Τι θα γινόταν αν ένα μεταλλικό αντικείμενο γεμάτο τρύπες μπορούσε παρ’ όλα αυτά να επιπλέει στο νερό; Η ιδέα μοιάζει αδύνατη, όμως νέα επιστημονική έρευνα δείχνει ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό.
Περισσότερο από έναν αιώνα μετά το ναυάγιο του Τιτανικού, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναζητούν αποτελεσματικότερους τρόπους ώστε τα πλοία και οι πλωτές κατασκευές να μην βυθίζονται.
Ένα βήμα πιο κοντά στο «αβύθιστο» μέταλλο
Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ (University of Rochester – URochester) φαίνεται πως πλησίασε σημαντικά αυτόν τον στόχο. Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μεταλλικούς σωλήνες που δεν βυθίζονται, ακόμη και μετά από σοβαρές φθορές και παρατεταμένη παραμονή στο νερό.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Οπτικής του πανεπιστημίου και επικεφαλής ήταν ο Chunlei Guo, ανώτερος επιστήμονας στο Εργαστήριο Ενεργειακής Λέιζερ (Laboratory for Laser Energetics – LLE).
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν απλούς σωλήνες αλουμινίου. Αντί να αλλάξουν το σχήμα τους ή να προσθέσουν αφρώδη υλικά, επικεντρώθηκαν στην εσωτερική τους επιφάνεια.
Με τη βοήθεια ειδικής τεχνικής λέιζερ, χάραξαν στο μέταλλο μικροσκοπικές κοιλότητες και υφές, σε μικρο- και νανοκλίμακα, αόρατες στο ανθρώπινο μάτι. Αυτή η υφή δημιουργεί ένα ισχυρό φαινόμενο: το νερό δεν μπορεί να προσκολληθεί εύκολα στην επιφάνεια. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτή την ιδιότητα υπερυδροφοβικότητα, δηλαδή εξαιρετικά ισχυρή απώθηση του νερού.
Ο παγιδευμένος αέρας κρατά τον σωλήνα στην επιφάνεια
Όταν ο επεξεργασμένος σωλήνας τοποθετείται στο νερό, συμβαίνει κάτι ασυνήθιστο. Το νερό δεν εισέρχεται στο εσωτερικό του· αντίθετα, παραμένει παγιδευμένος αέρας μέσα στον κοίλο χώρο. Αυτός ο αέρας διατηρεί τον σωλήνα ελαφρύ και πλευστό.
Ο αέρας έχει πολύ μικρότερο βάρος από το νερό. Όσο παραμένει στο εσωτερικό, ο σωλήνας δεν γεμίζει και δεν βυθίζεται.
Το φαινόμενο αυτό απαντάται και στη φύση. Οι αράχνες diving bell μεταφέρουν φυσαλίδες αέρα κάτω από το νερό για να αναπνέουν, ενώ τα μυρμήγκια της φωτιάς ενώνονται και παγιδεύουν αέρα σχηματίζοντας πλωτές «σχεδίες» κατά τις πλημμύρες.
«Σημαντικό είναι ότι προσθέσαμε ένα διαχωριστικό στο μέσο του σωλήνα, ώστε ακόμη και αν τον πιέσεις κάθετα μέσα στο νερό, η φυσαλίδα αέρα να παραμένει παγιδευμένη και ο σωλήνας να διατηρεί την πλευστότητά του», εξηγεί ο Guo.
Το διαχωριστικό αυτό αποδεικνύεται καθοριστικό, καθώς συγκρατεί τον αέρα ακόμη και όταν το νερό ασκεί έντονη πίεση από διαφορετικές κατευθύνσεις.
Μεταλλικές κατασκευές που δεν βυθίζονται
Συνήθως, τα πλωτά αντικείμενα αποτυγχάνουν όταν εμφανιστούν ρωγμές ή τρύπες, επιτρέποντας στο νερό να αντικαταστήσει τον αέρα. Στην περίπτωση αυτών των σωλήνων, όμως, αυτό δεν συμβαίνει. Ακόμη και με σοβαρές φθορές, η υπερυδροφοβική επιφάνεια συνεχίζει να απωθεί το νερό.
«Τα δοκιμάσαμε σε πραγματικά σκληρά περιβάλλοντα για εβδομάδες και διαπιστώσαμε ότι η πλευστότητά τους δεν μειώθηκε καθόλου», λέει ο Guo.
«Μπορείς να τους ανοίξεις μεγάλες τρύπες, και δείξαμε ότι ακόμη και αν τους καταστρέψεις σοβαρά, με όσες τρύπες μπορείς να κάνεις, εξακολουθούν να επιπλέουν», προσθέτει.
Το αποτέλεσμα εξέπληξε πολλούς ερευνητές, καθώς οι τρύπες συνήθως σημαίνουν αποτυχία. Σε αυτή την περίπτωση, όμως, ο παγιδευμένος αέρας παραμένει προστατευμένος χάρη στην απωθητική επιφάνεια στο εσωτερικό του σωλήνα.
Μεγαλύτερη σταθερότητα σε ταραγμένα νερά
Η ομάδα του Guo είχε παρουσιάσει για πρώτη φορά υπερυδροφοβικές πλωτές κατασκευές το 2019. Εκείνος ο σχεδιασμός χρησιμοποιούσε δύο επίπεδους δίσκους με απωθητική επιφάνεια, ενωμένους μεταξύ τους. Αν και λειτουργούσε σε ήρεμα νερά, παρουσίαζε προβλήματα σε έντονες κλίσεις, όπου ο αέρας μπορούσε να διαφύγει.
Ο κυλινδρικός σχεδιασμός των σωλήνων λύνει αυτό το πρόβλημα. Το σχήμα συγκρατεί καλύτερα τον αέρα και αντιστέκεται στις κινήσεις των κυμάτων. Σε δοκιμές που προσομοίαζαν σκληρές ωκεάνιες συνθήκες, οι σωλήνες παρέμειναν πλωτοί για εβδομάδες χωρίς απώλειες.
Από μεμονωμένους σωλήνες σε πλωτές πλατφόρμες
Ένας σωλήνας μπορεί να επιπλέει, αλλά πολλοί μαζί ανοίγουν νέες προοπτικές. Οι ερευνητές συνέδεσαν αρκετούς σωλήνες δημιουργώντας σχεδίες, οι οποίες παρέμειναν σταθερές και μπορούσαν να υποστηρίξουν βάρος σε εργαστηριακές δοκιμές. Στα πειράματα, το μήκος των σωλήνων έφτασε σχεδόν το μισό μέτρο.
Ο Guo θεωρεί ότι η κλιμάκωση της τεχνολογίας δεν παρουσιάζει σημαντικά εμπόδια. Μεγαλύτερες εκδοχές θα μπορούσαν να στηρίξουν βαριά μηχανήματα, ανθρώπους ή ολόκληρες κατασκευές. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν πλοία, πλωτές πλατφόρμες, σημαδούρες και υπεράκτιες εγκαταστάσεις.
Προοπτικές για καθαρή ενέργεια
Η έρευνα δείχνει επίσης δρόμο προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Σχεδίες κατασκευασμένες από αυτούς τους σωλήνες μπορούν να κινούνται με τα κύματα, μετατρέποντας την κίνησή τους σε μηχανική ενέργεια. Με κατάλληλες διατάξεις, αυτή η ενέργεια θα μπορούσε να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό.
Η κυματική ενέργεια παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτη. Αυτή η ανθεκτική πλωτή τεχνολογία ίσως συμβάλει στην αξιοποίησή της σε θάλασσες και ποτάμια.
Η μελέτη αποδεικνύει πώς μικρές αλλαγές στην επιφάνεια ενός υλικού μπορούν να επιφέρουν τεράστια αποτελέσματα. Ένας απλός μεταλλικός σωλήνας, μετά από κατάλληλη επεξεργασία, αποκτά την ικανότητα να επιπλέει κόντρα στις φθορές, στον χρόνο και στα ταραγμένα νερά.
Το όραμα για ασφαλέστερες πλωτές κατασκευές μοιάζει πλέον πιο κοντά από ποτέ.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το National Science Foundation (NSF), το Ίδρυμα Bill και Melinda Gates και το Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Functional Materials.
