Recubrimientos biomiméticos para mejorar la interacción fluido-estructura en buques

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El transporte por vía marítima representa alrededor del 90% del comercio mundial de mercancías y las emisiones de los grandes buques transoceánicos suponen una fracción importante del total de gases poco deseables que emitimos a la atmósfera. Por esta razón, la Unión Europea ha decidido, dentro de sus programas de I+D+i, dar un alto nivel de prioridad a la reducción de emisiones de CO2 en el sector marítimo.

El elevado consumo de combustible de los buques se debe a la resistencia al avance (drag force), que aumenta los requisitos de potencia en la propulsión, encareciendo el transporte y aumentado las emisiones. Parte de esa resistencia proviene de la formación de olas (wave-making drag), por lo que la forma del casco siempre trata de minimizar este término, aunque las posibles mejoras en ese campo están ya muy estudiadas y es difícil obtener avances significativos.

Otra parte importante se debe a la interacción entre el agua y el casco cuando éste se desplaza. La fricción genera una fuerza viscosa que se opone al avance (frictional drag) y una masa añadida (added mass) que el buque arrastra y representa una considerable inercia adicional. La masa arrastrada suele estar entre 1/4 y 1/3 de la del buque, por lo que cualquier reducción tiene implicaciones importantes.

Como se señalaba en un post anterior sobre biomimesis, la naturaleza frecuentemente ofrece soluciones evolutivas susceptibles de mejorar prácticas industriales. Por ejemplo, inspirándose en las superficies superhidrofóbicas de numerosas plantas y animales (hojas de loto, cutícula de ciertos insectos, alas de mariposa, etc.), se han desarrollado materiales biomiméticos de interés para el recubrimiento de la superficie mojada de los cascos.

Podría parecer intuitivo que una superficie más lisa reduciría el arrastre de la capa viscosa pegada a la superficie mojada.  Sin embargo, hay otra lección que podemos aprender de la naturaleza, que proviene del estudio de la piel de algunos peces que son excelentes nadadores, como es el caso de muchas especies de tiburones. Su piel no es lisa, sino que está formada por pequeñas escamas o dentículos (denticles), con una geometría compleja de canales y estriaciones (riblets) que varían en tamaño y orientación en distintas partes del cuerpo del tiburón. Su objeto es reducir la resistencia viscosa al avance, controlando las características del flujo a escala microscópica.

No se conoce con exactitud cómo influyen los dentículos en la reducción de la resistencia y los intentos de reproducir el efecto hasta ahora sólo han logrado reducciones inferiores al 10%;

Hay fenómenos dinámicos que aún no comprendemos bien, algo en que las herramientas de la dinámica de fluidos computacional (CFD) pueden resultar extremadamente útiles.

Por cierto, hay precedentes: para disminuir la resistencia del aire a su avance, las pelotas de golf dejaron de ser lisas mucho antes de que entendiéramos bien por qué.

Hasta que no se comprendamos bien los fenómenos físicos involucrados no será fácil inspirarse en estas estructuras biológicas para mejorar el recubrimiento de los cascos de los buques y disminuir la resistencia al avance. Pero la simulación hace posible analizar distintas geometrías y orientaciones de los dentículos, estudiando las velocidades, presiones y vorticidad en las proximidades de la capa límite. Esto permitirá avanzar en el diseño de acabados bioinspirados para buques, obtenibles mediante técnicas de fabricación aditiva, y ensayarlos en modelos a escala. En un futuro no muy lejano estos nuevos recubrimientos podrían contribuir de forma efectiva a la reducción de la resistencia viscosa.

 

Juan Carlos Suárez es Director del Centro de Investigación en Materiales Estructurales (CIME) de la UPM

Álvaro Rodríguez Ortiz es investigador en el CIME y en la ETSI Navales de la UPM


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