Tecnologia superidrofobica per tubi inaffondabili: un passo concreto verso navi insommergibili

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Rochester ha sviluppato un sistema per rendere i tubi di alluminio comuni praticamente inaffondabili.

Attraverso una modifica laser della superficie interna, questi componenti diventano superidrofobici e trattengono bolle d’aria anche in condizioni di danneggiamento estremo. La tecnologia, testata per settimane in ambienti turbolenti, è scalabile e potenzialmente applicabile alla costruzione di navi, piattaforme galleggianti o sistemi per la generazione di energia dalle onde marine.

Il principio fisico alla base della galleggiabilità in condizioni estreme

A distanza di oltre un secolo dall’affondamento del Titanic, l’obiettivo di realizzare navi capaci di rimanere a galla anche dopo gravi danni strutturali continua a rappresentare un campo di ricerca di alto valore ingegneristico. Gli esperimenti condotti dal team del professor Chunlei Guo presso l’Institute of Optics dell’Università di Rochester hanno portato allo sviluppo di tubi metallici dotati di una galleggiabilità permanente, basata su proprietà fisiche ben precise.

Attraverso un processo laser controllato, la superficie interna dei tubi viene incisa per generare micro e nanostrutture in grado di respingere l’acqua in modo estremamente efficace. Questa modifica topologica induce una condizione di superidrofobicità, impedendo all’acqua di entrare nel tubo e mantenendo al suo interno una bolla d’aria stabile.

L’effetto cavità d’aria: come si evita l’affondamento

Il principio che impedisce ai tubi modificati di affondare risiede nella formazione e nel mantenimento di una cavità d’aria intrappolata all’interno della struttura. Quando il tubo viene immerso, la superficie idrofobica agisce come una barriera che respinge le molecole d’acqua, trattenendo l’aria presente e impedendo l’ingresso del liquido.

Per garantire che questa cavità persista anche in immersione verticale, i ricercatori hanno inserito una paratia centrale che divide il tubo in due camere, stabilizzando il volume d’aria e assicurando la spinta idrostatica anche in configurazioni poco favorevoli. L’idea si ispira a meccanismi biologici osservati in animali come il ragno campanaro (Argyroneta aquatica) e le formiche del fuoco, entrambi capaci di sfruttare l’aria per galleggiare o respirare sott’acqua.

Resistenza ai danni meccanici: test in ambienti turbolenti

Uno degli aspetti più significativi della tecnologia riguarda la resistenza alla perdita di galleggiabilità anche in caso di danneggiamento meccanico. I tubi trattati sono stati sottoposti a test con perforazioni multiple e immersioni prolungate in ambienti ad alta turbolenza. Anche in presenza di fori estesi sulla superficie esterna, il comportamento idrodinamico non ha subito variazioni critiche: l’aria è rimasta intrappolata e il tubo ha continuato a galleggiare.

Questa stabilità meccanica e funzionale rappresenta un elemento chiave in vista di applicazioni marine, dove le condizioni operative includono urti, pressione, vibrazioni e l’azione continua delle onde. La struttura cilindrica, più semplice e robusta rispetto a configurazioni precedenti basate su dischi sigillati, migliora la distribuzione delle forze e riduce i punti di vulnerabilità.

Ottimizzazione rispetto ai prototipi precedenti

Il lavoro del gruppo di Chunlei Guo parte da una base sperimentale già consolidata: nel 2019 lo stesso team aveva realizzato dispositivi galleggianti superidrofobici composti da due dischi uniti, capaci di trattenere aria tra loro. Tuttavia, quella configurazione era soggetta a instabilità quando inclinata oltre certi angoli critici.

La nuova soluzione con tubi trattati migliora sensibilmente questa limitazione. La forma cilindrica consente un equilibrio tridimensionale più uniforme e si adatta meglio alla dinamica ondosa, offrendo performance superiori anche in mare aperto.

Scalabilità e progettazione modulare: verso piattaforme galleggianti

Un ulteriore aspetto di rilievo è la scalabilità della tecnologia. I test condotti in laboratorio hanno incluso tubi di lunghezze diverse, fino a circa mezzo metro. I ricercatori hanno inoltre dimostrato la possibilità di collegare più tubi per formare strutture modulari, creando piattaforme galleggianti di superficie estesa.

Questa architettura modulare consente di progettare:

* zattere o piattaforme galleggianti per applicazioni civili o industriali;
* boe autonome per monitoraggio marino o meteorologico;
* strutture di supporto per impianti mobili, ad esempio in cantieri navali o ambienti off-grid.

Applicazioni nei sistemi di energia da moto ondoso

Oltre alla galleggiabilità passiva, le strutture basate su tubi superidrofobici possono essere impiegate per la raccolta di energia meccanica dalle onde. Nei test preliminari, i ricercatori hanno costruito zattere capaci di convertire il movimento del fluido in energia potenziale, suggerendo un possibile impiego nella generazione elettrica rinnovabile.

Il comportamento elastico e l’interazione controllata con il moto ondoso rendono questa tecnologia adatta a sistemi di tipo:

* point absorber, che si muovono verticalmente seguendo il profilo delle onde;
* oscillating water column, in cui la variazione di pressione interna viene trasformata in energia meccanica.

Materiali, supporti e fonti di finanziamento

Il materiale scelto per la sperimentazione è l’alluminio, selezionato per le sue proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e leggerezza. Il trattamento laser applicato consente una modifica precisa della superficie interna, senza alterare la struttura molecolare o compromettere la resistenza meccanica globale del tubo.

Il progetto è stato finanziato dal National Science Foundation, dalla Bill and Melinda Gates Foundation e dal Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence dell’Università di Rochester, a testimonianza dell’interesse sia accademico che applicativo del lavoro.

Prospettive ingegneristiche e direzioni future

La possibilità di realizzare componenti strutturali che mantengano la galleggiabilità anche in presenza di danni gravi rappresenta un punto di svolta nella progettazione navale. Questa tecnologia può essere integrata nelle superfici esterne di navi, chiatte, galleggianti modulari, oppure utilizzata come elemento ridondante di sicurezza in caso di compromissione dello scafo.

Dal punto di vista della produzione, i trattamenti laser per generare la superficie superidrofobica sono già compatibili con linee industriali e potenzialmente implementabili su larga scala, rendendo il trasferimento tecnologico plausibile.

L’interesse futuro riguarda anche la resistenza a lungo termine all’abrasione, l’interazione con organismi marini e le prestazioni in ambienti salmastri. Ulteriori sviluppi potrebbero focalizzarsi sull’integrazione con materiali compositi avanzati o sull’ottimizzazione di forme geometriche per usi specifici.

Questa ricerca non propone un concetto teorico, ma un prototipo funzionante, testato in ambienti reali e con applicazioni pratiche in diversi ambiti dell’ingegneria marina e dell’energia sostenibile.