‌های شناوری که عملاً غیرقابل‌غرق باشند. رویکرد تیم ترکیبی از پردازش سطحی با لیزر و عملیات شیمیایی است تا هوا را درون ساختار محبوس کند و شناوری را حفظ نماید؛ این موضوع افق‌های جدیدی در مهندسی دریایی، طراحی شناورها و سامانه‌های انرژی تجدیدپذیر دریایی باز می‌کند. در این تحقیق روی جنبه‌های فنی مانند ایجاد بافت‌های میکرو و نانو، پایداری پوسته حباب هوا، و ارزیابی عملکرد در شرایط متغیر دریا تمرکز شده است تا راه‌حل قابل‌اعتمادی برای شناوری پایدار ارائه شود.

«اگر لوله‌ها را به‌قدری آسیب بزنید که تا آنجا که می‌توانید سوراخ ایجاد شود، باز هم شناور می‌مانند،» گوو می‌گوید. این ادعا با مجموعه‌ای از آزمایش‌های مکانیکی، آزمون‌های خستگی و قراردهی طولانی‌مدت در آب تصفیه‌شده و شرایط خشن موجی پشتیبانی شد تا مقاومت در برابر آسیب‌های مکانیکی و نفوذ آب به‌طور واقع‌بینانه‌ای سنجیده شود.

چگونه یک داخل خشک، فلز را شناور نگه می‌دارد

راز کار نه در تو خالی‌تر کردن بیشتر فلز، که در تغییر بافت میکروسکوپی سطح داخلی نهفته است. به سرپرستی چونلئی گوو، استاد اپتیک و فیزیک در دانشگاه راچستر و دانشمند ارشد در آزمایشگاه انرژی‌های لیزری، تیم پژوهشی با حکاکی کنترل‌شده سطح داخلی لوله‌های معمولی آلومینیومی را در مقیاس میکرو و نانو زبر کردند. این بافت سطحی باعث می‌شود داخل لوله ابرآب‌گریز (superhydrophobic) شود — یعنی به‌طور شدید آب‌گریز — به‌طوری که هنگام غوطه‌وری لوله، یک پاکت هوای پایدار به دام افتاده و از خیس شدن جلوگیری می‌کند. حفظ این پاکت هوا در شرایط دینامیک موج و تغییر فشار از نکات کلیدی برای دستیابی به شناوری اطمینان‌بخش است.

اصطلاح «ابرآب‌گریز» یک تعریف فنی برای سطوحی است که آب را آن‌چنان موثر دفع می‌کنند که مایع نمی‌تواند وارد دره‌های سطح شود. طبیعت نمونه‌های موفقی در اختیار ما می‌گذارد: عنکبوت‌های زنگی (diving bell spiders) و برخی حشرات هوای اطراف بدنشان را به دام می‌اندازند تا زیر آب خشک بمانند. لابراتوار گوو همین اصل عملکردی را وام گرفته و آن را روی فلز بازتولید کرده است. اجرای این سازوکار روی آلومینیوم مستلزم درک دقیق تعادل نیروهای موئینگی، زاویه تماس و ساختارهای نانومقیاس است تا وضعیت کَسی-بَکستر (Cassie-Baxter) حفظ شود؛ در این حالت مایع بر روی برجستگی‌ها می‌ایستد و محفظه‌های هوا بین برجستگی‌ها باقی می‌ماند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

موج های غول پیکر دریا: کشف راز رویدادهای نادر دریاهای آزاد با داده های اکوفیسک

موج‌های مخرب و فوق‌العاده بزرگی که گاه بیش از ۲۰ متر (حدود ۶۵ فوت) ارتفاع دارند،...

لوله فلزی «غیرقابل‌غرق» ساخته‌شده از آلومینیوم با حکاکی شیمیایی در آب مقطر در آزمایشگاه استاد دانشگاه راچستر، چونلئی گوو، شناور است. در آزمایش‌ها پارامترهایی مانند زاویه تماس سطح (contact angle)، پایداری حباب‌های هوا تحت فشار هیدرواستاتیک، و مقاومت در برابر نفوذ آب اندازه‌گیری شدند تا معیارهای عملکردی برای کاربردهای دریایی تعیین شود.

انتخاب‌های طراحی که برای دریاهای واقعی اهمیت دارند

نمایش‌های اولیه از گروه گوو از دیسک‌های جفت‌ شده و مهروموم‌شده برای ایجاد شناوری استفاده می‌کردند، اما آن طراحی‌ها به مایل شدن حساس بودند و در زوایای شدید احتمال شکست داشتند. هندسه لوله‌ای این آسیب‌پذیری را برطرف می‌کند: تیم یک جداکننده مرکزی داخل هر لوله اضافه کرده‌اند تا هوای محبوس پایدار بماند حتی وقتی لوله به‌صورت عمودی فشرده شود یا توسط امواج غلتانده شود. این تقسیم داخلی کمک می‌کند که توازن فشار میان بخش‌های مختلف لوله حفظ شود و خطر جابه‌جایی یا خروج ناگهانی هوا کاهش یابد. آزمایش‌های آزمایشگاهی شامل قراردهی مداوم در آب خشن، تکرار آسیب‌های مکانیکی مانند سوراخ‌کاری و ضربه، و پایش طولانی‌مدت برای خزش یا نشت هوا بود.

به گفته گوو، لوله‌ها پس از هفته‌ها آزمایش و پس از آن‌که پژوهشگران عمداً آن‌ها را در نقاط متعدد سوراخ کردند، همچنان شناور مانده‌اند. داده‌های آزمایشی نشان داد که حتی با نرخ نفوذی قابل‌توجه، اگر ساختار سطح داخلی و شرایط هندسی حفظ شوند، پاکت‌های هوا می‌توانند برای دوره‌های طولانی پایدار بمانند — موضوعی که تفاوت اصلی این رویکرد با مخازن مهروموم‌شده متداول یا فوم‌های پلیمری را شکل می‌دهد.

فراتر از آزمایش‌های ساده شناوری، پژوهشگران چندین لوله را به یکدیگر متصل کردند تا به‌صورت سکوهای جداشده یا قایقچه‌هایی (raft) رفتار باربری را ارزیابی کنند. لوله‌هایی با طول‌های مختلف — بعضی نزدیک به نیم متر — در آزمایشگاه نشان داده شدند و تیم استدلال می‌کند این روش می‌تواند به قطرها و طول‌های بزرگ‌تر مورد نیاز برای بویه‌ها، سکوهای شناور یا اجزای بدنه‌های غیرقابل‌غرق گسترش یابد. زیرلایه فلزی در مقایسه با فوم‌های پلیمری یا محفظه‌های مهروموم‌شده مزیت‌هایی دارد؛ چرا که تکمیل ابرآب‌گریزی باعث حفظ هوا برای مدت نامحدود (تا زمانی که ساختار سطح حفظ شود) می‌شود و نیاز به مهروموم‌های غیرقابل‌نفوذ که ممکن است با گذشت زمان شکست بخورند را از بین می‌برد.

لوله‌های فلزی غیرقابل‌غرق متعدد که به‌صورت یک سکوی مشبک به هم متصل شده‌اند می‌توانند مبنایی برای کشتی‌ها، بویه‌ها و سکوی‌های شناور آینده باشند. طراحی مدولار اجازه می‌دهد که سازه‌ها متناسب با نیاز باربری و شرایط موج تنظیم شوند؛ همچنین نگهداری و جایگزینی ماژول‌ها نسبتاً ساده‌تر خواهد بود که هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تغییرات عمده در مشوق های فدرال انرژی پاک در آمریکا

در یک اقدام مهم، قانون‌گذاران جمهوری‌خواه با تصویب یک لایحه آشتی چرخه‌ای، بسیاری از بخش‌های قانون...

پیامدها برای سامانه‌های دریایی و انرژی تجدیدپذیر

یک سازه شناور عملی و مقاوم می‌تواند ایمنی دریانوردی و مهندسی فراساحل را دگرگون کند. بخش‌های غیرقابل‌غرق می‌توانند به‌عنوان محفظه‌های شناوری ایمنی (fail-safe buoyancy compartments) در بدنه کشتی‌ها عمل کنند، نیاز به بالاست داخلی سنگین را کاهش دهند، یا سیستم‌های کنترل خسارت را ساده‌تر سازند. در کاربردهای فراساحل، کاهش وزن و افزایش اطمینان شناوری می‌تواند هزینه‌های نصب و بهره‌برداری سکوهای شناور را کاهش دهد و انعطاف‌پذیری طراحی را افزایش دهد.

فراتر از ایمنی، تیم پژوهشی کار روی جذب انرژی امواج را با اتصال لوله‌ها به دستگاه‌های تبدیل انرژی آغاز کرده است. یک آرایه شناور با دوام که در برابر تر شدن سطحی و فرسایش مکانیکی مقاوم باشد می‌تواند میزبان سیستم‌های نوسانی، ژنراتورهای پیروالکتریک (piezoelectric) یا مکانیزم‌های تبدیل مکانیکی-به-الکتریکی دیگر باشد تا حرکت موج را به برق تبدیل کند با نگهداری و تعمیرات کمتری نسبت به پلتفرم‌های شناور مرسوم نیاز دارد. در طراحی این سامانه‌ها، اتصال مکانیکی پایدار میان ماژول‌های لوله‌ای و تثبیت‌کننده‌های انرژی، مدیریت ارتعاش و هم‌پوشانی فرکانس‌های طبیعی با قوانین موج محلی از چالش‌های کلیدی هستند.

Expert Insight

«این کار ترجمه‌ای هوشمندانه از استراتژی‌های بیولوژیکی دفع مایعات به یک بستر فلزی است،» دکتر ربکا نولان، مهندس ساحلی با بیش از دو دهه تجربه فراساحل، می‌گوید. «اگر پردازش سطحی در آب شور و تحت تابش اشعه فرابنفش پایدار بماند، می‌تواند هزینه‌های نگهداری بلندمدت بویه‌ها و سامانه‌های تجدیدپذیر شناور را کاهش دهد. مقیاس‌پذیری و انتخاب مواد تعیین خواهند کرد که آیا این فناوری در حد یک کنجکاوی آزمایشگاهی باقی می‌ماند یا تبدیل به راه‌حلی قابل‌استقرار در میدان می‌شود.» نولان به مسائل مهمی مانند مقاومت در برابر خوردگی الکترروشیمیایی، رشد زیستی (biofouling)، و دوام پوشش اشاره می‌کند که برای تبدیل این فناوری به محصول تجاری باید به‌دقت بررسی شوند.

Conclusion

لوله‌های آلومینیومی حکاکی‌شده دانشگاه راچستر مسیر امیدوارکننده‌ای به‌سوی سازه‌های شناور ارائه می‌دهند که حتی در هنگام آسیب دیدن شناوری خود را حفظ می‌کنند. با مهندسی داخل‌های ابرآب‌گریز که پاکت‌های هوا را به‌دام می‌اندازند، پژوهشگران سامانه‌ای ایجاد کرده‌اند که حفظ شناوری را بدون اتکا به حفره‌های مهروموم‌شده ممکن می‌سازد. این رویکرد نگرانی‌های پایداری و ثبات را که طراحی‌های پیشین را محدود می‌کرد، پاسخ می‌دهد و کاربردهای متعددی را نشان می‌دهد — از کشتی‌های ایمن‌تر و بویه‌های مقاوم تا پلتفرم‌های نوآورانه برای برداشت انرژی موج.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تنوع بخشی متا به منابع انرژی برای پاسخگویی به نیاز روزافزون مراکز داده

تنوع منابع انرژی متا برای تأمین نیازهای رو به رشد مراکز داده با شتاب گرفتن انقلاب...

گام‌های بعدی شامل آزمون در مقیاس بزرگ‌تر، قراردهی طولانی‌مدت در محیط‌های دریایی واقعی (از جمله خوردگی ناشی از آب شور و چالش‌های زیست‌رسوب)، و ادغام با سازه‌های باربر کشتی یا مبدل‌های انرژی است. علاوه بر این، مطالعات اقتصادی چرخه عمر (LCA)، سازوکارهای تولید انبوه برای حکاکی لیزری و عملیات شیمیایی، و راهبردهای پوشش‌دهی ثانویه برای محافظت در برابر فرسایش مکانیکی و تابش UV باید زمینه‌ساز ورود این فناوری به بازار شود. در نهایت، توانایی تبدیل این مفهوم به یک راه‌حل تجاری مستلزم پیوستگی میان مهندسی مواد، طراحی سازه‌ای، ارزیابی محیطی و اقتصاد مهندسی است تا اطمینان حاصل شود که لوله‌های آلومینیومی ابرآب‌گریز می‌توانند در شرایط واقعی دریا عملکرد قابل اتکایی ارائه دهند.