Deniz Ortamlarına Biyomimik Prensipleri

Dünyanın okyanusları, minimum enerji ile donatmak için kabarıklar kullanan metalleri içeriyor.Taç deniz hayvanları, yüksek çözünürlükte manevra ve gecikme tezgahlarını artırmak için en iyi yüzeyleri kullanarak karmaşık bir mikroyapıya sahip.Bu tür yapıların sadece yumuşak bir şekilde kaplı olması için, bu doğal deniz yüzeyinin kullanımını sistematik olarak kullanan, yüzeysel yapılarına tercüme ettiği karmaşık bir şekilde tercüme edilen karmaşık bir mikroyapıya sahip.

Biyo-tanışlı yüzey dokuları yeni bir konsept değil, ancak son zamanlarda malzemeler bilim, hesaplama sıvı dinamikleri (CFD), ve katkı üretimi, mikro ölçekli veya nano ölçekli desenler oluşturmak için tasarlanmıştır.Firmacılar, rudders ve boru hatları[değiştir | kaynağı değiştir]Fiziksel sürüklenmeler, milyonlarca toparlama, biyofouling ve hatta asansör veya kendi kendine temizleme etkilerini azaltabilir.

Boundary Katmanı Anlayın ve Drag Mechanisms

Katı bir vücut su yoluyla hareket ettiğinde, ince bir sıvı katmanı, viskobu nedeniyle yüzeye bağlanır.Bu sınır tabakası, bir gemi tarafından deneyimli direnişin çoğundan sorumludur. Deniz mühendisliğinde, hidroelektrik sürüklenme (form drag) ve cilt sürtünmesi gibi, özellikle de sürüklenmeler, sürüklenmeler ve büyük yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

En iyi ribeksler olarak bilinen, yüzeyden 10-100'den uzaktaki akışlar ve hear stresinin azaltılması, keskin tepeler ve yuvarlak vadiler ile birlikte toplanabilirler.En iyi ribopozlar - akış tünel testlerinde en iyi patlamalar altında 10-100'den uzaktaki akışlar için akışlar, hız değişimi ve hear stresi azaltılır.

Reynolds sayısı, etkinliği belirlemede kritik bir rol oynar. 20 düğümde çalışan tipik bir konteyner gemisi için, hull uzun Reynolds sayısı 109'ı aşıyor, sınır tabakasını tamamen çalkantılı rejime yerleştirmek. Riblets en etkili at turbulent rejim, yakın masalı türbülan yapılarına göre. daha düşük Reynolds numaraları, örneğin otonom sulu araçlar (AUVs) gibi diğer dokular daha yararlı olabilir.

Doğal Yüzey Adaptasyonları ve Hidrodinamik Fonksiyonlarları

Deniz organizmalar, antikfouling, anti-predator ve sensör rolleri dahil olmak üzere birden fazla işleve hizmet eden çeşitli yüzey dokuları gelişti. Anahtar örnekler şunlardır:

  • [FONT:0)Shark cilt (dermal dezenfeksiyon): The ridges and oluks baskı dalgalanmalarını ve çalkantılı patlamaları azaltır.V-lyoplaba gibi hızlı bir şekilde köpekbalığına ilham veren V-swklama tasarımı, henüz tamamen tamir edilmiş ve uçak ve yarış yatları için oklü filmler olarak ticarileştirildi.
  • [FONT:0]Humpback whale tüpürcles: Rounded bumps, düşük hızlarda ve yüksek atıların verimliliği artırmak için kullanılan vortices, tüpleri artırmak ve gecikmeleri sağlamak için büyük hayvanların beslenmesi için %40 daha yüksek bir performans göstermesine izin verdi.
  • [FONT=0]Fish ölçekler:[Döneticileri ] Aşırı uçlar, bir yağ olarak hareket eden ince su tabakasını tuzağa düşüren esnek, mikroskobik olarak kaba bir kaplama sistemleri yaratır.
  • [FONT=0]Dolphin derisi:[Dolphin:[Dolphin:[Dolphin Skin:[Dolphin:[Dolphin:[DFLT:1) Epidermis, vücudun bir kısmını daha fazla miktarda korumak için karmaşık bir mikro buzdolabı içerir ve dinamik cevabın yeniden tanımlanması büyük bir araştırma meydan okumadır.
  • [FONT:0)Lotus yaprak etkisi: [DÜDÜT:1] Kesinlikle deniz olmasa da, çok fazla miktardaki süperfobik kaplamalar, biyofouling'i sınırda kaybolarak azaltan kaplamalara da ilham veriyor, ancak yüksek hidrostatik baskı altında etkinliği kaybetme eğilimindeler.
  • [FONT:0)Pilot balina derisi: [Dönetici: 1) Deri, sınır tabakasının istikrarını değiştirerek, potansiyel olarak denizaltı hulls için geçerli olan pasif bir düşüş yöntemi sunuyor.
  • [FONT:0]Penguin tüyler:[Dönetici: [Dönetici: 1) Yoğun, kapalı mikro yapı, yüzme sırasında sürüklenen kapalı bir hava katmanı yaratır. Bu ilke, eject mikro-bubbles'ın yüzey boyunca ilham verici hava tabakalarına ilham vermiştir.

Deniz Malzemeleri için Mühendislik Biyomimetic Surface Textures

Doğal dokular dayanıklı, büyük ölçekli kaplamalar birden fazla üretim rotalarını içerir. Birincil yöntemler lazer metinleme, mikro-elektrikli deşarj işleme (μEDM), roll-to-roll embossing, katkı ve kimyasal etching. Her teknik, çözünürlükte ticaret yapıyor, bağlantı uyumluluk ve maliyet.

Deniz çelik ve alüminyum alaşımları için, doğrudan lazer müdahalesi desenleme (DLIP) daha yüksek hassasiyet sunar, ancak ek kaplamalar olmadan yüzeye doğrudan monte edilen polimer filmleri, mevcut gemiler için retrofit seçeneği sunar.

Nanoyapılan yüzeyler, çok sayıda yapraktan oluşan yüzeysel kaplamalar, genellikle nanopartikül-reinforced matriks ile bir araya gelir, dokuya ve yuvarlanmalara neden olan sulara ulaşır, toksik olmayan yüzeylere karşı koruyucu yapılara karşı çıkmak için zararlı olmayan bir şekilde bağlanır.

Kombinasyon üretimi, özellikle doğrudan metal lazer sintering (DMLS), karmaşık üç boyutlu dokular eğri yüzeylerde geleneksel işleme ile imkansız hale getirir. ABD Donanması, tüplü geometrileri doğrudan döküme dahil eden 3D baskılı komponent bıçaklarla deneymiştir. ana sınırlama boyutu ve yüzey bitirme kalitesi inşa eder, ancak büyük ölçüde bu engellerin üstesinden gelir.

Kumaşlama Yöntemleri Karşılaştırma

Her üretim yönteminin belirli güçlü yönleri vardır:

  • [[D:0)Laser metin (DLIP, femto-saniye): [Düzen: 1 μm'ye kadar), metallere doğrudan başvuru, ancak yavaş alan kapsamı ve yüksek sermaye maliyeti.
  • [FONT:0)Roll-to-roll embossing:[[Dönetici filmleri için yüksek olan, kare metre başına düşük maliyet, esnek substratlar ve desen derinliği ile sınırlı.
  • [FONT:0)Chemical etching: [Dönetici: Düşük maliyet, büyük alanları dokuya mal olabilir, ancak basit geometriler ve metal alaşımlar ile sınırlı; çoğu zaman tehlikeli kimyasalları kullanır.
  • [FONT:0)Eksisiz üretim:[Dönetici:[Dönetici:0)Eksisiz geometrik özgürlük, ancak yavaş inşa oranları ve kaba yüzey bitirme, işlem sonrası gerektirir.
  • [FONT:0)Plasma spreyi:[Dönetici:[Dönetici:0))Köpektçe, ısı bariyer uygulamaları için kullanılan, ancak mikro ölçekli psişikler için daha az kesin.

Test ve Geçerlilik Yöntemleri

Biyokimyasal dokular operasyonel gemilerde dağıtılabiliyor, birden çok ölçeklerde titiz teste maruz kalmalılar. Standart geçerlilik boru hattı doğrudan sayısal simülasyon (DNS) veya büyük eddy simülasyon (LES) ekranlı akış koşulları altında görüntülemeye başlar.En umut verici tasarımları genellikle sabit panellerde yapılır ve akış kanallarında test edilir veya kanallarını kullanarak tanklar ile çalışır.

Gerçek gemilerdeki alan denemeleri, 280 metrelik bir konteyner gemisi ve yakıt tüketimi, biyofouling ve kaplama onarımı 12 ay boyunca yapılan testlerden birini gerçekleştirdi.Politikalarda en kapsamlı deneylerden biri, üç adet yakıt azaltımı ve standart silikon foul-dönüşlü kaplama kaplamalara kıyasla% 40 azaltımı yaptı. Küçük ölçekli tekneler ve kamyonlar üzerinde yapılan küçük ölçekli satışlarda, özellikle de teknenin en etkili veya daha fazla tasarruf sağladığını bildirdi.

Laboratuvarda UV maruziyeti, tuz spreyi ve mekanik olarak simülasyon yıllarca hizmet vermektedir.Bu testler tam ölçekli uygulamadan önce doku ömürlerini tahmin etmek için kritiktir.Instre D7334 standart kontak açı ölçüm için genellikle süperhidropbik kaplamaların dayanıklılığını değerlendirmek için kullanılırken, profilometri zamanla parlar.

Gemi ve Underwater Equipment Design

Yeşil nakliye ve operasyonel verimlilik için zorlama, birkaç deniz sektöründe biyo-inspired dokuların benimsenmesini hızlandırdı.En umut verici uygulamalar şunları içerir:

  • [FONT:0]Hull kaplamaları: [Dönetici: 0,4] Riblet filmlerinin altında uygulanan su hattının sürüklenme ve yakıt tüketiminin altında uygulanan çeşitli deniz ürünleri, yıllık 300 milyon ton yakıt tüketmektedir; hatta% 5'lik bir düşüş milyonlarca tonluk bir miktar CO2 emisyonlarını bile azaltabilir.
  • [FONT:0)Propeller bıçakları: [Dönder: 1) Lider-İlginçler, daha düşük RPM'lere baskı ve hidrodinamik verimliliği artırmak için, ABD Donanması tarafından yapılan testler, küçük gürültüde % 12 artış kaydetti.
  • [FONT:0]Rudders ve kontrol yüzeyleri: Biomimetic dokular yavaş hızlarda manevra kabiliyetini geliştirir, deniz gemilerinde dinamik konumlandırma ve deniz operasyonları için önemli bir öneme sahiptir.
  • [FONT:0]Submarines and AUVs: [Dönetici: [Dönetici: 0] Özerk sualtı araçları (AUVs) düşük sürüklenme ve sessiz operasyondan yararlanarak görev aralığını %20 oranında genişletebilir. ABD Donanması'nın araştırma denizaltı ABD Cutthroat (later decommissioned) 1990'larda test edilen riblet panellerini test etti.
  • [FONT:0)Offshore piping ve ısı değiştiricileri: İç boru kaplamaları balık ölçekleri veya lotus en az akış direnci ve ölçeklendirme, deniz platformları ve LNG taşıyıcıları için pompalama sistemleri için pompalama ve bakım için zaman ayırıyor.
  • [FONT:0]Tidal ve dalga enerji cihazları: Türbin bıçakları tüplüler değişken akış yönlerde verimlilik sağlar, yıllık enerji yakalamasını gerçek deniz koşullarında %10 artırdı.

Performans İyileştirmeleri ve Yakıt Tasarrufları

Labscale ve alan deneme verileri şimdi biyo-inspired dokularla kıyaslanabilen tasarrufların daha net bir resmini sunar. FoulFree projesinin yaklaşık 280 metre konteynere yönelik sonuçları özellikle 40 ton ağır yakıt tüketiminde % 5,2 azalma, standart biyosidesiz kaplamalarla kıyasla% 40 daha az makrofouling gösteriyor.

Balık avı gibi küçük gemiler, yılda ortalama 650 ton daha az yakıt tasarrufuna işaret etti; Mevcut otobüs fiyatlarına sahip olmak ve yaklaşık 2.000 ton CO2'ye kadar yapılan yatırımların azaltılması.Bu rakamlar, Uluslararası Deniz Kuvvetleri'nin dikkatini çekti (IMO), 2050 yılında enerji Verimliliğinin geri çekilmesini amaçlayan 6 tonluk bir miktar daha fazla yakıt tasarrufuna ulaştı.

Newcastle Üniversitesi'nden yapılan araştırmalar, yaygın riblet kabulünün küresel etkisini modelledi: Dünya filosunun% 30'u ortalama% 5 drag azaltımı ile parlatılırsa, yıllık yakıt tasarrufları 14 milyon ton olacak.

Durability, Scaling ve Maliyetleri

Umut verici sonuçlara rağmen, laboratuvar-öldürülen atılımlar ve yaygın filo kabul edilmesi arasında birkaç engel var. Durability birincil. Oceanic conditions kimyasal korozyon, UV maruziyeti, paslanmaz çelik veya titanyum substratlar ve toz etkisi. Birçok polimerik riblet filmi iki yıl sonra, kuru-dokyoğun yüzeylerde yeniden ortaya çıkarmak için pahalıya mal oluyor - seramiklerin şarj edici bir şekilde toksik dokular doğrudan incelenebilir.

Scaling up başka bir büyük engeldir. Kesin mikro başarılarını azaltmak, binlerce metrekarelik kaplamanın yüksek seviyeli üretim proseslerini talep etmesi durumunda, Roll-roll nanoimografi gibi üretim hatlarının maliyeti sürekli olarak yüksek olabilir, ancak ölçeklendirmenin artırılması teknik olarak talep edilen yüksek maliyetlidir.

Dokunuşun biyofoulingi bir paradoks oluşturur: mikro-grooves yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş veya tersine çeviren bir dokuya karşı çıkmak veya sisli serbest bırakma kaplamaları bunu azaltabilir, ancak mekanik dokularla bütünleştirmek, karmaşıklaştırmaya çalışan bazı araştırmacılar "sacrificial" dokular için savunurlar, temizlik kendilerini, ancak bu hizmet hayatını azaltır.

Maliyet analizleri genellikle viability dikte eder. Yüksek değerli varlıklar için kruvazö gemileri veya deniz gemileri gibi uzun hizmet aralıkları ile, 5 yıllık geri ödeme süresi kabul edilebilir. Ancak önümüzdeki on yıl içinde işletmek için, yüksek ücretli yatırım yasaklanabilir - özellikle de düşük emisyonlar ile geri alımlar elde edilebilir.

Düzenleme ve Standartlaştırma Challenges

Şu anda biyo-inspired yüzey dokularının gemilerdeki performansını ölçmek için uluslararası bir standart yoktur.Her üretici, belirli kaplamalar için gemi sahipleri için zor bir şekilde sertifikalar kullanıyor, ancak süreç parçalanmış bir çalışma grubu oluşturdu.

Çevre ve Ekonomik Etki

Yakıt tasarruflarının ötesinde, biyo-inspired dokular daha geniş çevresel etkilere sahiptir.Sürek veya organotin bileşikleri içeren toksik antifouling boyaları azaltarak, deniz ekosistemlerini koruyabilirler. Küresel antifoul boya pazarı her yıl 8 milyar dolardan fazla değerlenir ve bu kimyasalların çoğunun ihtiyacı ortadan kaldırılabilir.

Ekonomik olarak, biyomimetic teknolojisi erken kabul edenler, daha düşük işletme maliyetleri ve önümüzdeki emisyon düzenlemelerine uyum sağlamak için rekabetçi bir avantaj elde edebilir. Port yetkilileri ve yeşil teknolojilere yatırım yapan hatları da tercih eden ücret veya yeşil finansman kredilerinden yararlanabilirler. Poseidon Principles, büyük bankalar tarafından kabul edilen bir çerçeve, çevresel performansa doğrudan finansal teşvik sağlayarak kredi faiz oranlarına sahip olabilir.

Bununla birlikte, potansiyel ekolojik endişeler vardır. Polimer riblet filmlerinin bozulduğu mikroplastikler, üretim ve tasarruflardan herhangi bir olumsuz etki yaratabilir. Üreticiler, mikroplastik üretmeyenler için biyodegrad edilebilir polimer üsleri geliştirerek yanıt verirler.

Future Yol ve Araştırma Frontiers

Alan, aktif antifouling, korozyon direnci ile azalan yüzeylerin azaltılmasına ve hatta algılama yeteneklerine doğru ilerliyor. Nanoteknoloji, biyocidal nanopartiküllerin dokulu polimer matriks veya stimuli-responsive kaplamaları içindeki entegrasyonun, örneğin MIT ve Max Planck Enstitüsü gibi kurumlarda gelişmiş olmasını sağlar.

Makine öğrenimi tarafından yönlendirilen C ⁇ tasarımı, yüzey topograflarının optimizasyonunu hızlandırıyor.Sadece bir köpekbalığının derisini kopyalamak yerine, algoritmaların tamamen yeni doku kalıplarına, belirli akış koşulları için doğada bulunanları ortaya çıkarabilir.The University of Southampton and Marine Biological Laboratory, bu tür jeneratif tasarım yaklaşımları üzerinde işbirliği yapıyor, sürüklenme şekilleri optimize etmek, üretim kolaylığı ve fouling direniş için kolaylaştırıcı yöntemler kullanarak derin bir takviye öğreniyor.

Başka bir sınır, aktif olarak modüle doku, yunusların kas kontrollü derilerine bağlı olarak bir tekneyi dinamik olarak ayarlayabilen yumuşak robotların kullanımıdır. Harvard'ın Wyss Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, 2030'larda yüzey kabalığını değiştirebilecek elektroaktif polimer derileri geliştirdiler.

Biyo-inspirasyonun, malzemeler bilimi ve dijital üretim, önümüzdeki on yıl içinde deniz yüzeylerini nasıl düşündüğümüzü yeniden şekillendirmeye hazır. Üretim maliyetleri düşer ve düzenleyici baskı arsaları, biyomimetic dokular muhtemelen 20. yüzyılda yapılan bu taşlı yaylarda standart özellikler haline gelir. Okyanusların yaratıkları zaten sıvı dinamik problemlerini çözdü - görev dünya filosu için mühendisler için uygun fiyatlı ürünlerdir.