STUDIO DELL'ANTIFOULING parte 3^

Tipologie di resistenza

Viene posta particolare attenzione alla rugosità superficiale vera della carena edipendente dal rivestimento utilizzato. Rugosità superficiale che, come accennato nellaConferenza internazionale sulla riduzione dell’attrito (SMOOTH Ships 2011) tenutasi inTurchia nella Technical University di Istanbul in data 20 Mggio 2011, può essere suddivisain due categorie:rugosità fisica: nasce da ogni tipo di discontinuità ed è influenzata da ogni parte delloscafo che modifica il flusso d’acqua sulla superficie dello scafo come ad esempio

deformazioni, imperfezioni durante la saldatura, protezioni catodiche (usate per il

monitoraggio della corrosione superficiale) e lingue di sentina. Questo tipo di rugosità non è scopo del nostro studio;rugosità biologica: è causata dal fouling ed è migliorabile levigando la superficiedello scafo a contatto con l’acqua o durante l’utilizzo della nave usando rivestimentiantifouling appropriati. Questa è la categoria di rugosità maggiormente influenzatadalle protagoniste di questa tesi ovvero le vernici antifouling.

In ambito navale esistono anche le navi appartenenti al naviglio minore , ovvero navi non

grandi la cui velocità tipica si aggira intorno ai tredici nodi. Per tutte queste categorie di

mezzi navali, la minimizzazione della resistenza d'attrito passa anzitutto, ancora una volta,

attraverso una appropriata progettazione. E qui sopperiscono gli studi sulla idrodinamica,

grazie ai quali oggi disponiamo di metodi di calcolo sempre più raffinati, ormai affidati

all'elaboratore elettronico, per disegnare forme di carena nelle quali la superficie bagnata èla minima indispensabile per realizzare quelle certe caratteristiche della nave che

l'Armatore ha richiesto. Anche i materiali con cui lo scafo è costruito hanno il loro impatto

sul valore del Cf. Il legno, a sua volta, è di solito meno rugoso dell'acciaio ordinario, quello

più ampiamente utilizzato nella costruzione navale. Poi Il progettista sa dove trovare le

indicazioni per ottimizzare il Cf tenendo conto dei fattori che maggiormente confluiscono

nel determinarla. La prassi della costruzione navale, poi, fornisce le metodiche per rendere

il più scorrevole possibile la carena una volta che siano stati scelti i parametri

dimensionali. Tali metodiche si basano in pratica nell'applicazione, sulla superficie della

carena, di sostanze incaricate di:eliminare, o almeno ridurre al minimo possibile, la rugosità della carena. A questo riguardo accenniamo che per certi tipi di nave, specialmente militari, vengono impiegate sostanza "autoleviganti". Vale a dire che nel corso del tempo, queste sostanze si sfogliano come veli di cipolla, in modo da assicurare sempre la massima levigatezza alla carena;proteggere lo scafo dall'attacco degli aggressivi chimici disciolti nell'acqua (funziona anticorrosiva);proteggere lo scafo dall'attacco dei numerosi aggressivi biologici (vegetali ed animali) anch'essi presenti nell'acqua (funzione antivegetativa).Dunque ricapitolando la diminuzione del biofouling: diminuisce la resistenza ad attrito della nave, garantendo così migliori prestazioni grazie una riduzione della rugosità superficiale con conseguente riduzione del coefficiente di resistenza ad attrito equivalente, diminuendo i consumi di carburante, creando guadagni economici e meno inquinamento ambientale.

TECNOLOGIE  ANTIFOULING

Vediamo una descrizione dell’evoluzione delle tecnologie antifouling dagli antichi Fenici e

Cartaginesi fino ai giorni nostri.

Tecnologie antecedenti alla metà del XIX secolo:

La necessità di proteggere gli scafi delle navi dal fouling è antica quanto la scoperta della

nave come mezzo di locomozione.

Scafi in legno :

Cartaginesi 700 a.C. Pece e possibilmente coperture (guaine) di rame.

Fenici 700 a.C.500 a.C.Sego e guaine di piombo. Rivestimenti di arsenico e zolfo mischiati con l’olio.

Greci 300 a.C. Guaine di cera,catrame e piombo.

Romani , Greci 200 a.C.-45 d.C. Guaine di piombo con chiodi di rame.

Vichinghi 10 d.C. Sigilli di catrame

Plutarchiani 45-125 d.C. Pezzi di alghe, slime e pece

Navigatori in età

colombiana

XIII-XV secolo Pece e sego mischiati con olii, resine.

Diverse civiltà 1618-1625 Rame, possibilmente con una mistura di cemento, acciaio,sabbia e un composto di rame o minerale arsenico.

XVIII secolo Guaine di legno su uno strato di pece e capelli animali.

Scafi in legno o acciaio

Inglesi 1758 -1786

Coperture di rame che causarono la  corrosione galvanica di chiodi di ferro.

Coperture di rame usando chiodi di leghe di zinco e rame.

Diversi popoli 1758-1816 Coperture di zinco,piombo, nickel,arsenico, acciaio zincato, e poi leghe di antimonio, zinco,stagno, seguiti da coperture di legno rivestite di rame.

Venne scoperta anche la possibilità dell’utilizzo di coperture no metalliche(smalto,sughero, ebanite e gomma ).

Osserviamo che i rimedi al fouling vennero progettati sin dai tempi dei fenici e cartaginesi con rivestimenti di pece, piombo e zolfo,furono anche i primi a utilizzare il rame, che sarà utilizzatissimo e fondamentale nelle tecnologie future.Tecniche simili vennero usate anche da romani e greci che effettuarono ricerche utilizzarono soprattutto il piombo. Successivamente nel XVIII secolo erano molto diffuse coperture di legno unite con pece o catrame e una quantità notevole di chiodi metallici che entrando in contatto fra loro formano una sorta di seconda pelle sullo scafo. Dal XVIII secolo in poi si iniziarono a produrre scafi in acciaio e non solo più in legno e così vennero sperimentate nuove tecnologie come quelle caratterizzate da coperture non metalliche come gomma, vulcanite, sughero e smalto), ma queste tipologie vennero presto abbandonate a causa dei costi onerosi e della difficoltà di applicazione. Venne anche abbandonata la tecnologia caratterizzata da coperture di legno con chiodi di ferro poiché causavano la corrosione galvanica dello scafo causando nel 1782. Il problema venne risolto usando chiodi in leghe di rame e zinco. Infine intorno alla metà del XIX secolo si arrivò alla creazione della prima pittura antifouling contenente rame, arsenico e ossido di mercurio come biocidi (intossicanti) sciolti in olio di semi di lino o in resine.

1862 Metà del XIX secolo Rivestimenti in legno ricoperti di rame. Nascono le prime

PITTURE antifouling contenenti elementi biocidi e tossici(rame,arsenico, mercurio)inserite in una catena polimerica.

Tecnologie seguenti alla metà del XIX secolo fino a oggi:

Dunque dopo la metà del XIX secolo le pitture antifouling presero il sopravvento su tutte le altre tecnologie brevettate fino a quel tempo. La tipologia di pittura antifouling più diffusa era quella contenente al suo interno dei biocidi,ovvero sostanze velenose applicate sullo scafo con lo scopo di uccidere micro o macro organismi causa del biofouling preservando così la forma e l’integrità dello scafo. Una delle più efficaci venne brevettata nel 1950 basata su composti tributilstannici (chiamata infatti TBT) la quale garantiva efficacia su un vasto raggio di specie e una durata di ben 5anni. Questa pittura però era causa di impotenza e sterilizzava alcune specie marine le quale così non potevano riprodursi e rischiavano di estinguersi. Così questa tecnologia (TBT) venne bandita nel Novembre del 1999 dalla IMO (International maritime organization) con il divieto di applicazione di vernici con composti organo stannici dal 1 Gennaio del 2001 e il divieto totale dal 1 Gennaio 2008.

Terminata così l’epoca dei composti organostannici si volle oltre a eliminare il fouling già

insediatosi sullo scafo, anche prevenire la sua formazione garantendo un certo livello di

lisciatura in modo da ridurre al minimo l’attrito della nave al moto. Per un certo periodo di

tempo negli anni seguenti al bando indetto dalla IMO, si passò a nuove tecnologie a rilascio(per movimento) e ablative (per periodo a riposo) a base di rame. Anche qui si presentarono dei problemi a livello ambientale perché i metalli presenti nelle vernici si bioaccumulano nell’ambiente creando sedimenti che possono rendersi tossici a livelli elevati e permanere nascosti per degli anni. Quindi si cercò con il tempo di aumentare i biocidi in modo da diminuire la quantità di rame e di metalli , anche se gli effetti organici dei biocidi non sono stati ancora del tutto scoperti e svelati e le conseguenze che generano nell’ambiente sono ancora da scoprire e in fase di ricerca. Così infine si arrivò alle vernici scoperte ultimamente e del futuro chiamate “foul release” e “biocide free”, che presentano un ottimo compromesso tra un elevato rispetto ambientale e prestazioni efficienti. Queste vernici sono composte da catene polimeriche funzionali che vengono rilasciate sulla superficie immersa dello scafo della nave non rilasciando così biocidi eventualmente tossici e ancora in fase di studio e dunque ancora un’incognita. Le catene polimeriche inibiscono maggiormente il biofouling e la biocorrosione grazie alla loro incorporazione di catene funzionali anti adesione, antimicrobiotiche e anti corrosione rispetto al rilascio di biocidi. Diversi rivestimenti e pitture a base di polimeri funzionali sono stati sviluppati negli anni recenti a altri sono in via di sviluppo

Non-biocidal coatings :

Le pitture commerciali non biocide spaziano da pitture da una matrice molto dura utilizzata

principalmente per imbarcazioni di piccole dimensioni e spesso difficili da pulire fino a

vernici con la tecnologia “foul release” o a rilascio che hanno la proprietà di rendere la

superficie dello scafo a bassa energia rendendola così facile da pulire e facendo distaccare facilmente gli organismi senza l’uso di biocidi.I rivestimenti a tecnologia “foul release” si basano sul concetto di minimizzare la forza di adesione tra i foulers e il materiale di cui e costituita la superficie dello scafo permettendo la rimozione del fouling semplicemente attraverso il moto della nave, quindi è un tipo di pulizia meccanica che sfrutta l’idrodinamicità della nave durante la navigazione.Polimeri siliconici e fluoropolimeri con bassa energia superficiale e modulo sono i materiali più utilizzati come leganti. Però l’uso di vernici a rilascio a base siliconica creano alcuni svantaggi. Alcuni organismi (come i diatoms slime) sono difficili da eliminare se si procede ad una velocità inferiore ai 30 nodi, inoltre queste vernici sono molto sensibili ai danni meccanici e sono complicate da applicare.

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.

STUDIO DELL'ANTIFOULING - parte 1^

Stralcio sullo studio dell’antifouling estrapolato da una tesi di laurea in Ingegneria Meccanica dell’Universita’ di GENOVA anno accademico 2014-2015 -candidato F.Marciano

NAVI E AMBIENTE

La navigazione esercita un impatto ambientale per nulla trascurabile. Prendendo spunto dal sito ufficiale dell’International Maritime Organization (www.imo.org), più precisamente

nella sezione Marine Enviroment (Marine Enviroment 2015 IMO), possiamo definire le

principali cause d’inquinamento in ambito navale e le soluzione apportate dall’IMO stessa

per contrastarle. Acque di zavorra: Le acque di zavorra sono acque collocate in sentina (parte inferiore della stiva) il cui scopo è quello di abbassare il centro di massa e stabilizzare lo scafo.Gli scarichi delle acque di zavorra delle navi possono avere un impatto negativo sull'ambiente marino. Le navi da crociera, le grandi petroliere, e le navi cargo utilizzano una grande quantità di acqua di zavorra, che spesso è presa in una data regione costiera dove in precedenza hanno scaricato altre navi per poi essere scaricata in un altro porto, dove la stessa acqua scaricata sarà poi presa da un'altra nave, dando luogo ad un circolo vizioso. Gli scarichi di acqua di zavorra contengono in genere

una grande varietà di materiali biologici, come le piante, gli animali, i virus e i batteri.Questi materiali trasportano anche specie non autoctone in luoghi dove altrimenti non si troverebbero, causando in tal modo un danno molto grave all'ecosistema acquatico. Per evitare il trasferimento delle specie invasive e coordinare una risposta repentina ed efficace a queste invasioni è necessaria la collaborazione dei diversi governi, settori economici, associazioni non governative e la creazione di trattati organizzativi internazionali. Infatti nel Novembre del 1997 la International Maritime Organization ( IMO) stipulò in accordo con gli stati membri di quel periodo il famoso trattato : Guidelines for the control and management of ships' ballast water to minimize the transfer of harmful aquatic organisms and pathogens, in modo da dare una serie di linee guida sull’acqua delle zavorre. Successivamente nel 13 Febbraiodel 2004 venne indetta tra gli stati aderenti all’IMO la International Convention forthe Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments (BWMConvention), la quale richiedeva alle navi in possesso di acque di zavorra un piano per la gestione delle acque di zavorra stesse con delle procedure standard obbligatorie. Linee guida che continuarono ad essere innovate e modificate negli anni seguenti fino all’ultima assemblea della Marine Enviromental Protection Comitee (MEPC) avvenuta nell’ Ottobre del 2008 e che definì i 14 gruppi di linee guida in

vigore ancora oggi. Inquinamento acustico: il rumore prodotto da alcune imbarcazioni può percorrere lunghe distanze e le specie marine che fanno affidamento sui suoni per orientarsi (la cosiddetta ecolocalizzazione) ma anche per comunicare e per cibarsi possono essere danneggiate da questi suoni. Impatto delle navi sulla vita animale: i mammiferi marini, come le balene e i lamantini, rischiano di essere colpiti dalle navi, subendo gravi infortuni che in alcuni casi possono provocare la morte. Infatti, secondo uno studio del 2007, anche se una nave viaggia ad una velocità di soli 15 nodi, c'è il 79% di probabilità di una collisione con una balena, per cui lo scontro potrebbe essere letale. Un esempio notevole dell'impatto che possono avere le collisioni tra navi ed animali marini è fornito dalla balena franca nordatlantica, animale a rischio estinzione di cui restano solo tra i 300  e i 400 esemplari. La situazione è grave a tal punto che le morti per collisione sono

considerate una seria minaccia per l'estinzione della specie. Rifiuti liquidi( acque reflue) e spazzatura: le navi da crociera scaricano 255.000galloni USA (965m³) di acque di scarico ed altri 30.000 galloni USA (114m³) di acque contenenti feci a mare ogni giorno, per un totale di 285.000 galloni USA (1079m³) di acque reflue. Queste possono contenere batteri nocivi, agenti patogeni, virus,parassiti intestinali e nutrienti dannosi. Gli scarichi di liquami non trattati o trattati in modo inadeguato possono causare contaminazioni batteriche e virali di pesci e crostacei, la qual cosa risulta rischiosa per la salute pubblica. La presenza di sostanze come azoto e fosforo favorisce un'eccessiva fioritura delle alghe, che consuma

l'ossigeno in acqua e può portare alla morte dei pesci. Una grande nave da crociera(come per esempio una con 3000 passeggeri a bordo) può produrre dai 55.000 ai 110.000 litri al giorno di acque reflue.!Queste costituiscono la più grande fonte di inquinamento prodotta dalle navi da crociera (tra il 90 e il 95% del totale).!La spazzatura è spesso mortale e altamente dannosa per l’ecosistema marino.! Gli elementi più dannosi sono gli olii   trattati precedentemente e la plastica poiché entrambi sono difficilmente biodegradabili e causano danni irreversibili agli animali e all’ambiente marino con conseguenze spesso terribili. Per tenere sotto controllo lo scarico di rifiuti venne indetto dalla MARPOL Allegato V (Annex V) con regole e normative molto rigide vista la gravità del problema. Esso è valido per ogni tipo di nave e obbliga a scaricare in acqua solo certi tipi di rifiuti ( non dannosi per l’ambiente ovviamente) e ne vieta addirittura il rilascio in alcune zone denominate Zone Speciali tra le quali possiamo annoverare: il Mar Mediterraneo, Baltico, Rosso,

Nero, i Caraibi e le aree antartiche.

 Acqua delle sentine: su una nave spesso capita che l'olio fuoriesca dai motori e dalle

macchine oppure dalle sentine, la parte posta più in basso dello scafo, dove si raccolgono i vari scoli. L'olio, la benzina e i sottoprodotti della decomposizione biologica del petrolio sono nocivi per i pesci e per la fauna in generale, ma anche per l'essere umano se ingeriti. Gli effetti possono anche non essere mortali, ma gli organismi risultano comunque danneggiati da queste sostanze. In genere, una nave da crociera di grandi dimensioni produce 8 ton di acque di sentina oleose per 24 ore di attività.L’ argomento di questa tesi ovvero le vernici antifouling influiscono notevolmente, per quanto riguarda i gas di scarico e rilascio di inquinanti provenienti dalla composizione di vernici:

 Gas di scarico

 I gas di scarico delle navi sono ritenuti un'importante fonte di inquinamento atmosferico, con una contaminazione percentuale che va dal 18% al30% per quanto riguarda l’ossido di azoto e del 9% per l’ossido di zolfo. Dal 2010,più del 40% dell'inquinamento atmosferico sulla terra ferma proviene dalle navi. Lo zolfo nell'aria dà luogo alle piogge acide, le quali danneggiano raccolti e costruzioni.Se inalato, esso può causare problemi all'apparato respiratorio ed aumentare il rischio di attacchi di cuore. Secondo Irene Bloombing, una portavoce della coalizione ambientale europea "Mari a Rischio", il carburante utilizzato nelle petroliere e nelle  navi portacontainer contiene molto zolfo, ma è più economico rispetto a quello usato sul territorio nazionale. Una nave, secondo quanto afferma la donna, emette circa 50volte più zolfo di un camion per tonnellata di carico trasportato. Città statunitensi come Long Beach, Los Angeles, Houston, Galveston e Pittsburgh vedono i traffici marittimi più intensi del loro paese e vani sono stati finora i tentativi delle amministrazioni locali di ripulire l'aria. I crescenti scambi commerciali tra Stati Uniti d'America e Cina stanno inoltre aumentando il numero di navi nell' Oceano Pacifico e perciò esasperando i problemi ambientali già presenti. Quasi il 4% del fenomeno noto come riscaldamento globale è causato dalle navi. L'inquinamento atmosferico è infatti alimentato anche dai motori Diesel di molte navi, in cui viene bruciato olio combustibile con alti contenuti di zolfo: ciò sprigiona quantità di diossido di zolfo,ossidi di azoto e polveri sottili, che vanno ad aggiungersi al monossido di carbonio,anidride carbonica e idrocarburi. Tali emissioni sono state dichiarate dall' EPA(Environmental Protection Agency) come cancerogene. L'EPA riconosce che le  emissioni dei motori Diesel marini contribuiscono non solo a mantenere bassa la qualità dell'aria, ma anche a portare altri effetti negativi quali la caligine, le piogge acide, l'eutrofizzazione e la nitratazione. La stessa EPA stima che i grandi motori Diesel delle navi rappresentavano circa l'1,6% delle emissioni di ossido di azoto di origine mobile e il 2,8% delle emissioni di polveri sottili di origine mobile negli Stati Uniti d'America nel 2000.Questi rivestimenti impediscono e riducono l’attaccamento dei “foulers” alla nave riducendone così la resistenza al moto e garantendo risparmi di carburante con conseguente abbassamento delle emissioni di GHG e quindi di CO2. Quindi queste vernici non solo garantiscono un enorme vantaggio economico e prestazionale come vedremo ma alcune sono anche ecofriendly, contribuendo a migliorare la situazione ambientale del nostro pianeta che,senza l’impegno di provvedimenti e decisioni concrete, tenderà ad aggravarsi sempre di più.Attualmente la situazione non è per nulla confortante infatti come riportato nel capitolo“Trasporti” (Sims et al., 2014) del report Climate Change 2014: Mitigation of ClimateChange emesso dall’Intergovernment Panel on Climate Change (IPCC) il settore dei trasporti produce 7 GtCO2eq/year (ovvero 7 miliardi di tonnellate di CO2 equivalente all’anno) ed è responsabile del 23% (quasi un quarto) delle emissioni totali di CO2. Senza un’aggressiva e sostenuta politica di riduzione le emissioni legate ai trasporti sono destinate ad aumentare irreversibilmente fino a raggiungere le 12 GtCO2eq/year nel 2050. Questo perché i trasporti sono un elemento chiave per le attività economiche e la connessione della nostra società, soprattutto quelli marittimi con i quali si trasportano l’80 % delle merci trafficate nel mondo (da petroliere a portacontainer).Il commercio e l’industria globale ruotano intorno all’efficienza dei trasporti, e la loro domanda per il trasporto di persone e di merce è in continuo aumento con conseguente aumento delle emissioni di GHG (Green House Gas: CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6) e aggravamento dei problemi ambientali che ne derivano.Quelli marittimi producono il 10 % dei consumi totali generati dal settore trasporti (che attualmente è 7 GtCO2eq/year), numero per niente trascurabile in quanto circa il 75% è  dovuto ai trasporti su strada, ponendo il trasporto navale come seconda forza per influenza.Gli altri consumi sono relativi all’aviazione, ferrovie ed emissioni indirette da generatori elettrici; invece le emissioni indirette dalla produzione di carburante, costruzione dei veicoli e delle infrastrutture sono stati esclusi.Per ridurre le emissioni nel settore navale, si sta promuovendo una ‘’smart steaming’’ o propulsione intelligente, la quale prevede l’utilizzo di navi nuove che usufruiscono di carburante alternativi e innovativi come LNG (Gas Naturale Liquefatto) ,per le navi più grandi (petroliere e portarinfuse) , e anche di biocarburanti, gas naturali e idrogeno per le imbarcazioni più piccole (uso personale e piccoli commerci) in modo da ridurre i carburanti maggiormente dannosi per l’ambiente e che producono in maggioranza CO2.Ogni nave ha la propria quantità di CO2 emessa in base alle proprie dimensioni, il carburante utilizzato , la propria velocità di lavoro , elementi che dipendono tutti dall’utilizzo che si va a fare dell’imbarcazione stessa , come vediamo i traghetti per passeggeri sono i più inquinanti e hanno la maggiore quantità di CO2 prodotto per chilometro , mentre tra le navi da merci spiccano le ‘’ roll on/roll off ferry ‘’ ovvero navi traghetto specializzate nel trasporto merci.Il concetto fondamentale rimane quello che diminuendo l’attrito della nave con l’acquarisparmio energia e di conseguenza emetto meno CO2eq , un ruolo fondamentale dunque è ricoperto anche dalle vernici antifouling, le quali permettono consistenti risparmi annuali di carburante con conseguente riduzione della resistenza al moto grazie all’eliminazione del biofouling dalla nave e delle emissioni di GHG , anche se alcune possono causare inquinamento delle acque a causa della presenza di alcuni biocidi dannosi per l’ecosistema marino ( ad esempio il Rame).

Inquinamento proveniente dalle vernici:

 per vernice solitamente si intende un materiale liquido che può essere spruzzato o applicato sopra una superficie solida sulla quale successivamente si secca e indurisce così da formare un film omogeneo di uno certo spessore. Esse sono costituite da diversi materiali ognuno dei quali viene inserito nella pittura per conferirgli una certa proprietà.

La composizione base delle pitture è caratterizzata da tre elementi fondamentali a da altri addittivi presenti in minor quantità.Queste tre componenti fondamentali sono il legante , il colorante e il solvente che è l’unico dei tre ad evaporare una volta applicata la mano di vernice e la cui unica utilità è quella di facilitare l’applicazione iniziale. Solitamente la verniciatura dello scafo di una nave è eseguita con un primer, un anticorrosivo e un antifouling.La nostra tesi riguarda unicamente il comportamento dello strato più superficiale ovvero le pitture antifouling. Queste come spiega Candries M. nella sua tesi Drag,boundary layer and roughness charateristics of marine surfaces coated withantifoulings (Candries M. 2001) fin dalla fine del 1800 venivano mischiate con sostante tossiche in modo da uccidere all’istante gli organismi che provavano ad  insediarsi sullo scafo ma ai tempi avevano poca durata e un’elevatissima tossicità poiché spesso venivano utilizzati rame , arsenico e mercurio come biocidi e diversi olii, nafte , e benzene come leganti. I livelli di inquinamento erano altissimi e la durata veramente ridotta (12-24 mesi) dunque per gli anni successivi si cercò di trovare un metodo di rilascio costante e duraturo.

Vennero così inventate intorno al 1975 le vernici a base di Tributilstagno (TBT) le quali garantivano una durata di ben 5 anni e un’efficacia costante sia nel periodo di fermo che durante il moto della nave , ma essendo costituite da composti organostannici crearono negli anni successivi enormi danni ambientali e ecologici tanto da non solo uccidere all’istante molte specie di organismi ma rendendo anche sterili e facendo cambiare sesso ad alcuni organismi come le ostriche impossibilitando così la loro riproduzione e portandole in alcune zone addirittura all’estinzione.Queste conseguenze non furono per nulla trascurabili e le vernici a base di TBT con il tempo vennero eliminate dal commercio. La loro eliminazione iniziò in Giappone già nel 1992 dove ne venne vietata l’applicazione già nel 1992 per poi proseguire con il divieto emanato dalla MEPC che proibì l’applicazione delle vernici con composti organostannici dal 2003 e il divieto totale della presenza di questi su scafi navali dal 2008.Così fin dagli inizi del nuovo millennio si iniziarono a sperimentare nuove tecnologie per le pitture antifouling con la presenza di componenti non tossici (foul release) o biocidi dei quali le conseguenze sull’ambiente marino sono ancora sotto ricerca e studio.Prima di vedere nel dettaglio le vernici vediamo che cosa è questo tanto nominato biofouling e come influisce sulla resistenza al moto della nave.

FONTE WEB DI PUBBLICO DOMINIO

ARIA IN CARENA

Tecnica: Carene ad aria

                                  

Con la tecnologia delle microbolle d’aria iniettate forzatamente sottocarena, che è cosa diversa dalle cavità ricavate nel volume della carena (ACS), è possibile lubrificare il fondo piatto ed esteso di barche lente come le navi da carico. La Mitsubishi, uno dei colossi mondiali dello shipping, ha messo a punto un sistema per la lubrificazione della carena recentemente installato anche su due navi da crociera AIDA Cruises ( 2016 e 2017). Si chiama MALS, acronimo che sta per “Mitsubishi Air Lubrication System”. Si noti il sistema di pompaggio dell’aria che viene iniettata quasi a metà nave, dove la parte piatta del fondo diventa sufficientemente larga. La stessa aria scorre poi sul fondo fino a sfuggire via lateralmente in prossimità del propulsore, senza così interferire con il suo funzionamento. Per evitare che l’aria iniettata sul fondo sfugga lateralmente nel suo fluire verso poppa, e rendere più efficiente la lubrificazione ad aria sulle grandi navi, è possibile applicare una sorta di binari che contengano l’aria all’interno di canali longitudinali. Oppure combinare la semplice lubrificazione con il sistema delle Air Cavity.

Ridurre i consumi, migliorare le prestazioni: le soluzioni per perseguire questi obiettivi su una barca sono molteplici. Tra queste, la soluzione di interporre dell’aria fra la superficie di carena e l’acqua, al fine di ridurre la resistenza d’attrito, è uno degli espedienti più intuitivo e conosciuto ma, al tempo stesso, di non facile realizzazione pratica. Prima però di esaminare alcune delle soluzioni ideate per questo scopo, iniziamo con il capire perché, interponendo l’aria fra l’acqua e una superficie, l’attrito viene ridotto. L’aria, oltre ad essere un fluido circa 1.000 volte meno denso dell’acqua, è anche un fluido molto meno viscoso dell’acqua, caratteristica fisica che permette un più facile scorrimento di un oggetto attraverso il fluido stesso. Tale facilità di scorrimento è tecnicamente indicata come minor attrito o, più precisamente, minor attrito viscoso, cioè quel particolare tipo di attrito che caratterizza il moto dei fluidi (vedi box di approfondimento). Per meglio comprendere il fenomeno basta immaginare uno stesso oggetto immerso non nell’acqua ma nel miele, un fluido dolce e gradevole ma molto più denso e viscoso dell’acqua: è facile intuire che sarà molto difficoltoso farlo scorrere poiché l’attrito dovuto alla elevata viscosità sarà enorme. Se allora, tornando alla nostra carena, cioè la parte dello scafo a diretto contatto con l’acqua, in qualche modo si inserisce dell’aria tra superficie e acqua, lo scorrimento di quest’ultima sulla superficie di carena sarà facilitato e si otterrà quello che in gergo è definita una “lubrificazione” ad aria. D’altronde la lubrificazione altro non è che l’interposizione di una sostanza “lubrificante” che riduce l’attrito tra due superfici che scorrono reciprocamente. Precisiamo però una cosa: comunemente, quando si parla di attrito, le superfici che scorrono reciprocamente sono quelle di due corpi solidi. Nel caso di fluidi il fenomeno è un po’ più complesso ma possiamo semplificarlo ed immaginare che il fluido più viscoso e più denso si comporti come un solido, mentre il fluido meno viscoso e meno denso diventa il lubrificante. Lubrificare la carena con l’aria è però una cosa semplice a dirsi ma estremamente complicata a farsi, soprattutto per gli aspetti

critici legati alla realizzazione di un sistema efficiente che consenta la presenza stabile di aria sulla superficie di carena. Ecco allora le tante soluzioni per far scorrere o per intrappolare l’aria sotto lo scafo, ad esempio generando delle bolle di aria poi intrappolate in apposite cavità create nella carena, oppure intercettando l’aria sopra la superficie ed incanalandola sotto carena, oppure iniettando microbolle sotto carena attraverso circuiti ad aria compressa. Si tratta di una miriade di soluzioni studiate e sviluppate nel tempo da quando, alla fine del 1800, il padre dell’idrodinamica William Froude, insieme allo scienziato svedese Gustaf De Laval, studiarono per primi gli effetti positivi della presenza di aria sul fondo di una carena ai fini della diminuzione dell’attrito e ne ipotizzarono l’utilizzo. Se dal punto di vista teorico tutto è estre- mamente semplice, la realtà è ben diversa e le complicazioni di ordine pratico e funzionale sono tali da aver determinato nel tempo solo applicazioni sperimentali o parziali, come possono essere i gradini sul fondo di una carena planante (step o redan) oppure gli scarichi del motore convogliati sul fondo dello scafo. Ma il progresso va avanti e le conoscenze aumentano. Vediamo allora quali sono le modalità di applicazione di questa tecnologia, modalità oggi riconducibili fondamentalmente a due: - aria intrappolata (ovviamente in modo parziale) in apposite ca- vità sotto carena; - aria che viene fatta scorrere sulla superficie della carena.

La lubrificazione per mezzo di aria intrappolata in cavità: le Air Cavity Ship (ACS) È stata probabilmente la modalità più studiata e sperimentata negli anni: in questa soluzione la carena ha il fondo opportunamente sagomato al fine di generare una cavità in cui una bolla di aria, generata ed alimentata artificialmente con l’immissione forzata dall’esterno, rimane intrappolata . La pressione dell’aria all’interno della cavità è leggermente più elevata della pressione atmosferica così da riempire il volume ricavato sul fondo, senza però generare forze di portanza e permettendo così alle linee di poppa di restare sempre in contatto con l’acqua, a differenza di altri sistemi simili che invece generano un cuscino d’aria che innalza e sostiene la barca, sistemi come i SES (Surface Effect Ship) o gli hovercraft. Le linee esterne di un ACS, specie quelle di prua, restano invece le stesse di una imbarcazione convenzionale, permettendo di mantenere pressoché immutate le caratteristiche di tenuta al mare e di manovrabilità. Le linee del fondo, al contrario, sono diverse, complesse e tormentate, al fine di creare le condizioni affinché si generi e si mantenga la bolla d’aria nella cavità

artificiale. Le linee di poppa devono poi consentire la sfuggita dell’aria in eccesso, senza creare resistenze addizionali dovute alla presenza di barriere di contenimento dell’aria. Inoltre, devono dirigere questa aria in eccesso senza che essa investa l’elica, che ne soffrirebbe perdendo parte della spinta. La geometria del fondo è quindi fondamentale al fine di alloggiare la bolla d’aria e ridurre le componenti di resistenza addizionali. Dopo una lunghissima fase di studio e sperimentazione, le prime imbarcazioni ACS sono state costruite negli anni ’90. Questi mezzi hanno confermato diminuzioni di resistenza intorno al 10, 15% per le navi dislocanti e fino al 40 % per le carene veloci, semiplananti e plananti. Tale guadagno a fronte di un assorbimento di potenza totale della nave, necessario a mantenere aria nella cavità, inferiore al 3, 4%. Inoltre, l’aria presente nella cavità sotto la carena si comporta come un cuscino che smorza i moti verticali, determinando miglioramenti nelle qualità di tenuta al mare e manovrabilità sulle onde. Oggi le carene ACS sono una realtà specie nel piccolo naviglio minore veloce, piccoli traghetti, piccole unità militari  dove sono evidenti i benefici in termini di diminuzione dei consumi in rapporto al carico imbarcato e le miglia percorse, benefici che aumentano al crescere della velocità . Allo stesso tempo ci sono promettenti sperimentazioni anche su unità molto più grandi, come le grosse e lente navi da carico . Anche nel campo delle carene plananti per uso diportistico ci sono interessanti tentativi di applicazione di questa tecnologia: la società norvegese ESI (Effect Ship International), leader mondiale di questa tecnologia messa a pun-

to con la denominazione di Air Supported Vessel (ASV) e titolare di numerosi brevetti in merito, ha progettato un motoryacht di 20 metri a sostentamento ad aria che poi è stato sottoposto ad un intenso programma di test sperimentali, sia con modelli in vasca navale che al vero con un prototipo in scala reale . I risultati hanno confermato riduzioni di resistenza in alcuni casi fino al 50%, valore che dimostra chiaramente che la lubrificazione ad aria può funzionare. Inoltre questi dati, uniti ad un risultato estetico e funzionale dello yacht di tutto rispetto, hanno valso al progetto Air Supported Vessel l’award per l’innovazione per l’anno 2011. Nel 2016, i cantieri Danesi Tuco Marine Group in collaborazione con i norvegesi di ESI, hanno applicato la tecnologia ASV a piccole unità veloci da lavoro, costruendo una prima barca di 17.7 metri con la quale hanno riscontrato, con due IPS 600, velocità di punta di quasi 40 nodi . Ma, soprattutto, sono stati riscontrati consumi estremamente ridotti (3 litri/miglio a 25 nodi e 3.3 a 30 nodi) e notevoli doti di tenuta al mare e morbidezza nell’impatto con l’onda grazie al “cuscino” d’aria intrappolato nella cavità.tutto questo potrà avere interessanti e valide applicazioni per barche fino a 45-50 metri utilizzate come mezzi salvataggio e motovedette, fast workboat, etc.

La lubrificazione per scorrimento d’aria In questa seconda modalità di lubrificazione la carena non pre- senta delle cavità in cui l’aria viene intrappolata, ma scorre sulla superficie. Si tratta di un sistema complessivamente meno efficace del precedente perché l’aria non scorrerà in modo uniforme sulla superficie a causa dello spessore ridotto del volume di aria di contatto e della mancanza di elementi laterali di contenimento dell’aria che tende normalmente a sfuggire lateralmente. Si creeranno così zone in cui l’acqua si sostituisce all’aria e, di conseguenza, la lubrificazione diminuisce. Ma non è detto che tale sistema sia sempre meno efficiente del precedente se consideriamo ciò che si spende nel complesso, sia per iniettare sottocarena grossi volumi d’aria, sia per la complessità di una carena ACS ed i maggiori costi di costruzione. Per far scorrere sotto la carena un sottile velo di aria esistono infatti anche sistemi che non richiedono energia esterna: si parla in questo caso di convogliamento dell’aria, che può essere anche quella dei gas di scarico sommersi, oppure di ventilazione, come nel caso dei redan. Ma andiamo con ordine e partiamo dalla metodologia delle microbolle, un sistema con cui l’aria è iniettata forzatamente sottocarena attraverso dei piccoli fori distribuiti lungo una sezione trasversale nella zona di prora. La velocità contenuta, parliamo di navi da carico che viaggiano a 10, 15 nodi, permette alle bolle di aria di scorrere verso poppa sul fondo piatto e largo della nave che, a sua volta, consente all’aria di distribuirsi abbastanza omogeneamente senza sfuggire via lateralmente . Con questo sitema non si ottengono risparmi considerevoli, siamo sotto al 10%, ma, soprattutto, ci sono una serie di problemi legati all’acqua di mare in cui la carena è immersa, ad esempio per mantenere perfettamente puliti, e quindi efficienti, i piccoli ugelli da cui fuoriesce l’aria o per mantenere sufficientemente pulita la superficie di scorrimento. Un po’ più efficiente, si arriva a risparmi del 15%, e meno problematico è il sistema dei canali d’aria longitudinali sul fondo della carena in cui, sempre da prora, l’aria viene immessa senza necessità di generare bolle troppo piccole. Questi canali sono realizzati, molto semplicemente, installando sul fondo una sorta di binari longitudinali che evitano all’aria contenuta nei canali di fuoriuscire lateralmente nel suo fluire verso poppa . Si tratta di una tecnologia interessante anche perché è facilmente applicabile su navi esistenti, costruendo i binari longitudinali esternamente alla carena. Ma nel diporto nautico la possibile applicazione di queste metodiche è limitata ad alcune tipologie di carene dislocanti che, oltre alla bassa velocità, devono avere una carena semplice e con una consistente zona di fondo piatto. La lubrificazione ad aria può però essere realizzata, come dicevamo prima, senza utilizzare energia esterna, senza compressori che sparano aria sott’acqua. Parliamo di sistemi già largamente diffusi ed utilizzati come i redan oppure gli scarichi del motore convogliati sul fondo dello scafo. Iniziamo dai redan. Detti anche step (scalino in inglese) si tratta di veri e propri gradini sul fondo di una carena planante, cioè una carena veloce che emerge sull’acqua scivolandoci sopra. Proprio la velocità permette all’acqua di distaccarsi in corrispondenza del gradino, laddove la superficie planante sale bruscamente verso l’alto. Si viene così a creare una bolla d’aria a ridosso del gradino stesso che si estende verso poppa di qualche centimetro o di qualche metro, a seconda della velocità, delle dimensioni della barca, della forma del gradino, etc. È evidente che la velocità sostenuta è l’ingredien- te fondamentale per il funzionamento dei redan. Non a caso i redan sono sempre presenti sui motoscafi da competizione o sugli scafi degli idrovolanti, anche se, in questi casi, c’è da precisare che la riduzione della superficie bagnata, e quindi della resistenza d’attrito, è solo uno degli effetti di questo dispositivo che permette, soprattutto, un miglior controllo dell’assetto e, più in generale, una migliore stabilità dinamica . Sfruttare la velocità della barca

per convogliare dall’esterno più aria possibile sotto la carena in corrispondenza dei redan è un’idea che ha trovato, e trova ogni giorno, diverse soluzioni che vanno a modificare la geometria dei redan, della carena, addirittura delle murate al fine di creare un canale che convogli l’aria sottocarena. Si tratta di soluzioni, a volte di dubbia efficacia, che comunque forniscono tutte un beneficio molto parziale, almeno in termini di riduzione della resistenza di attrito, quantificabile in qualche punto percentuale. Infatti mantenendoci alle normali velocità di utilizzo di una barca, velocità di 20, 30 nodi massimo, la bolla di aria generata dai redan necessariamente avrà un’estensione limitata. In tutti i casi sono molto più interessanti, come dicevamo prima, i benefici che si ottengono in termini di migliore stabilità dinamica. Una soluzione diversa, che tenta di superare questi limiti, viene dal gruppo Bénéteau che, da alcuni anni, propone su alcune delle sue barche plananti a motore dai 7 ai 12 metri un sistema che, per mezzo di due prese d’aria poste a murata, convoglia aria sul fondo. Con tale sistema, brevettato e denominato “Air Step”, l’aria va a lubrificare in modo naturale il terzo poppiero del fondo della carena opportunamente conformato per contenere l’aria stessa . Oltre alla riduzione dell’attrito ed il conseguente miglioramento delle performance, Bénéteau dichiara anche un miglioramento delle doti di tenuta al mare della barca (moti più dolci) dovuto al cuscino di aria creato a poppa. Come si ve- de si tratta di una soluzione intermedia tra la lubrificazione per scorrimento e la tecnologia delle Air Cavity Ship di cui abbiamo parlato precedentemente. Sempre rimanendo su sistemi di lubrificazione ad aria che non richiedono ulteriore energia esterna per il loro funzionamento, accenniamo infine agli scarichi del motore convogliati sul fondo, un espediente che spesso dà benefici davvero molto limitati, almeno in termini di riduzione dell’attrito e miglioramento delle performance. Ciò è dovuto soprattutto alla limitatezza dell’area di fondo che può essere interessata dallo scorrimento dell’aria. Spesso infatti i gas di scarico vengono convogliati sul fondo più per ridurre il livello di rumorosità che per reali motivi di miglioramento delle performance, che possono addirittura peggiorare con facilità se i gas di scarico non sono ben distribuiti o vanno ad interessare le eliche innescando problemi di cavitazione. Ecco il motivo per il quale gli scarichi sommersi sono generalmente posizionati molto lateralmente . Anche in quest’ultimo caso è fondamentale avere una velocità sostenuta che permette una diminuzione locale della pressione dell’acqua di entità tale da consentire la fuoriuscita del gas di scarico. Non è quindi un caso se queste barche hanno un doppio sistema di scarico dei gas di combustione, uno immerso, utilizzato a barca ferma o a moto lento, ed uno sommerso quando la barca è in velocità. Per concludere accenniamo ai materiali idrofobici o super idrofobici, l’ultima frontiera della lubrificazione di una superficie di carena. Si tratta di materiali in grado di riprodurre l’effetto delle foglie di loto che, rivestite da cristalli di cera idrofobica di dimensioni nanometriche, rimangono asciutte dopo una giornata di pioggia. Siamo quindi nel campo delle nanotecnologie, quelle tecniche che permettono la manipolazione della materia a livello atomico e molecolare. È grazie a queste tecniche che, ad esempio, possiamo beneficiare delle padelle antiaderenti oppure

L’attrito viscoso Quando un corpo si muove all’interno di un fluido, esso è soggetto ad un particolare tipo di attrito, detto attrito viscoso, dovuto all’interazione del corpo stesso con le molecole di fluido. Nel caso dell’attrito viscoso sono infatti le forze di coesione interne al fluido (forze viscose) a determinare l’attrito che si sviluppa in una piccola fascia di acqua adesa alla superficie di carena detta “strato limite”. È in questo sottile strato d’acqua, uno strato che per una nave è dell’ordine di grandezza di qualche centimetro, che si generano gli sforzi viscosi tra le molecole di fluido, cioè, detto in altre parole, l’attrito. È possibile immaginare lo strato limite composto da tanti sottilissimi strati di acqua che, come dei veli, scorrono uno sull’altro, a partire dallo strato più prossimo alla superficie della carena, adeso alla stessa e che quindi si muove alla sua stessa velocità. Poi, pian piano che ci si allontana dalla superficie, questi strati scorrono con una velocità man mano decrescente fino ad arrivare all’acqua indisturbata a qualche centimetro dalla superficie. L’entità dell’attrito viscoso per una carena è funzione quindi della superficie a contatto con il fluido e della velocità con cui essa si muove, ma anche delle caratteristiche proprie di viscosità del fluido che, a loro volta, sono molto dipendenti dalla temperatura. Senza addentrarci in calcoli di difficile comprensione, basti pensare che per trascinare con moto uniforme una lastra piana della superficie complessiva di 10 metr i quadrati alla velocità di 10 nodi in aria, supponendo che la lastra “galleggi” nel fluido aria, basta esercitare una trazione inferiore al chilogrammo, mentre se la lastra è immersa in acqua sarà necessaria una trazione di quasi 400 chilogrammi, circa 400 volte di più. Tale valore poi crescerà di circa il 10% se, dalla temperatura di riferimento di 20°, ci si abbassa di una decina di gradi passando a 10°. Se invece aumentiamo la velocità, passando da 10 a 20 nodi, la forza necessaria per trainare la nostra lastra in aria passerà a quasi 3 kg in aria e oltre 1400 kg in acqua. È evidente allora che, riuscendo a tenere anche una piccola parte della superficie di carena a contatto con l’aria, si otterrà una sensibile diminuzione di resistenza perché l’attrito si svilupperà prevalentemente nel fluido meno denso e viscoso, cioè l’aria.

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