Efficiënter varen dankzij de grote vlotvaren


Foto: Salvinia molesta

Schepen transporteren het grootste gedeelte van alle geproduceerde goederen over de hele wereld. Daarbij gebruiken ze vele honderden miljoenen tonnen fossiele brandstof. Een aanzienlijk deel van die energie gaat verloren aan de wrijvingsweerstand tussen de romp van het schip en het water. Al een kleine vermindering van deze wrijving zou wereldwijd een enorme brandstofbesparing en milieuverbetering betekenen.

Een van de besparingsmogelijkheden is het schip omgeven met een luchtlaag, waardoor het water niet aan de scheepsromp kan ‘plakken’. Dit vermindert niet alleen de wrijving, maar voorkomt ook dat organismen zich aan de romp bevestigen en meeliften, wat voor extra weerstand zorgt. Een bekende techniek is om met behulp van compressoren luchtbelletjes onder het schip te blazen, maar ook dat kost energie. De uitdaging is dus om een luchtlaag te creëren, die zichzelf zonder gebruik van energie in stand weet te houden.

In de natuur bestaan zeer waterafstotende – superhydrofobe – oppervlakken, zoals lotusbladeren. De zelfreinigende eigenschappen van de bladeren zijn uitgebreid onderzocht, maar het vermogen om onder water een laagje lucht vast te houden krijgt pas sinds kort aandacht. Door de luchtlaag komt een blad na onderdompeling in het water weer naar boven drijven.

Drijfbladeren
De lotus kan slechts een paar dagen een laagje lucht vasthouden, maar de grote vlotvaren houdt dat aanzienlijk langer vol. Deze plant doet zijn naam eer aan omdat hij niet met wortels in de bodem is verankerd, maar daadwerkelijk als een vlot op het water drijft. Een stengel bevat groepjes van twee drijfblaadjes en een onderwaterblad. Het laatste fungeert daarbij als een wortelstelsel. De drijfbladeren hebben in experimenten laten zien wekenlang onder water een luchtlaag vast te kunnen houden, die te zien is dankzij zijn zilverkleurige glans.

Dat is een indrukwekkende prestatie omdat de blaadjes blootstaan aan stroming en turbulentie in het water, waardoor de plant afwisselend met onderdruk en overdruk heeft te maken. Overdruk kan de luchtlaag tegen het blad verpletteren en onderdruk de luchtlaag van het blad losrukken. De drijfblaadjes houden ondanks al dit geweld gedurende lange tijd een stabiele luchtlaag vast.

Garde
Het geheim van de varen zit hem in de vele twee millimeter hoge structuren op het blad die doen denken aan een garde. Op een uitgroeisel van het blad staan vier haren die aan de top met elkaar zijn vergroeid. De structuren zijn bezaaid met kleine wasdeeltjes en daardoor sterk waterafstotend, met uitzondering van de top die juist waterminnend – hydrofiel – is. Deze combinatie van de superhydrofobe ‘gardes’ met de hydrofiele top zorgt voor de stabiliteit van de luchtlaag en staat bekend als het Salvinia-effect, naar de Latijnse benaming van vlotvarens.

De grens tussen lucht en water ligt namelijk als het ware over de toppen van de gardes gedrapeerd en blijft daar ondanks drukverschillen liggen. Het waterafstotende deel van de structuur zorgt ervoor dat de grens niet richting het blad kan bewegen. Aan de waterminnende toppen blijft het water van de grenslaag ‘plakken’, waardoor de grens niet van het blad af kan bewegen. Zo kan de luchtlaag niet worden verdreven en kunnen er ook geen luchtbellen ontsnappen.

Gasbuizen
Prototypes van coatings die een luchtlaag vasthoudt gebaseerd op het Salvinia-effect vertonen 10 procent minder wrijvingsweerstand. Met verdere ontwikkeling kan dit mogelijk oplopen tot 30 en zelfs 50 procent. Niet alleen tijdens het varen levert dit aanzienlijke besparingen op energie en CO2-uitstoot op, maar ook bij het transport van gassen en vloeistoffen door buizen. Daar speelt immers dezelfde wrijvingsweerstand een rol.


Foto: Universität Bonn

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 24 juni 2016

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84