The Impact of Climate Change on the Design requirements for Future Marine Thrusters

إن تغير المناخ يغيّر المحيطات في العالم تغييرا عميقا، ويخلق تحديات غير مسبوقة للهندسة البحرية، ومن بين أكثر العناصر تضررا، المدافع البحرية، التي توفر القدرة على الدفع والمناورات للسفن، والمنابر البحرية، والمركبات تحت سطح الماء، وحيث أن ظروف المحيطات تصبح أكثر تطرفا ولا يمكن التنبؤ بها، فإن تصميمات الدافع يجب أن تتطور للحفاظ على الكفاءة والموثوقية والامتثال البيئي، وتدرس هذه المادة التغيرات الرئيسية التي تنجم عن المناخ لظر النظم في ظروف المحيطات، وفي أطر التصميم التنظيمية، وفي التكييف،

Climate-Driven Changes to Ocean Conditions

ويعمل المدافع البحرية في بيئة دينامية تتحول بسرعة بسبب تغير المناخ، ويجب على المهندسين أن يفهموا هذه التغييرات لتطوير محركات يمكن أن تتحمل ضغوطا جديدة مع التقليل إلى أدنى حد من آثارها البيئية.

درجات الحرارة البحرية

وقد زادت درجات الحرارة السطحية العالمية للمحيطات بنحو 0.13 درجة مئوية في العقد على مدى السنوات الـ 100 الماضية، مع تسارع الاحترار في العقود الأخيرة، كما أن المياه الوارثة تؤثر تأثيرا مباشرا على أداء المحركات من خلال انخفاض كثافة المياه، مما يمكن أن يغير من ناتج القوة المحركة وكفاءتها، ويزيد درجة الحرارة المرتفعة من معدلات التآكل على مكونات المعادن ويخلق ظروفاً أفضل للتراكم الأحيائي للتكدسات المجهرية، والأغمى، ويحولات الدقيقة.

زيادة كثافة العاصفة والتواتر

وتزيد نماذج المناخ من كثافة وتواتر الأعاصير المدارية والعواصف الخارجة عن المدارات، وتواجه السفن والهياكل البحرية الآن كميات أكبر من الأمواج، وأعلى من القوى الريحية، والتغيرات السريعة في حالة البحر، ويجب تعزيز المضاربات التي تُستخدم في السفن التي تعمل في المناطق المعرضة للعواصف تعزيزا هيكليا لمواجهة المطالب الشديدة للتوجهات وعبء الصدمة، ويشمل ذلك مواد ذات هطول سميك، وعمليات معززة لأماكن محطات التحكم في حركة المركبات، وترتيبات أقوى.

تغير تيار المحيطات وارتفاع منسوب البحر

فالتعديلات التي تُجرى على الأنماط الحالية العالمية - مثل تباطؤ حركة المرور العابر في المحيط الأطلسي والتحولات الإقليمية في منطقة الخليج - تعيد تهيئة البيئة المائية للسفن، وتشتمل على محركات السفن العاملة في المناطق التي يتعزز فيها التيار على قدرة على تحقيق مزيد من الزخم الأفقي للحفاظ على المسار، وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع مستوى سطح البحر يغير من عمق الموانئ والماء، مما يؤدي إلى زيادة في مستويات التدفقات.

التصحيح المحيطي

كما أن زيادة استيعاب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تجعل المحيطات أكثر حموضة، حيث ترتفع حمضها بنسبة 30 في المائة منذ الثورة الصناعية، وتعجل المياه التراكمية بتلاوة بعض الفلزات، ولا سيما الفولاذ غير المحوَّل وبعض البنزات، ويقود هذا التحدي إلى اعتماد سبائك فولاذية خارقة لا تقاوم للصدأ، وتطويع برونام النيكل المُعدَّف.

تصميم عمليات تكييف للرواسب البحرية في المستقبل

وتتطلب الاستجابة لهذه التحولات البيئية نهجا متعدد الجوانب يولد المواد، والهيدردينامية، ونظم التحكم، وهيكل الدفع.

المواد والتدوينات المتقدمة

وقد أدى الضغط على عناصر الدفع الأطول - المتوسط إلى تسارع البحوث في مجال المواد المقاومة للتآكل والثديية الحيوية، بينما تستمر مقاومات النيكلولينوم في الحد من المواد الكيميائية المقاومه للغاز، وتستمر هذه المواد في إحداث مقاومة شديدة للتضخم في المياه البوليفورية، وتزيد من مقاومة البوليسترينات المضغوطة للغاز، كما أن المواد الجديدة التي لا تستهلك كميات كبيرة من الصلب غير الملموسوم مثل S32750.

تحسين الكفاءة المائية

إن الشكل الأمثل للقوى المحركة هو أحد أكثر الطرق فعالية لتعويض الخسائر في الكفاءة الناجمة عن الدفء، والماء الأقل كثافة، وزيادة الاضطرابات، ويستخدم المصممون الآن بشكل روتيني ديناميات السوائل المحوسبة، إلى جانب خوارزميات متعددة الوجهات، لاستكشاف آلاف من المتغيرات في التصفيات، وموجزات القنوات، وتوزيعات الملاعب.

نظم مراقبة الذكاء والاستشعار المتكامل

إن عدم القدرة على التنبؤ بالمحيطات التي تُعدّل المناخ يتطلب عوامل الدفع التي يمكن أن تتكيف في الوقت الحقيقي، إذ أن أجهزة الدفع الحديثة للزدحام تجهز بصورة متزايدة بمستشعرات متكاملة للضغط والضغط والهتز ودرجة الحرارة والحمل الصحي، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تغذي البيانات المتعلقة بالتحكم التكييفي في الجداول الزمنية التي تضبط الرزمة والارتفاع وزيومثبات للحفاظ على الأداء الأمثل مع تجنب التنبؤات.

الهندسة المهجنة والكهربائية

كما أن أنظمة التخفيف من آثار تغير المناخ تؤدي إلى اعتماد نظم الدفع الهجينة والكهربائية الكاملة، ويجب أن تكون أجهزة الدفع في هذه النظم متوافقة مع محركات كهربائية متغيرة السرعة، تتيح مراقبة دقيقة للصناديق الميكانيكية وتقضي على خسائرها في الكفاءة، كما أن محركات المغناطيس الدائمة تصبح الناقل الرئيسي المفضل للأجهزة الدفعية لأنها توفر كثافة عالية من التردد وكفاءة في نطاق سريع واسع.

تصميمات موحدة وإصلاحية وصديقة

ومع أن السفن تعمل في ظروف أكثر نقاء وقاسية، فإن القدرة على إصلاح أو استبدال عناصر الدفع المتضرر تصبح حاسمة، وتتجه تصميمات الدفع في المستقبل نحو نظام الوحدات: فالجمعيات الفرعية الرئيسية مثل صندوق التروس، وحمل خراطيش، وحزمة الختم يمكن أن تُعاد صياغتها دون أن تُجففف السفينة، وهذا النهج مهم بصفة خاصة في المناطق التي تكون فيها مرافق التنظيف الجاف غير قادرة على مقاومة الوصلات السريعة.

الضغوط التنظيمية والامتثال البيئي

وقد وضعت المنظمة البحرية الدولية أهدافا طموحة لتخفيض غازات الدفيئة، مما يتطلب تخفيضا بنسبة 50 في المائة في مجموع الانبعاثات بحلول عام 2050 مقارنة بعام 2008، وتسهم الرعاة الذين يعملون بكفاءة أعلى إسهاما مباشرا في تحقيق هذه الأهداف، وكثيرا ما يؤدي مؤشر كفاءة الطاقة الذي وضعته المنظمة البحرية الدولية إلى الحد من الخسائر في تصميم السفن الجديدة وفي مؤشرات القدرة على تحمل انبعاثات الكربون التي تنجم عن ارتفاع في مستوياتها.

وفيما عدا غازات الدفيئة، فإن اللوائح المتعلقة بالضوضاء تحت الماء من الشحن تشديد لحماية الحياة البحرية، فالصيادين مصدر رئيسي لضوضاء الدفن، التي يمكن أن تُثري الحيتان والحيوانات الأخرى، وتُلزم تكييفات تصميمها مثل الشفرة الشديدة الارتداد، ونسب البولي - المنطقة، والتوزيع الأمثل للطاخ، كما أن بعض السفن تختبر ضوضاء متحركة على نحو محفزات الامتثال في المستقبل، والتي تلغيها.

كما أن أنظمة التعبئة الحيوية تتقدم، فالاتفاقية الدولية لمكافحة النظم الضارة لمكافحة القاذورات تحظر بالفعل مركبات العضوية السامة، وتشترط بعض السلطات الإقليمية (مثل كاليفورنيا) على السفن أن تكون لديها خطة لإدارة الحفائق الأحيائية، ويجب على مصممي الثور أن يكفلوا أن تكون أي معاطف ميكانيكية مضادة للقاذورات أو معالجة سطحية تستخدم على مكونات المدافع متوافقة مع هذه المعايير المتطورة، مما يؤدي إلى مزيد من الابتكار في نظم غير السمية.

دراسات حالة في مجال التكيف

تنمية ثرستر القطبي الشمالي لظروف الجليد المملة

ويفتح ثلج البحر المخفض في المنطقة القطبية الشمالية طرقا جديدة للشحن، ولكنه يستحدث أيضا مخاطر تشغيلية، مثل جبال الجليد العائمة والمزارعين، ويجب أن تعمل سفن الترسبات المصممة لخدمة القطب الشمالي في كل من المياه المفتوحة والثلج المقوى، كما أن المثبط الجليدي الفنلندي Polaris، الذي صدر في عام 2016، يُعدّل فيها حديد بدرجة عالية من عوامل التركيز.

موقع الديناميكية في صناعة الرياح البحرية

إن توسيع مزارع الرياح البحرية إلى مياه أعمق وأعمق (مثل بحر الشمال والمحيط الأطلسي) قد دفع الطلب على المحركات التي يمكن أن تكون في محطة دقيقة تحت حمولة الرياح القصوى والموجات، وتحتاج سفن التعبئة مثل فولتير إلى استخدام أجهزة الدفع القابلة للانتعاش مقترنة بنظم تصميم دينامية للتحكم في الدفعات، ويجب أن تكون قادرة على الاستجابة في غضون ثوان للحفاظ على الوضع.

التوقعات المستقبلية

وفي المستقبل، يتعين على صناعة الدافع البحري أن تواصل الابتكار مع سرعة تغير المناخ، ومن المجالات الواعدة استخدام التوائم الرقمية - المقاييس البيطرية لنظم الدفع التي تحاكي الأداء في ظل ظروف الطقس والمحيطات المتوقعة، حيث يمكن للمشغلين اختبار استراتيجيات التحكم المختلفة أو جداول الصيانة قبل الوقت، مع الحد من المخاطر والتكاليف، وثمة حدود أخرى هي تطوير محركات محفزة حيوية كاملة، مثل تصميمات التنظيف.

وعلاوة على ذلك، فإن إدماج المدافع في نظم إدارة الطاقة في السفن سيزداد تطوراً، إذ يمكن أن يحقق دمج جميع سلاسل الدفع من محرك إلى مصممي الدفع أفضل قدر ممكن من الكفاءة في ظل أي ظروف، ويشمل ذلك تنسيق المحركات المتعددة )التنفس والنفق والأعاصير( لتجنب التدخل وإلغاء آثار الايقاظ، وبما أن شبكة السفن الكهربائية تصبح أكثر تعقيداً، فإن المحركات ستؤدي إلى تشغيلها كجزء من شبكة توزيع الطاقة الذكية.

وأخيرا، فإن الدفع نحو سفن الإطلاق (التي تستخدم الهيدروجين أو الأمونيا أو طاقة البطارية) سيتطلب دفعات تتفق مع هذه الوقود ونظم تخزين الطاقة المرتبطة بها، وهذا قد يعني أيضا معايير جديدة للتبريد (بعض الوقود المبني على الأمونيا له خصائص مختلفة للتزليق)، واحتياجات مختلفة من التبريد، ومواد جديدة للأختام والغاز التي تقاوم الهجوم الكيميائي، كما أن تصميمات المحركات لا تفي بالخصوم البيئية المتغيرة.

خاتمة

إن تغير المناخ يعيد تشكيل بيئة المحيطات بطرق تحد مباشرة من أداء ومدة المحركات البحرية، وتتسارع درجات الحرارة في التضخيم والتآكل؛ وتحتاج العواصف الأكثر كثافة إلى هياكل قوية وضوابط استباقية؛ وتتسبب التحولات في التيارات ومستويات البحر في مصاعب جديدة في مجال الطاقة الكهرمائية؛ وتستلزم أنظمة أشد صرامة كفاءة متزايدة باستمرار وتخفض الأثر البيئي، وتستجيب الصناعة لمجموعة شاملة من التكييفات:

External References]