[发明专利]保持气体的结构化表面

说明书

本发明涉及一种用于改进保持在液体下的气体层的减小摩擦的特性和用于同时抑制湍流的保持气体的结构化表面。本发明还涉及一种包括所述保持气体的结构化表面的装置以及所述保持气体的结构化表面的用途。

技术领域

本发明涉及一种用于改进保持在液体下的气体层的减小摩擦的特性并且同时用于抑制湍流的保持气体的结构化表面。本发明还涉及一种包括所述保持气体的结构化表面的装置以及所述保持气体的结构化表面的用途。

背景技术

世界范围内大约90％的国际贸易由船舶完成。然而船舶也造成了严重的环境损害。根据最近的研究，进入大气环境中的船舶废气每年导致60 000例死亡事件。据报道，15艘最大的船舶产生的二氧化硫(SO₂)比世界上所有汽车产生的二氧化硫加起来还多。此外，为了避免船体的位于水下的表面产生生物污损，船舶还向水中排出大量的剧毒物质。此外，由于船体与水的摩擦还浪费了大量的能量。

船舶面临的三个主要问题都与船体和水接触这个事实有关。在此存在以下问题，即流动阻力(也称为“拖拽”)；腐蚀；和污损、即表面的生物生长。

拖拽-船舶的大部分燃料消耗归因于与周围的水的摩擦。

腐蚀-一种很大程度上与船舶跟周围的高含盐量海水的直接接触有关的现象。

污损-如果船舶不是被水而是被空气包围，就不会生长海洋生物。

在现有技术中存在多种减小船舶的摩擦的方法。例如可以通过水和船体之间的空气层来减小摩擦。在WO 2013/131618 A2中例如说明了一种具有确定的表面结构的这种保持气体表面覆盖体，借助其还可以经由所述气体保持层将船体与周围的水至少局部地隔离。基于仿生学涂层的、将在水下的表面上保持持久的空气层方法可以解决上述问题，因为利用在水下的空气层对船体的覆盖可以避免船舶与水的直接接触。一方面可以避免腐蚀，因为含盐的海水不与船舶接触。由此也可以避免污损，因为海洋植物、动物、水藻和幼虫由于空气层而不能到达船体的表面上。最后，空气层用作船舶的“润滑层”，因为空气层比水的黏性低许多。由此可以减小与周围的水的摩擦。

仿生学表面领域的最新进展表明，避免表面与周围的水的直接接触是可行的。这在当时也经过多年很长的时间借助这种保持气体表面实现了，其中可以在水下保持空气层，从而即使表面被保持在水下也被保持干燥。这也开辟了在许多应用中的新视角，例如用于船舶、石油平台、水管道和无污染的水箱。

通过使用在水下保持空气的结构化表面减小例如船舶的摩擦的上述方法以非常有效的方式减小在水和相对于水移动的表面之间的摩擦，因为空气层具有比水低得多的黏性。

在将空气层用于减小相对于水的摩擦之前已经存在通过减少湍流来减小船舶的摩擦的成功的方法。为此尤其使用了基于亚毫米刻度和微米刻度的非常细小的纵槽，该纵槽平行于流动，即平行于表面、例如船舶表面与水(或通常为液体)之间的相对速度的方向取向，并且因此该纵槽至少在表面的附近抑制了横向于移动方向的尤其由湍流(形成小的涡流)产生的各种流动分量。所谓的鲨鱼皮效应或“Shark Skin Effect”的构思在于，通过模拟(nachempfunden)鲨鱼皮表面结构的仿生学结构来抑制表面附近的所谓的边界层中的湍流。通过大多具有尖棱的肋条尖端的并且其高度和肋条间距大多在几十μm的范围内的细小的肋条、所谓的肋排，阻止了在湍流中由涡流引起的横向于流动方向的脉冲传输，这根据文献数据理论上能减小了最大10％的摩擦，实际上能减小了最大8％的摩擦。

然而这种同样以结构化表面为前提的措施没有实现：

-介质的黏性的改变(如通过引入由低黏性的空气形成的层所实现的)，

-通过避免表面和水之间的接触来避免污损(如通过水和表面之间的空气层所实现的)和

-通过避免表面和水之间的接触来避免腐蚀(同样如通过水和表面之间的空气层所实现的)。