La battaglia crescente contro la biofouling

Fintanto che gli esseri umani hanno navigato negli oceani, la crescita marina sugli scafi è stata un avversario testardo. Questo accumulo di barnacoli, alghe, slime e altri organismi, collettivamente noto come biofouling, crea una grande resistenza, riducendo la velocità di un peschereccio fino al 10% e aumentando il consumo di carburante fino al 40% se lasciato incontrollato.

I rivestimenti anti-fouling sono la linea primaria di difesa, progettata per impedire agli organismi di attaccarsi alle superfici sommerse. Per decenni, l’industria si è basata su potenti vernici biocidali che lentamente hanno levato le tossine come Tributyltin (TBT), rame e altri metalli pesanti.

Punti di dolore attuali nella tecnologia di rivestimento marino

Per apprezzare dove sta andando l’industria, aiuta a comprendere i limiti delle offerte di oggi. Nonostante i progressi significativi, nessuna soluzione di rivestimento ha ancora dimostrato un’efficacia universale in tutti i tipi di navi, condizioni operative e ambienti normativi.

Ritiro ambientale da rivestimenti biocidali

I rivestimenti anti-fouling più efficaci sono stati storicamente i più tossici. Tributyltin, una volta che lo standard d’oro, è stato bandito a livello globale dall’Organizzazione marittima internazionale (IMO) nel 2008 a causa della sua persistenza nell’ambiente e dei suoi effetti devastanti sulle popolazioni molluschi e altre specie non target.

Vita di servizio breve e cicli di applicazione costosi

I rivestimenti autolucidi (SPC) possono durare fino a cinque anni su un peschereccio di mare profondo, ma navi di sostegno offshore, rimorchi e traghetti che operano in acque basse o calde spesso hanno bisogno di più frequenti ricotture. Il processo di ingegneria a secco che fa pagare una grande nave non solo costi diretti per il rivestimento stesso, ma anche costi opportunità di banchinaggio persi giorni di funzionamento.

Variabilità delle prestazioni di navi

Un rivestimento che funziona perfettamente per un vettore di massa lento può fallire su una barca di pattuglia veloce. Il materiale di scafo (acciaio, alluminio, vetroresina), la temperatura di esercizio, la salinità e l'esposizione UV influenzano tutte le prestazioni. Inoltre, i periodi statici (una nave all'ancora) permettono di ottenere un foothold che può essere difficile da dislocare anche quando la nave riprende la vela.

Innovazione rivoluzionaria Ridefinizione della Chimica Anti-Fouling

I laboratori di ricerca in tutto il mondo stanno ora testando approcci che vanno oltre il paradigma della “poison the organ”: l’obiettivo è quello di creare superfici intrinsecamente poco attraenti alla vita marina, o che rilasciano agenti attivi solo in risposta a specifici trigger biologici.

Topografie biomimetiche: L'effetto della pelle dello squalo

Una delle vie più promettenti è la progettazione di texture superficiali che scoraggiano fisicamente l'insediamento. La pelle di squali e altri pesci veloci-swimming dispone di una microstruttura di diamanti-patterned di costolette e scale che rende difficile per gli organismi di allegare. Gli ingegneri hanno replicato questi modelli utilizzando stampi di precisione e taglio laser, creando rivestimenti di volul-release che si affidano solo alla topografia piuttosto che alla chimica.

Il lavoro recente presso università come l’Università della Florida ha dimostrato che queste superfici possono ridurre la resistenza all’adesione del barnacolo dell’80% o più rispetto alle superfici lisce. A differenza dei tradizionali rivestimenti foul-release che utilizzano elastomeri in silicone (che possono essere facilmente danneggiati), i rivestimenti con texture a bio-ispirazione possono essere progettati su substrati più dure e più durevoli.

Superficie Nanotecnologia-Enhanced

I nanomateriali offrono un controllo senza precedenti sulla chimica e sulla struttura della superficie. I produttori possono creare superfici estremamente lisce, dure e chimicamente inerte. Il Grafene, in particolare, ha attirato l'attenzione sulla sua eccezionale resistenza meccanica e impermeabilità. Un rivestimento a base di grafine può creare una barriera che blocca fisicamente l'adesione microbica e l'abrasione.

I ricercatori dell'Università di Manchester hanno dimostrato che i rivestimenti di ossido di grafine possono ridurre l'assorbimento delle proteine (il primo passo nella formazione di biofilm) di oltre il 90%. La sfida rimane la produzione di scaling di grafine di alta qualità ad un costo che è competitivo con i pigmenti convenzionali, ma le prove su scala pilota sono già in corso con i principali produttori di vernice. Inoltre, nanoparticelle fotocatalitiche (come il diossido di titanio) possono, quando attivato dalla luce del contatto, generare specie di ossigeno reattivo.

Smart Coatings con meccanismo di rilascio controllato

Forse il concetto più futuristico è il rivestimento “smart” che rilascia biocide solo quando si rileva una pressione infuocata. Questi rivestimenti in genere incorporano microcapsul o idrogeli che rispondono a segnali ambientali come cambiamenti di pH (causati dall’attività metabolica degli organismi insettori), cambiamenti di temperatura, o addirittura segnali enzimatici.

Questo approccio riduce notevolmente il carico totale di biocidi rispetto ai rivestimenti convenzionali, che devono fornire una concentrazione costante sulla superficie. Uno studio pubblicato nel Marine Technology Society Journal[] ha stimato che i sistemi di rilascio intelligente potrebbero tagliare le emissioni di rame dai rivestimenti di scafo dell'80-95%.

Bio-Adesione e Rivestimenti enzimatici

Un'altra strategia elegante prevede embrioni che abbatteno le colle naturali prodotte da organismi fouling. I barnacoli e le cozze secernono gli adesivi proteici che curano rapidamente sott'acqua. Se un rivestimento può degradare continuamente questi adesivi come si formano, l'organismo non può mantenere una tenuta sicura e viene facilmente lavata via.

Vantaggi tangibili per l'industria marittima

Andare oltre i biocidi e verso queste tecnologie avanzate non è solo un imperativo ambientale; migliora direttamente la linea di fondo per gli operatori della flotta.

Ritaglio profondo del consumo di carburante e emissioni di CO2

L’Organizzazione marittima internazionale ha fissato obiettivi di decarbonizzazione ambiziosi, mirando a ridurre le emissioni di gas serra del 50% entro il 2050 rispetto ai livelli del 2008. I rivestimenti anti-fouling sono uno degli strumenti più convenienti per raggiungere questi obiettivi.

Cicli di asciutto prolungati e costi del ciclo di vita inferiori

I rivestimenti tradizionali richiedono solitamente un pieno colpo e un rivestimento di nuova generazione, in particolare quelli che combinano proprietà di rilascio di puleggia con resistenza all'abrasione, stanno mirando a intervalli di dieci anni. Per una nave contenitore di medie dimensioni, eliminando un ciclo di dosaggio a secco può risparmiare $1-2 milioni di costi diretti, più altri $500.000 in entrate perse dai giorni extra in mare.

Rischio ridotto di trasferimento di specie invasive

Biofouling sugli scafi delle navi è uno dei percorsi principali per il trasporto di specie marine non individuali attraverso gli oceani. Quando una nave arriva a un porto straniero, gli organismi attaccati al suo scafo possono essere rilasciati in un nuovo ecosistema, spesso con devastanti conseguenze ecologiche ed economiche.

Miglioramento della maneggevolezza e della sicurezza

La formazione continua non è solo un problema di efficienza; influisce sulla movimentazione delle navi. La crescita pesante sul timone e sull’elica riduce drasticamente la spinta e la manovrabilità. Nei porti stretti o durante le manovre di emergenza, uno scafo fallito può compromettere la sicurezza. I nuovi rivestimenti ad ultra-bassa frizione estendono i benefici oltre l’economia del combustibile alla busta di manovra del peschereccio, migliorando la sicurezza operativa e riducendo i ritardi di marcia.

Le falde sul sentiero per l'adozione di Widespread

Nonostante la promessa, questi rivestimenti di nuova generazione non hanno ancora raggiunto l'accettazione universale nella flotta mercantile, il divario tra la dimostrazione di laboratorio e l'implementazione su larga scala è ampio e devono essere superate diverse barriere chiave.

Validazione e durata

I proprietari di navi sono intrinsecamente conservatori quando si tratta di rivestimenti. Il costo di un guasto di rivestimento in servizio può essere enorme, non solo la riparazione immediata, ma le entrate perse, la disgregazione di programma e potenziali sanzioni contrattuali. Nuovi rivestimenti devono dimostrare un record di prestazioni nel corso di più anni in diverse condizioni operative.

Costi di scala e produzione

I nanomateriali e i polimeri reattivi specializzati sono costosi da produrre su scala. Il Graphene, ad esempio, può costare centinaia di dollari per grammo per materiali di alta qualità. Mentre i costi stanno diminuendo, incorporando tali materiali in un rivestimento che deve essere conveniente per un supertanker di 400 metri è impegnativo. Il rivestimento stesso è una frazione del costo totale di asciugatura, ma i materiali ancora non possono superare una soglia di circa $ 20–$40 per litro efficiente costi di produzione nel mercato di rinfuse.

Regolazione e certificazione

Qualsiasi nuovo additivo chimico, anche se è un enzima o un polimero non tossico, deve essere registrato sotto il regolamento dei prodotti biocidali (Europa), la FIFRA dell’Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti (se fa un reclamo pesticida), o regimi equivalenti a livello globale. Il costo di generare i dati ecotossici e ambientali del destino per un unico nuovo principio attivo può superare $10 milioni, con una linea temporale di cinque a sette anni.

Formazione e coerenza delle applicazioni

I rivestimenti avanzati richiedono spesso condizioni di preparazione e applicazione più precise rispetto alle vernici convenzionali. La temperatura, l'umidità e la pulizia substrata devono essere strettamente controllate. La rete globale di gruppi di manutenzione a secco e in acqua deve essere addestrata per applicare correttamente questi nuovi materiali. Un rivestimento che è mal applicato, troppo sottile, o con tempi di cura impropri, non mancherà indipendentemente dalla sua qualità intrinseca.

Tendenze modellare il prossimo decennio

In attesa di un futuro, diversi macro-trends accelereranno l'adozione di rivestimenti anti-fouling avanzati.

Gestione e monitoraggio delle condizioni digitali

I sensori, i droni e i veicoli subacquei che permettono di monitorare lo stato dello scafo in tempo reale. Gli spessori ultrasonici e i crawler robotici possono ora ispezionare i rivestimenti mentre il vascello è in mare, le aree di deterioramento precoce prima che inizino i gravi fouling. Questi dati si alimentano in modelli di manutenzione predittiva che aiutano gli operatori della flotta a ottimizzare i programmi di pulizia e la selezione del rivestimento.

Vescoli autonome e a basso consumo

Con un minor numero di equipaggiamenti a bordo per individuare o eseguire la pulizia, il rivestimento deve eseguire senza interventi per lunghi periodi. Le superfici avanzate di rilascio di rifiuti che richiedono una manutenzione zero tra i dockings sono particolarmente attraenti per i progetti di nave autonomi.

Materiali bio-basati e riciclabili

Vi è un crescente interesse per i rivestimenti derivati da risorse rinnovabili, come i nanocristalli di cellulosa, il chitosano (dai gusci di gamberetti), o le cere derivate dalla pianta. Mentre questi materiali non possono corrispondere alla durata dei polimeri sintetici nel breve termine, offrono un percorso per i rivestimenti che sono completamente biodegradabili alla fine della vita.

Insediare un corso sostenibile

Il futuro dei rivestimenti anti-fouling non è un'unica svolta ma una convergenza di molteplici discipline: scienza dei materiali, ingegneria delle superfici, biotecnologie e monitoraggio digitale. Il passaggio da biocidi di ampio spettro verso la precisione, soluzioni ecologiche bengne è già in corso. Per gli operatori della flotta, il messaggio è chiaro: investire in rivestimenti di nuova generazione oggi produrrà dividendi in fatture di carburante ridotte, costi di manutenzione inferiori e una minore impronta ambientale.

I progetti EU Horizon 2020, come ad esempio ]Foul-X-Spray[], stanno sviluppando trattamenti superficiali avanzati che potrebbero essere applicati ai vasi esistenti come topcoat, evitando la necessità di un completo abbattimento a secco.