UV-C Mantendo Cascos de Navios Livres de Biofouling

Figura 1: Protótipo UV-C mantido limpo de bioincrustação no porto de Melbourne (Austrália). À esquerda, um painel de silicone de referência está localizado sem UV-C, que é totalmente contaminada por bio (cortesia do grupo de Ciência e Tecnologia de Defesa para testes).

Figura 3: Comparação de modelos de simulações da irradiação UV na superfície com os correspondentes testes de bioincrustação. À esquerda, uma laje de silicone com um único LED, testada em um aquário. À direita, para um painel protótipo completo testado em condições de mar. As linhas vermelhas marcam os locais com um nível de irradiância de 0,3 mW / m2 previsto a partir da simulação.

Autor: Niek Hijnen (PhD) trabalha no grupo de tecnologia de revestimentos da AkzoNobel, atualmente focando no desenvolvimento técnico da tecnologia anti-incrustante UV-C, bem como novas tecnologias para melhorar o desempenho anticorrosivo de revestimentos. www.akzonobel.com

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A presença de incrustação biológica no casco de um navio aumenta o arrasto da água durante a navegação e, consequentemente, o consumo de combustível, o que resulta no aumento das emissões de CO2, bem como no aumento dos custos para o armador. As tintas aplicadas às áreas submersas no casco dos navios, portanto, muitas vezes contêm biocidas para impedir o crescimento de incrustação biológica ou possuir propriedades antiaderentes, permitindo uma liberação da incrustação quando as embarcações ganham velocidade.
A AkzoNobel está trabalhando com a Royal Philips para desenvolver uma nova tecnologia que emprega uma abordagem completamente diferente das tintas tradicionais usadas no controle de bioincrustação em cascos de navios. Ele usa uma camada emissora de ultravioleta-C (UV-C) aplicada nas áreas submersas do casco para manter a superfície livre de sujeira. A irradiação UV-C inativa ou mata microorganismos através da absorção pelo seu DNA, uma propriedade regularmente aplicada em sistemas de purificação de água e ar, impedindo a fixação e o crescimento da bioincrustação.

Esta nova abordagem demonstrou a capacidade de manter a superfície completamente limpa de qualquer incrustação biológica (Figura 1), um nível de prevenção de incrustações não oferecido pelos atuais sistemas de pintura. Esse é o caso quando o navio está navegando e quando está ancorado. Telhas de protótipos estacionários foram testadas em todo o mundo e foram mostradas capazes de permanecer limpas em vários locais que são conhecidos por representarem um grande desafio de incrustação, como Cingapura e a Grande Barreira de Corais na Austrália. Além de reduzir as emissões de CO2, oferecendo um desempenho anti-incrustante incomparável, a tecnologia é uma solução livre de biocidas e sem VOC, que são outros importantes objetivos de sustentabilidade.

O UV-C é emitido a partir de LEDs UV, que são embutidos em um guia de luz de silicone que ajuda na distribuição da irradiação através da superfície. Protótipos são atualmente telhas de 30x30cm2 com uma espessura de 10mm, e eles têm um cabo conectado para a alimentação. Para otimizar a área mantida limpa pelos LEDs individuais, eles são configurados de forma que eles emitem lateralmente no plano. Uma parte da luz emitida é guiada ao longo da superfície pelo guia de luz, que pode ser demonstrado com um laser verde externo com o raio incidente no lado do painel (Figura 2).

Figura 2: Ilustração esquemática do princípio de funcionamento do conceito UV-C. À direita, o princípio do guia de ondas em um painel de teste é demonstrado. No projeto atual, o material refletivo é aplicado na parte inferior para refletir o UV-C para fora, enquanto parte dele é refletida através da reflexão interna total na interface de silicone-água. Parte do UV-C sendo guiado ao longo da superfície pode sair da camada emissora de luz em direção à superfície externa através de espalhamento difuso, permitindo a exposição UV-C dos organismos biológicos em toda a superfície.

Conhecendo as propriedades dos componentes, os materiais utilizados e o projeto do ladrilho permitem uma simulação do modelo dos níveis de irradiância UV-C em toda a superfície. Ao ligar dados de uma única amostra de teste de LED com observações experimentais de exposição à incrustação, verificou-se que uma baixa intensidade de UV-C de apenas cerca de 1mW por m2 já é suficiente para prevenir a incrustação biológica (Figura 3 painel esquerdo). Posteriormente, este valor limiar pode ser usado em simulações de modelos para projetar um LED múltiplo contendo camada emissora de luz, garantindo que o posicionamento dos LEDs e outros parâmetros de projeto sejam tais que toda a superfície seja mantida livre de incrustações (Figura 3, painel direito) .

Por fim, em um navio, a tecnologia será aplicada sob condições desafiadoras em serviço. Adicionalmente, os componentes dentro da camada emissora de UV-C podem, em certas localizações, ser expostos a altos níveis de irradiação UV-C. A seleção de materiais, portanto, torna-se crítica quando se leva em consideração a durabilidade, o processamento e a fabricação, bem como os critérios gerais de projeto associados à tecnologia. Apesar dessas dificuldades, um protótipo recente já demonstrou ter bom desempenho após quase dois anos de operação contínua no campo.

A maior parte da guia de luz é feita de silicone, que, quando adequadamente formulado, pode exibir uma alta transparência de UV-C com uma transmitância de cerca de 80% por cm a 275 nm de comprimento de onda. Esta propriedade é crítica para o desempenho da tecnologia, pois permite a distribuição do UV-C através da superfície para atingir em todos os lugares os níveis de intensidade relativamente baixos que mantêm a superfície limpa com o uso de um número limitado de LEDs. Apesar de ser bastante flexível, auxiliando a aplicação em superfícies curvas, a camada de silicone também protege os componentes eletrônicos embutidos. Testes mecânicos dos protótipos demonstraram que os componentes eletrônicos dentro do guia de luz podem sobreviver a forças de impacto típicas associadas a golpes de água ou fricção por para-lamas.

Um adesivo será usado para fixar a camada emissora de luz no casco de um navio. Embora atualmente, os projetos de protótipos sejam relativamente espessos (10 mm), em última análise, os projetos seriam mais próximos dos filmes laminados típicos. Ainda assim, é necessária uma seleção cuidadosa da solução adesiva. Para este fim, além de testes de laboratório, testes de campo dedicados estão sendo feitos para avaliar o desempenho dos adesivos e garantir que a camada de emissão de luz permaneça no lugar.

Os protótipos de nova geração que estão em desenvolvimento terão um design mais fino (~ 4 mm), sem nenhum cabo com fio, e fornecerão um tamanho de painel maior (cerca de 50x50 cm2). O formato é ativado por LEDs UV-C recém-disponíveis com um pacote de visão lateral fino, que pode ser usado diretamente para emitir no plano sem exigir a etapa extra de montar o pacote lateralmente. O acoplamento indutivo, colocando a borda de um ladrilho no topo de um filtro de linha, será usado para alimentar os LEDs, omitindo a necessidade de um cabo com fio para conectar cada ladrilho. Além disso, melhorias nos materiais serão aplicadas para evitar artefatos causados ​​por tensões decorrentes de alterações nas propriedades do material durante o processamento.

Os próximos passos para levar a tecnologia ao mercado serão o desenvolvimento de uma fabricação escalonável, estendendo a vida útil do produto e a aplicação real em escala real nos navios. Novos protótipos serão testados em embarcações operacionais como conjuntos de telhas, em vez de telhas individuais. Isso ajudará a permitir que os procedimentos de instalação em campo sejam otimizados, enquanto o uso em serviço permite criar um histórico de desempenho. Com um desempenho em campo de dois anos, é possível esperar mais melhorias. Melhorar gradualmente o desempenho do LED UV-C (vida útil, eficiência) será a base para futuras soluções de produtos.

Combinar recursos de ambas as empresas, preparando esta tecnologia para o mercado, é agora um esforço global de equipe. Quando a Royal Philips possui expertise e propriedade intelectual (IP) na criação de sistemas que usam LEDs UV, a AkzoNobel tem experiência em química de materiais, adesão e proteção de superfícies. O desenvolvimento do sistema envolve atividades que ocorrem nos EUA, na Europa e na Ásia e, enquanto os cascos de navios são a principal área de aplicação que é alvo dos esforços atuais, as possibilidades dessa tecnologia também existem em aplicações de nicho de área, como baús de mar. No geral, a tecnologia oferece um desempenho de prevenção de incrustações inigualável, bem como benefícios para as metas de sustentabilidade, embora um grande desafio esteja em fazê-lo funcionar no mercado, já que é muito diferente das soluções convencionais. Em última análise, a colaboração e a educação são fundamentais para tornar este romance e a nova tecnologia um sucesso na indústria naval.

Os autores:

A Niek Hijnen (PhD) trabalha no grupo de tecnologia de revestimentos da AkzoNobel, concentrando-se atualmente no desenvolvimento técnico da tecnologia anti-incrustante UV-C, bem como em novas tecnologias para melhorar o desempenho anticorrosivo dos revestimentos. www.akzonobel.com

Michel Jongerius (PhD) tem 37 anos de experiência em inovações em pesquisa da Philips em fotônica e tecnologia de fabricação. Atualmente, ele é gerente de projeto do projeto RunWell sobre anti-incrustantes UV