Бионика на службе судоходства
Приступая к поиску решения той или иной проблемы, учёные и инженеры редко действуют совершенно самостоятельно и, уж конечно, не начинают работу, так сказать, с чистого листа. Иными словами, заимствования – дело вполне обычное. Эти заимствования могут принимать самые разные формы – вплоть до плагиата или промышленного шпионажа. Но это в экстремальных случаях. Гораздо чаще современные конструкторы предпочитают легальный путь: они опираются на достижения и открытия предшественников и привлекают к сотрудничеству коллег. Однако есть и ещё одна форма заимствования – вполне законная, хотя, выражаясь языком патентного права, не предполагающая согласия со стороны владельца интеллектуальной собственности. Речь идёт о самой древней форме заимствования – заимствовании у природы. Причём далеко не всегда тут можно говорить о тривиальной имитации: порой природа подсказывает учёным новые направления исследования, принципиально новые идеи и подходы. Так что в истории развития науки изучение особенностей строения и функционирования живых организмов играет исключительно важную роль не только само по себе, но ещё и потому, что оно позволило успешно решить множество технических задач, стоявших перед человечеством. Впрочем, говорить об этом процессе в прошедшем времени совершенно неуместно, поскольку интерес учёных к заимствованию новаторских подходов у живой природы в наши дни не только не убывает, но, напротив, охватывает всё новые и новые отрасли науки и техники.
В наших передачах уже не раз шла речь о разработках специалистов в области бионики – так называется раздел кибернетики, основанный на использовании знаний о живой природе для решения инженерно-технических задач. Сегодня мы поговорим о том, как учёные разных специальностей – биологи и экологи, физики и химики, материаловеды и конструкторы – пытаются справиться с проблемой обрастания корпуса судна водорослями, моллюсками и прочими морскими организмами. Дело в том, что для этих безбилетных пассажиров любое судно является удобным транспортным средством, которое, во-первых, обеспечивает их доставку в более богатые пищей регионы мирового океана, а во-вторых, способствует их широкому распространению как биологического вида. Однако нашествие таких переселенцев, не имеющих, как правило, в новом ареале обитания естественных врагов, а потому стремительно размножающихся, нередко приводит к нарушению экологического равновесия, что, в свою очередь, чревато непредсказуемыми и часто весьма тяжёлыми последствиями для всей экосистемы в целом. Что же касается транспортных предприятий и пароходств, то им такое обрастание судов ракушками и рачками обходится весьма дорого в самом прямом смысле этого слова. Специалист в области биологии моря Мартин Валь (Martin Wahl), научный сотрудник Института морских исследований «IFM-GEOMAR» при Кильском университете, говорит:
Повышенное гидродинамическое сопротивление либо уменьшает скорость движения судна, либо увеличивает расход горючего. Принято считать, что сопротивление из-за снижения ходовых характеристик судна возрастает в среднем на 15 процентов, а вызванный этим перерасход дизельного топлива может достигать даже 50-ти процентов. Помимо того, что такой перерасход приводит к дополнительному загрязнению окружающей среды, он означает ещё и весьма чувствительные финансовые потери, особенно при нынешних ценах на нефть. За год эксплуатации одного контейнеровоза лишние расходы, связанные с обрастанием корпуса судна, могут составить несколько миллионов евро. Кроме того, обрастание корпуса настолько меняет химические условия на его поверхности, что резко ускоряется процесс коррозии металла. И наконец, такой нарост из рачков и ракушек нередко выводит из строя сенсоры и датчики, установленные на подводной части корпуса судна – термометры, фотоэлементы и так далее.
Долгое время основным средством защиты от обрастания было так называемое противообрастающее покрытие корпуса судна специальными составами. Такие краски на основе трибутила олова и его производных неплохо выполняли свою функцию, однако являлись самыми токсичными веществами из всех, когда-либо сознательно запущенными в оборот человеком. Проникая в воду, эти ядовитые составы вызывали тяжёлые нарушения обмена веществ и генетические мутации у представителей морской фауны. С тех пор, как четыре года назад применение таких красок было запрещено, учёные ищут альтернативные способы решения проблемы обрастания.
В первую очередь были разработаны новые краски. Теперь они изготовляются на основе силикона и являются водорастворимыми. Обтекающая корпус судна вода постепенно, слой за слоем, смывает эту краску, а вместе с ней – и осевших здесь было морских организмов. Однако биологи и к таким краскам относятся насторожённо, – говорит Мартин Валь:
Последствие, которого мы опасаемся, может состоять в том, что силикон, содержащийся в краске, будет усваиваться фильтрующими организмами – планктоном, моллюсками, кораллами и так далее. При этом микрочастицы силикона могут засорить фильтрующий аппарат этих животных, а кроме того, породить у них чувство сытости, на самом деле не удовлетворив их потребность в энергии. Мы считаем, что всё это вполне реальные угрозы.
Поэтому Валь и его коллеги возлагают большие надежды на другой путь, позаимствованный у природы. Биологи заметили, что некоторые морские организмы – например, крупная бурая водоросль фукус, плоское ветвящееся тело которой может достигать одного метра, – сами выбирают себе постояльцев, и делают это химически, синтезируя определённый набор веществ. Мартин Валь говорит:
Химическая защита состоит в накоплении или выделении в окружающую среду таких субстанций, которые регулируют обрастание организмами других видов. В любом случае это активный процесс, но он может принимать две формы: либо приманиваются желательные постояльцы, либо отпугиваются или даже умерщвляются нежелательные.
Судя по всему, водоросли создают оптимальные условия обитания для тех видов бактерий, которые не дают здесь селиться другим потенциальным постояльцам – прежде всего, морским желудям, или баланидам. Именно они больше всего досаждают судовладельцам.
Однако из каких именно химических субстанций состоит тот коктейль, которым фукус приманивает нужные бактерии, исследователи пока не знают. Но Мартин Валь уверен в успехе:
Я полагаю, что нам понадобится ещё два-три-четыре года для завершения работ. Но мы тесно сотрудничаем с промышленными фирмами, так что исследования идут полным ходом.
Несколько дальше продвинулись учёные, работающие в другом направлении. Коллега Мартина Валя – Валерия Берс (Valeria Bers) – обратила внимание на то, что раковины мидий практически не подвержены обрастанию. По её мнению, дело тут, прежде всего, в механических характеристиках поверхности раковины – точнее, в её структуре:
Речь идёт о структуре, напоминающей гофрированную сталь или рифлёную жесть. Только это очень мелкая структура – расстояние между соседними углублениями составляет 0,002 миллиметра. И эта волнистость препятствует обрастанию. Видимо, личинкам морских желудей не хватает площади для прочного и стабильного контакта.
Идея Берс состоит в том, чтобы придать такую же поверхностную структуру подводной части корпуса судна. Эта структура сама по себе, без каких бы то ни было химических покрытий, сможет отпугивать потенциальных безбилетников-прилипал. Той же идеей руководствуются и учёные факультета судостроения, морской техники и прикладных естественных наук Высшей школы Бремена. Разница в том, что объектом пристального внимании биолога Ральфа Лидерта (Ralph Liedert) и его коллег стала не мидия, а акула. На то есть две причины. Прежде всего, шероховатая микроструктура кожи, как известно, позволяет акуле минимизировать поверхностное трение и благодаря этому с весьма низкими энергозатратами стремительно перемещаться в воде. Это свойство, которому рукотворные морские суда могут пока только позавидовать. Однако одними лишь гидродинамическими параметрами достоинства акульей кожи отнюдь не исчерпываются. Исследователи обратили внимание на то, что на акуле – в отличие от большинства других рыб и морских млекопитающих – практически никогда не селятся представители мелкой морской фауны. Поэтому Ральф Лидерт и его коллеги и вознамерились искусственно воссоздать это свойство акульей кожи. Учёный поясняет:
Мы установили, что акула действует весьма хитрым методом, сочетая особую поверхностную микроструктуру с эластичностью. Тело акулы сплошь покрыто мельчайшими зубчиками – не той чешуёй, которую мы видим у костистых рыб, а именно мелкими зубчиками, столь мелкими, что они невооружённым глазом практически неразличимы. Эти зубчики сидят на более мягком и эластичном подкожном слое соединительной ткани, но не непосредственно, а на своего рода коротких стебельках. Это делает их подвижными, то есть под воздействием механического давления они могут смещаться друг относительно друга. Именно такое сочетание гибкости и микрорельефа позволяет животному эффективно бороться с обрастанием морскими организмами.
Бременские учёные постарались в лаборатории воспроизвести такую структуру, а затем провели натурные испытания в условиях, максимально приближённых к реальным условиям эксплуатации морских судов. На побережье Северного моря в округе Дитмаршен федеральной земли Шлезвиг-Гольштейн исследователи выполнили обширную программу экспериментов: ранней весной в акватории яхт-клуба городка Мельдорфа затопили пластины-образцы с различными поверхностными микроструктурами и наблюдали за тем, как эти различия сказываются на процессе обрастания. В общей сложности было изготовлено 75 таких пластин. Одни обладали зеркально-гладкой поверхностью, другие той или иной микроструктурой. Исследователей интересовало, какие из этих образцов окажутся наиболее, а какие – наименее привлекательными для мелких морских обитателей. Ральф Лидерт поясняет:
Мы имеем так называемые нулевые образцы, то есть пластины без какой-либо видимой поверхностной структуры, а затем идут по нарастающей образцы со всё более и более отчётливо выраженной микроструктурой – с бороздками от 72-х до 152-х микрометров с определёнными интервалами. Ещё один параметр, который мы варьируем, – это степень эластичности поверхности. Здесь мы имеем образцы 3-х видов – твёрдые, средние и мягкие. На ощупь эти пластины напоминают поверхность более или менее туго надутого воздушного шарика.
Что, в общем-то, понятно – ведь образцы имеют силиконовое покрытие. Учёные очень надеются, что такое покрытие в форме тонкой, но прочной полимерной плёнки, нанесённой вместо ядовитой краски на корпус судна ниже ватерлинии, позволит эффективно предотвратить обрастание. Антониа Кезель (Antonia Kesel), профессор биомеханики и бионики Высшей школы Бремена, поясняет:
Теперь задача заключается в том, чтобы увязать форму и микротопографию этих зубчиков с возможностью их взаимного смещения за счёт особенностей крепления. Ведь зубчики образуют тончайшие бороздки вдоль продольной оси тела акулы.
А на таких продольных бороздках большинство моллюсков и рачков, судя по всему, предпочитают не селиться. Например, уже упомянутые морские жёлуди. Взрослые представители этого семейства усоногих ракообразных заключены в известковую раковину и ведут неподвижный образ жизни, прикрепившись к подводным предметам или животным. Но, как мы знаем, отнюдь не к первым попавшимся, – утверждает Ральф Лидерт:
Личинки морских желудей – животные очень разборчивые. У них имеется два маленьких щупика, и ими они обследуют ту поверхность, на которой намерены обосноваться. При этом они анализируют как химические, так и механические свойства поверхности, а затем, спустя некоторое время – обычно часа два – принимают решение. Это чрезвычайно важное решение, потому что взрослой особи суждено провести на выбранном месте всю жизнь.
Следует, впрочем, иметь в виду, что эта серия опытов с погружением пластин в воду завершилась два года назад. И завершилась, по словам Лидерта, вполне успешно:
В ходе тех экспериментов мы установили, что разработанное нами покрытие способно снизить степень обрастания почти на 70 процентов по сравнению с необработанной поверхностью.
Как же обстоит дело сегодня?
Мы стараемся, конечно, усовершенствовать нашу разработку. При этом наши усилия направлены, прежде всего, на то, чтобы максимально упростить и удешевить технологию производства и нанесения покрытий. Этого ждут от нас верфи и судоремонтные предприятия. К нам поступает много запросов от промышленных фирм, это верно, но мы не хотим выходить на рынок с незрелой технологией.
Поначалу бременские исследователи планировали выпускать плёнку, которой обклеивались бы корпуса судов. Однако на этом пути учёные столкнулись со значительными трудностями. Ральф Лидерт говорит:
В принципе мы получаем плёнку методом литья. То есть мы изготовляем форму-негатив и заливаем её жидким силиконом, который потом полимеризуется и застывает. Однако технология крупномасштабного производства, которая позволила бы покрывать такой плёнкой целые корпуса океанских судов, пока не разработана.
Поэтому исследователи работают над полимерной защитной краской, которая в процессе отверждения самостоятельно образовывала бы ту самую эластичную микроструктуру, способную противостоять обрастанию. Лабораторные опыты дают многообещающие результаты. Но о массовом внедрении этой разработки можно будет всерьёз думать только после того, как удастся существенно снизить толщину такого покрытия, составляющую на сегодняшний день 3 миллиметра. Это слишком накладно: получается, что искусственная акулья кожа обходится в 10 раз дороже ядовитой краски.