Haaienschubben als weerstandsvermindering in de koopvaardij

Snelheid is een van de belangrijke factoren in de scheepvaart. Het bekomen van een hogere snelheid is vandaag de dag geen probleem meer. Wat ons bezig houdt is de hoeveelheid brandstof die we verbranden om deze hoge snelheden te behalen. Wrijvingsweerstand van het schip met het water speelt hierin een zeer belangrijke rol. Het verminderen van deze weerstand zorgt ervoor dat we minder motorvermogen vragen en dus kostbare brandstof besparen wat leidt tot een beter en gezonder milieu. [4]

Wat zijn nu die haaienschubben juist?

De studie baseert zich op de reeds 400 miljoen jaar geleden ontwikkelde microscopische oppervlaktestructuur van de haaienhuid. Met in het bijzonder de ‘Isurus oxyrinchus’ anders gezegd de kortvinmakreelhaai. Deze haai heeft zijn huid zo ontwikkeld dat hij er snelheidsvoordeel heeft uit leren halen door de wrijving met het water zo minimaal mogelijk te houden.

De haaienschubben die vaak ook wel “dermal denticles” genoemd worden zijn taaie schubben die bestaan uit een kern van bindweefsel, bloedvaten en zenuwen die worden bedekt door een laag van tandbeen met hierop een harde glazuurachtige vitrodentine. Deze structuren zijn heel dicht op elkaar gepakt en bestaan uit tippen die allemaal in dezelfde richting naar achter groeien. Dit geeft de huid een ruw gevoel als je je vinger beweegt in één richting en een glad gevoel in de andere. [3]

Dermal denticles hebben twee functies. Enerzijds bieden ze bescherming tegen roofdieren, anderzijds hebben ze een hydrodynamische functie. De studie richtte zich op de hydrodynamische functie die net werkt zoals de indeukingen in een golfbal. Ze zorgen voor weerstandsvermindering door turbulentie te creëren. [1] Dit gebeurt wanneer dermal denticles snelheid door het water maken. In de holte onder het 3 geribbelde hoofd van de denticle vormt zich een vortex. Een vortex is een regio die gekenmerkt is door een lage druk. Deze zorgt ervoor dat de dermal denticle zijn typisch dynamische beweging krijgt en water uit tegenovergestelde richting van de stromingsrichting wordt aangezogen. Doordat de beweging van het water op die plaatsen in tegengestelde richting loopt, dus mee met de vaarrichting, zal het zorgen voor een stuwende kracht. Het is deze relatieve stuwkracht die voor een vermindering in benodigd motorvermogen kan zorgen en helpen aan een gezonder milieu met minder uitstoot.

Wist je dat … de toepassing van de weerstand-verminderende eigenschap van haaienschubben ook gebruikt werd in de zwemsport? Speedo, een bedrijf dat zwemkleding produceert, maakt bij enkele van zijn producten (o.a. Fastskin) gebruik van een gelijkaardige structuur van de haaienhuid om zijn zwemkleding te optimaliseren. Michael Phelps wist zo 8 medailles te behalen op de Olympische spelen van 2004. Ook werden er dat jaar 18 van de 26 olympische records verbroken. [5]

Hoe kan men nog meer rendement behalen?

Zoals Einstein ooit vermeldde: “Logica brengt je van A naar B, verbeelding brengt je overal” werd er in deze studie verbeelding gebruikt. Er werd geen beroep gedaan op de haaienschubben op zich maar op een combinatie van deze schubben met air bubble lubrication. Dat leverde een interessante studie op en is een wereldprimeur.

Even kort inlichten wat air bubble lubrication juist inhoudt: Het is een methode om de weerstand van de scheepsromp met het water te verminderen door gebruik te maken van fijne luchtbelletjes die onder de scheepsromp wordt geïnjecteerd. Dit zorgt ervoor dat de romp niet in contact is met het water maar met lucht wat een 55 keer lagere viscositeit heeft vergeleken met water. [2]

Het nadeel van deze methode is dat deze belletjes het schip achteraan verlaten en eventueel cavitatie kunnen veroorzaken aan de scheepsschroef. Hierbij komt nog eens dat er constant een compressor moet draaien om de belletjes te injecteren. In de studie werd er van uitgegaan dat een combinatie van denticles en belletjes het rendement vergroot doordat de vortexen, ontstaan door de denticles, de luchtbelletjes langer vasthouden en ervoor zorgen dat het  schip als het ware op lucht drijft.

De testen – het rendement

Voor de constructie van de 2500 denticles werd er gebruik gemaakt van een 3D printer die aan de hand van een biologisch afbreekbaar plastic genaamd PLA (polylactic acid) de denticles vormt. De denticles werden in verhouding vergroot tot ze ongeveer 1 cm in hoogte hadden.

Om de rendementswinst te kunnen bepalen werden er 3 platen gemaakt : een vlakke, een met denticles en een met dwarsribbels omdat ook deze structuur turbulenties creëert. Tijdens de test werden elk van deze platen al dan niet gecombineerd met air lubrication – geproduceerd door een kleine compressor – en door het water gesleept, verbonden aan een nauwkeurige dynamometer. De dynamometer werd gebruikt om de weerstandskrachten de meten.

Uit de vele uitgevoerde testen bleek dat dermal denticles zonder air lubrication een wrijvingswinst opleverde van rond de 8%. De grote verrassing was te merken wanneer luchtbubbels werden geïnjecteerd over de denticles. De winst steeg tot een merkwaardige 17%. Bij het testen van ribbels werden ongeveer dezelfde waarden gevonden.

Besluit

De hoge brandstofprijzen en de verhoogde beperkingen voor CO2 emissie maken het moeilijk voor reders. Het is niet de bedoeling om hierop te reageren door een vertraging van scheepssnelheid in te voeren. We moeten consequent blijven zoeken naar nieuwe oplossingen en verbeteren van bestaande manieren. Uit de meetresultaten besluiten we dat het gebruik van ribbelstructuren een grote vooruitgang kan betekenen. Echter het gebruik van dermal denticles – en zeker in combinatie met air bubble lubrication – lijkt een zeker te volgen weg in het verdere terugdringen van kosten in de scheepvaart. Hiermee is nogmaals bewezen dat we veel kunnen leren uit de natuur.

Bronnen

[1]       Aidan, R., Martin, A. and Barron, A. (n.d.) “Skin of the teeth.” Biology of Sharks and Rays. http://www.elasmo-research.org/education/white_shark/scales.htm (Accessed 4 April 2016).

[2]       J.Mayser, M., F.Bohn, H., Reker, M. and Barthlott, W. (2014) “Measuring air layer volumes retained by submerged floating-ferns Salvinia and biomimetic superhydrophobic surfaces.” , pp. 812–821. doi:10.3762/bjnano.5.93

[3]       Kennedy, J. (n.d.) “Dermal denticle.” Dermal denticle. http://marinelife.about.com/od/glossary/g/dermaldenticle.htm (Accessed 25 March 2016).

[4]       Onvlee (2011) “Air Lubrication.”

[5]       “Swim like a shark” (n.d.) Science in the news. http://www.scienceinthenews.org.uk/contents/?article=8 (Accessed 25 March 2016).