STUDIO DELL'ANTIFOULING parte 2^

CHE COSA È IL FOULING

Con il termine biofouling si intende il fenomeno di accumulo e deposito di organismi viventi,animali e vegetali, unicellulari o pluricellulari su superfici naturali o artificiali immerse; tale aspetto costituisce un problema che deve essere contrastato e controllato quando si presenta l’esigenza di avere superfici efficienti dal punto di vista idrodinamico (es. carene di imbarcazioni, tubazioni).Il biofoulin può essere schematicamente rappresentato come una successione ecologica(Candries M. 2001) in cui il microfouling (o biofilm), costituito da batteri, alghe unicellularie cianobatteri, si instaura sulle superfici preparando le stesse all’attacco del macrofouling,costituito dall’insediamento di organismi marini di maggiori dimensioni sia di origine vegetale (macroalghe) che animale (serpulidi, cirripedi, bivalvi, spugne ed altro).Per contrastare l’attacco di organismi con spiccate capacità adesive possono essere usati prodotti vernicianti antivegetativi (antifouling) che contengono al loro interno molecole con azione biocida che vengono rilasciate con tempi e a concentrazioni differenti a seconda delle matrici in cui sono incorporate.Alcune sostanze ad azione biocida ed elevata efficacia impiegate nel corso degli anni hanno mostrato livelli di tossicità elevata nei vari comparti dell’ambiente marino (sedimenti,colonna d’acqua, organismi). Un esempio è dato dai composti organostannici (es. TBT), il cui uso come antivegetativi è stato vietato a seguito delle indicazioni dell’IMO e della convenzione internazionale (AFS) adottate il 5 ottobre 2002 dagli Stati membri dell’Unione Europea. Recentemente anche le vernici a base di composti rameici, ad oggi le più utilizzate,sono state vietate in Svezia.Un’ alternativa alle vernici contenenti biocidi potrebbe essere l’impiego di polimeri ad azione fouling-release, la cui azione non impedisce la formazione di biofouling ma ne facilita il distacco, a causa delle deboli interazioni che si creano tra la matrice e le strutture di adesione degli organismi.Esistono più di 4000 specie di ‘’foulers’’ ognuna con le proprie caratteristiche. Esistono due grandi gruppi in cui è possibile dividere gli organismi che causano questo fenomeno e il processo del fouling solitamente si divide in 4 fasi.Le due grandi categorie in cui è possibile effettuare la suddivisione sono :

" MICROFOULING : caratterizzata da foulers di dimensioni molto piccole (grandezza

del micrometro), formano la famosa “slime”, principalmente formata da muffa di

mare, diatomee e organismi unicellulari. Influenzano la resistenza al moto della nave fino ad un massimo del 10 %." MACROFOULING : foulers più ingombranti (raggiungono spessori di diversi centimetri) rispetto alla categoria micro, ne fanno parte alghe di notevoli dimensioni e l’animal fouling. Possono influenzare fino al 40% la resistenza a moto della nave.Oltre ad aumentare la resistenza, corrodono e danneggiano anche la pittura prima e lo scafo poi.Il fenomeno inizia a verificarsi dal momento in cui la nave si immerge nelle acque marine o oceaniche che siano. Nella prima fase sullo scafo si accumulano materia organica dissolta e molecole come polisaccaridi, proteine e frammenti proteici. Poche ore dopo inizia la seconda fase, che porrà le basi per quelle successive. Infatti in questa viene a formarsi un sottile film microbiotico di batteri e organismi unicellulari come le diatomee (slime), seguito da una  secrezione di mucopolisaccaridi che creano solide basi per l’insediamento del macrofouling.Questo ‘’slime’’ influenzerà in maniera rilevante le prestazioni della nave, aumentando la resistenza al moto tra il 2% e il 10%. La presenza di essudati adesivi e la rugosità causata dalle irregolari colonie microbiotiche favorisce così l’insediamento di molte altre particelle e organismi dando inizio così alla terza fase dove si instaurano soprattutto spore algali ,funghi e protozoi marini. Inoltre in questa fase ho il passaggio dal film microbiotico a un rivestimento organico molto più complesso che tipicamente è caratterizzato da organismi  marini pluricellulari , erbivori e decompositori.Infine si raggiunge la quarta e ultima fase del processo di formazione del fouling , nella quale si intensifica fortemente l’attaccamento e crescono sullo scafo principalmente macro-alghecome l’alga verde (Enteromorpha) e l’alga marrone (Ectocarpus) le quali presentano uno straordinario potenziale riproduttivo e una forte resistenza alle diffuse fluttuazioni ambientali specialmente per quanto riguarda salinità e secchezza, rendendo il loro distacco molto complicato. Altro protagonista di questa fase è il fouling animale composto principalmente da cirripedi, molluschi, briozoi e tubificidi.L’ “animal” fouling rispetto al precedentemente citato “slime” riduce drasticamente le

prestazioni della nave (40%) e deve essere eliminato ed evitato il più possibile.12

Lo sviluppo del biofouling marino dipende da molteplici fattori come la temperatura

dell’acqua, livello di nutrienti, frequenza delle correnti, salinità e pH dell’ambiente marino

e le proprietà del materiale dello scafo. Oltre i fattori ambientali, influiscono anche proprietà superficiali come l’energia superficiale, la bagnabilità, la resistenza meccanica e la topografia della superficie. Diversi studi hanno dimostrato che una superficie con valori

energetici tra i 20 e i 30 mJm-2, conosciuta come ‘minimo di Baier’, rappresenta la

condizione di minima adesione per i microrganismi. Dipende anche da fattori geografici

come la zona geografica e il periodo dell’anno.La fase di maggiore aggressività si verifica quando la nave attracca in porto (fig.4)soprattutto in presenza di acque tropicali.

 Le pitture antifouling navali quindi non solo devono avere un’elevata efficacia e garantire

almeno 5 anni di protezione costante tra un attracco e l’altro, ma devono anche avere, nella maggior parte dei casi, un ampio spettro di azione in modo da poter contrastare le più di4000 specie esistenti in ogni condizione ambientale e superficiale in cui si possono trovare.Ogni nave avrà la propria vernice antifouling più adatta per i propri fini e le proprie esigenze ambientali, di velocità, e di carico.

 INFLUENZA DEL FOULING SULLA

 RESISTENZA AL MOTO DELLA NAVE.

Si definisce resistenza al moto o resistenza totale RT di una carena ad una data velocità V la forza che sarebbe necessaria per rimorchiare, in acqua tranquilla ed indisturbata, quella nave a quella velocità. Questa definizione si riferisce ad una condizione teorica in quanto inpratica, supponendo anche di poter disporre di un rimorchiatore di potenza sufficiente, la

nave rimorchiata avanzerebbe nella scia del rimorchiatore e quindi in acqua disturbata.

La potenza necessaria a vincere questa resistenza prende il nome di potenza effettiva o

potenza di rimorchio e si indica con il simbolo PE (nella bibliografia meno recente è

possibile incontrare anche il simbolo ehp, dall'inglese effective horse power); dal

La resistenza totale è composta da un certo numero di componenti che sono dovute ad una molteplicità di cause e che interagiscono tra loro in modo molto complicato. In prima

approssimazione si può ritenere che la resistenza totale sia dovuta a quattro componenti

principali:

 1) resistenza d'attrito Rf (frictional resistance), dovuta al moto dello scafo in un fluido

viscoso; 2) resistenza d'onda RW (wave-making resistance), dovuta all'energia che la nave devespendere per generare le onde che si formano al suo passaggio; 3) resistenza viscosa di pressione RPV (viscous pressure resistance o VPR), dovuta all'

energia che la nave perde per la formazione di vortici che si staccano dalla carena o

dalle appendici; 4) resistenza dell'aria RAA (air resistance), dovuta alla velocità relativa tra la parte emersa della nave e l'aria ferma, cioè in assenza di vento; le componenti 2) e 3) vengono comunemente conglobate in quella che è detta resistenza residua.l'importanza relativa tra le diverse componenti della resistenza dipende dal tipo di imbarcazione che si considera e dalla sua velocità. Le componenti della resistenza sopradescritte sono dette principali in quanto sono state le prime ad essere studiate e sono presenti in tutti i tipi di imbarcazione, l'aggettivo principali non deve suggerire l'idea che esse siano quelle di maggiore entità. Tra le componenti della resistenza si annovera inoltre la resistenza delle appendici RAP; le appendici di carena sono costituite da timoni, alette di rollio,assi portaelica, bracci degli assi e da quant'altro sporga dalla superficie della carena.Questa componente della resistenza viene trattata separatamente in quanto le carene non venivano generalmente provate con le appendici, ma nude; essa non è considerata tra le componenti principali anche perché la sua entità è modesta per le navi lente. La sua importanza crebbe con il crescere della velocità di esercizio e con lo svilupparsi delle piccole imbarcazioni veloci, per le quali assume un valore non indifferente. Per le imbarcazioni veloci esiste inoltre la resistenza dello spray RS; essa è dovuta alla formazione di un sottile strato d'acqua,che scorre contro l'opera morta nella zona prodiera della carena, chiamato appunto spray.Per ovviare alla formazione dello spray, che è indesiderabile sia perché aumenta la resistenza all'avanzamento della carena sia perché da esso possono staccarsi spruzzi che possono raggiungere il ponte, sono stati introdotti i cosiddetti spray rails; essi sono costituiti da spigoli, che corrono longitudinalmente sulle murate, aventi la funzione di deflettere lo spray per impedirgli di scorrere sull'opera morta e di raggiungere la coperta. Naturalmente il beneficio che essi portano non è gratuito, infatti per deflettere lo spray è necessaria una certa forza la cui componente nella direzione del moto produce in un incremento della resistenza della carena. La resistenza dovuta a questo fenomeno è detta resistenza degli spray rails .

 Nel caso di multiscafi si considera poi un’ ulteriore componente della resistenza, detta

resistenza dovuta all'interferenza tra gli scafi DINT (Interference Drag); essa trae origine

dalla perturbazione del flusso che investe ciascuno scafo provocata dalla presenza dello

scafo adiacente. Si verifica infatti che la resistenza del doppio scafo è differente dal doppio

della resistenza di un singolo scafo. In realtà questa non è una vera e propria componente

della resistenza in quanto, in casi particolari, l'interferenza può essere positiva e quindi la

resistenza dovuta all'interferenza assume valori negativi; essa è stata introdotta per

quantificare la differenza di comportamento tra lo scafo singolo o accoppiato. La resistenza al moto della nave però generalmente dipende dalla rugosità superficiale dello scafo cheinfluenza principalmente la resistenza d’attrito.

Resistenza d’attrito

Diamo una spiegazione dettagliata al tipo di resistenza che è più legata alla rugosità

superficiale e quindi alla formazione di fouling. Questo tipo di resistenza nasce dal fatto cheil fluido in cui si muove la carena è viscoso; in altre parole i legami molecolari fanno sì che debba essere spesa una certa quantità di energia per provocare lo spostamento relativo di molecole. Considerando una carena in moto nell'acqua si verifica che il primo strato di fluido che la circonda aderisce alla stessa e si muove, rispetto all'acqua indi- sturbata, alla stessa velocità. A causa della viscosità gli strati successivi sono soggetti a delle tensioni tangenziali che li mettono in movimento a loro volta. Questo fenomeno dà luogo alla formazione di uno strato d'acqua, che diviene più spesso andando da prora a poppa, nel quale la velocità varia passando dal valore pari a quello della carena in movimento, nelle immediate vicinanze della stessa, fino ad un valore quasi nullo via via che ci si allontana da essa. Questa zona di acqua prende il nome di strato limite e la resistenza d'attrito è pari alla quantità di moto che lacarena fornisce allo strato limite per mantenerlo in movimento. Gli studi sulla resistenza d'attrito sono cominciati nel secolo scorso ad opera di molti studiosi; uno fra questi, Osborne Reynolds, condusse esperienze sul flusso all'interno di tubi introducendo al centro della corrente, una sottile vena di colorante. Reynolds osservò che quando la velocità del fluido entro il tubo era bassa il colorante si manteneva sotto forma di un filamento rettilineo parallelo alla direzione della corrente. Ad una certa velocità, che egli chiamò velocità criticaVC il filamento iniziava ad essere instabile e a perdere l'andamento rettilineo assumendo una configurazione ondulata; oltre tale velocità il filamento cessava di esistere ed il colorante si

mescolava completamente al fluido riempiendo completamente il tubo. La forza che il fluido esercitava sul tubo veniva misurata attraverso la caduta di pressione tra le estremità dello stesso; Reynolds osservò che, per velocità inferiori a VC, la forza sul tubo dipendeva

linearmente dalla velocità, mentre per velocità maggiori essa variava con una potenza della velocità leggermente inferiore al quadrato. Apparve inoltre che la forza, applicata dal fluido in movimento, si rivelava costante a parità del numero di Reynolds calcolato in base al diametro dei tubi:

Altri ricercatori si accorsero che quanto verificato da Reynolds si applicava anche  al deflusso di aria in un tubo e che le forze su modelli di dirigibili in scale differenti erano eguali a parità del numero di Reynolds calcolato utilizzando la lunghezza dell'aeromobile:

Questo tipo di esperienze suggerì la considerazione dell'esistenza di due tipi di flusso

associati a due tipi di leggi di resistenza. A bassi valori del numero di Reynolds, quando il

filamento di colorante si mantiene stabile, il fluido si muove evidentemente per strati

paralleli che non si mescolano trasversalmente, ma che scorrono l'uno sull'altro a differenti

velocità; questo tipo di flusso venne chiamato flusso laminare ed associato a resistenze

relativamente basse. All'aumentare del numero di Reynolds il flusso laminare diviene

sempre più instabile fino a che si verificano il mescolamento trasversale degli strati e la

generazione di vortici e contemporaneamente si verifica un aumento della resistenza d'attritoRf; questo secondo tipo di flusso venne denominato flusso turbolento. Si riconobbe quindi che la resistenza di attrito è funzione del numero di Reynolds.