چگونه روانکاری بدنه کشتی با ریزحباب، مقاومت کششی کشتیرانی تجاری را تا ۱۰٪ کاهش می‌دهد

در تاریخ ۲ سپتامبر ۲۰۲۶، شرکت فناوری دریایی اِوِرلِنس (Everllence) یک مقاله سفید منتشر کرد که جزئیات یک سیستم جدید «روانکاری هوای پشتیبانی‌شده توسط موتور» (ESAL) را شرح می‌داد. این سیستم به گونه‌ای طراحی شده است که هوا را مستقیماً از موتور اصلی کشتی به بدنه هدایت کند. این انتشار نشان‌دهنده یک تغییر در رویکرد معماران دریایی به کاهش مقاومت کششی است؛ به طوری که پیشرانش کشتی و مدیریت لایه مرزی به جای سیستم‌های جداگانه، به عنوان یک مدار پنوماتیک یکپارچه در نظر گرفته می‌شوند. این شرکت اظهار داشت: «با توجه به اینکه این گذار هنوز در حال تکامل است، اِوِرلِنس استدلال می‌کند که پیشرفت‌های بهره‌وری انرژی، مطمئن‌ترین مسیر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و هزینه‌ها را ارائه می‌دهند.» این شرکت افزایش بهره‌وری خالص تا ۶٪ را پیش‌بینی می‌کند.[1]

اعلامیه اِوِرلِنس در حالی منتشر می‌شود که بخش گسترده‌تر روانکاری هوا از یک آستانه تجاری عبور کرده است. در ۳ آگوست ۲۰۲۶، شرکت سیلوراستریم تکنولوژی (Silverstream Technologies) مستقر در لندن تأیید کرد که سیستم‌های ریزحباب آن اکنون به طور فعال بر روی ۱۶۴ کشتی در حال کار هستند، که تقریباً چهار برابر پایگاه نصب فعال آن از ۴۴ کشتی در سال ۲۰۲۳ است. دو هفته بعد، شرکت کارنیوال کورپوریشن (Carnival Corporation) قراردادی را برای نصب این فناوری بر روی سه کشتی کروز ۲۳۰٬۰۰۰ تنی کلاس اِیس (Ace Class) که در حال حاضر در کارخانه کشتی‌سازی فینکانتیری (Fincantieri) در ایتالیا در دست ساخت هستند، امضا کرد. اولین کشتی، کارنیوال دستینی (Carnival Destiny)، قرار است در سال ۲۰۲۹ تحویل داده شود.[2][3]

مکانیسم زیربنایی یک سیستم روانکاری هوا (ALS) از نظر مفهومی ساده، اما از نظر اجرای هیدرودینامیکی بسیار پیچیده است. این سیستم از کمپرسورهای داخلی برای تزریق هوای فشرده از طریق مجموعه‌ای از واحدهای رهاسازی که در امتداد کف صاف بدنه کشتی قرار گرفته‌اند، استفاده می‌کند. این فرآیند یک «فرش» پیوسته از ریزحباب‌ها – که معمولاً حدود ۰.۱ میلی‌متر قطر دارند – ایجاد می‌کند که با جریان به سمت عقب حرکت می‌کند. با وارد کردن گاز به لایه مرزی مایع، این سیستم چگالی کلی آب در تماس مستقیم با فولاد را کاهش می‌دهد، انتقال تکانه را تغییر می‌دهد و عدد رینولدز جریان را کاهش می‌دهد.[2][5]

برای کشتی‌های تجاری بزرگ و نسبتاً کم‌سرعت مانند فله‌برها، تانکرهای گاز طبیعی مایع (LNG) و حمل‌کننده‌های خودرو (رول-آن/رول-آف)، اصطکاک پوسته، جریمه هیدرودینامیکی غالب است. در حالی که مقاومت ناشی از ایجاد موج و مقاومت شکلی توسط هندسه ثابت کشتی و وضعیت سطح اقیانوس تعیین می‌شود، مقاومت اصطکاکی بین ۶۰٪ تا ۸۰٪ از کل پروفایل مقاومت کششی را تشکیل می‌دهد. با جدا کردن فیزیکی بدنه از آب دریا با یک لایه پنوماتیک نازک، روانکاری هوا مستقیماً این اصطکاک را هدف قرار می‌دهد، بدون اینکه نیاز به اصلاحات ساختاری در معماری اساسی کشتی باشد.[4][5][6]

مهندسان دریایی این سیستم‌ها را به سه معماری اصلی طبقه‌بندی می‌کنند: کاهش مقاومت با ریزحباب (MBDR)، کاهش مقاومت با لایه هوا (ALDR)، و کاهش مقاومت با حفره هوا (ACDR). MBDR، که پرکاربردترین روش مورد استفاده توسط شرکت‌هایی مانند سیلوراستریم و آلفا لاوال (Alfa Laval) است، متکی بر حباب‌های پراکنده تزریق شده در امتداد بدنه است. ALDR تلاش می‌کند تا یک لایه گازی کاملاً پیوسته تشکیل دهد، در حالی که ACDR هوا را در فرورفتگی‌های فیزیکی ساخته شده در کف کشتی به دام می‌اندازد. مدل «اوشن‌گلاید» (OceanGlide) آلفا لاوال از نوسان‌سازهای سیالاتی – کانال‌هایی بدون قطعات متحرک – برای توزیع یکنواخت هوا در نوارهای متمایز استفاده می‌کند و قدرت کمپرسور مورد نیاز برای حفظ لایه را به حداقل می‌رساند.[4][5]

دوام هر نصب ALS به یک تعادل ترمودینامیکی دقیق بستگی دارد: کاهش قدرت پیشرانش موتور اصلی باید به طور قابل توجهی بیشتر از بار الکتریکی مصرفی توسط کمپرسورهای کمکی تولیدکننده حباب باشد. شرکت مشاوره مهندسی دریایی جی‌ال‌او مارین (GLO Marine) خاطرنشان می‌کند: «توجیه اقتصادی به این بستگی دارد که کاهش قدرت پیشرانش از انرژی مورد نیاز برای تأمین هوا فراتر رود.» این همان معادله خاصی است که سیستم جدید ESAL اِوِرلِنس تلاش می‌کند تا با گرفتن هوا از موتور اصلی، آن را بهینه کند و از نظر تئوری نیاز به کمپرسورهای مستقل سنگین را دور بزند.[1][8]

هنگامی که تعادل قدرت با موفقیت تنظیم شود، صرفه‌جویی تأیید شده در مصرف سوخت قابل توجه است. آزمایش‌های دریایی و استقرار اولیه ناوگان، کاهش خالص مصرف سوخت را معمولاً در محدوده ۴٪ تا ۱۰٪ تأیید می‌کنند، که به شدت به شکل بدنه و پایداری سرعت کروز کشتی بستگی دارد. برای یک تانکر LNG عظیم ۱۷۴٬۰۰۰ متر مکعبی یا یک حمل‌کننده خودروی ۹٬۰۰۰ نفری مانند گراند اورینته (Grande Oriente) که اخیراً توسط گروه گریمالدی (Grimaldi Group) تحویل داده شده است، کاهش ۷٪ تا ۱۰٪ تقریباً معادل ۱ مگاوات صرفه‌جویی خالص در قدرت است که هم هزینه‌های مستقیم سوخت و هم خروجی دی‌اکسید کربن مرتبط را کاهش می‌دهد.[2][7]

فشارهای نظارتی، گذار از پروژه‌های آزمایشی به مشخصات استاندارد کشتی‌سازی را تسریع می‌کند. سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) به طور رسمی روانکاری هوا را به عنوان یک «فناوری نوآورانه با بهره‌وری انرژی» رده B-1 به رسمیت می‌شناسد. از آنجایی که فرش حباب، قدرت شفت مورد نیاز برای حفظ یک سرعت معین را کاهش می‌دهد، مستقیماً شاخص بهره‌وری انرژی کشتی موجود (EEXI) و رتبه‌بندی سالانه شاخص شدت کربن (CII) کشتی را بهبود می‌بخشد – هر دوی اینها معیارهای انطباق اجباری برای کشتی‌های با تناژ ناخالص بیش از ۵٬۰۰۰ تن از سال ۲۰۲۳ شدند.[4][6]

با وجود دستاوردهای اثبات شده، این فناوری نسبت به شرایط عملیاتی بسیار حساس باقی می‌ماند. یک فرش حباب که در طول یک آزمایش دریایی آرام کاملاً پایدار می‌ماند، می‌تواند در امواج سنگین یا آب‌های کم‌عمق شکسته یا کاملاً از بین برود. اگر آبخور کشتی به طور قابل توجهی تغییر کند، یا اگر ریزحباب‌ها قبل از رسیدن به بخش عقب در گوشه‌های بیلبج (bilge) از بدنه جدا شوند، کسر فضای خالی محلی کاهش یافته و اصطکاک باز می‌گردد. علاوه بر این، لایه هوا گاهی اوقات می‌تواند تعامل نامناسبی با جریان ورودی پروانه داشته باشد، میدان دنباله را تغییر داده و به طور بالقوه بر عملکرد مانور تأثیر بگذارد.[5][7][8]

نگهداری متغیر دیگری را به کل هزینه مالکیت اضافه می‌کند. نازل‌های رهاسازی هوا باید بدون مانع باقی بمانند تا عملکرد داشته باشند؛ آلودگی زیستی دریایی یا آسیب فیزیکی به واحدهای تزریق می‌تواند به شدت کارایی سیستم را کاهش دهد. در حالی که این فناوری حالت‌های خرابی جدیدی را برای موتور اصلی یا سیستم سوخت اولیه ایجاد نمی‌کند، یک آرایه ALS آلوده نیاز به تمیزکاری زیر آب یا سرویس‌دهی در حوضچه خشک دارد تا پروفایل کاهش مقاومت کششی پایه کشتی بازیابی شود.[7]

مسیر روانکاری بدنه نشان می‌دهد که چگونه تحقیقات نظامی گهگاه به صنعت تجاری نفوذ می‌کند. این مفهوم که در اصل توسط نیروی دریایی ایالات متحده در دهه ۱۹۵۰ به عنوان روشی برای پوشاندن صوتی کشتی‌های جنگی از شناسایی سونار مورد بررسی قرار گرفت، به دلیل هزینه‌های انرژی بسیار بالای کمپرسورهای اولیه، برای دهه‌ها به فراموشی سپرده شد. امروزه، دینامیک سیالات پیشرفته و ساخت دقیق آن را به یک اهرم اصلی کربن‌زدایی برای زنجیره تأمین جهانی تبدیل کرده است.[4][5]

همانطور که شرکت‌های بزرگ کشتیرانی با مواجهه با سیستم تجارت انتشار گازهای گلخانه‌ای اتحادیه اروپا (ETS) و الزامات سختگیرانه‌تر کربن سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) روبرو می‌شوند، تمرکز صنعت از تأیید تجربی به ادغام در سطح ناوگان تغییر می‌کند. مانع عملیاتی بعدی این نیست که ثابت کنیم روانکاری هوا در تئوری کار می‌کند، بلکه اطمینان از این است که لایه‌های مرزی پنوماتیک ظریف می‌توانند دهه‌ها ترانزیت اقیانوسی غیرقابل پیش‌بینی را بدون نیاز به نگهداری بیش از حد تحمل کنند.[1][7][8]