研发团队供图
完成3个航次任务，航行时长近200天，里程逾3.5万海里，往返于中国沿海和中东地区各大港口……近日，国际首艘安装仿生蒙皮螺旋桨的30万吨级超大型油轮在福建省泉州港码头靠泊，完成多航次、长航时、多海域的节能数据收集。
“螺旋桨直径10米，它表面敷设的柔性蒙皮材料，模拟了海豚皮的特征。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室研究员曾志翔向记者介绍，这种船用仿生柔性减阻材料在实船应用前取得了中国船级社产品认证，满足《控制船舶有害防污底系统国际公约》要求。
曾志翔介绍，团队通过分析螺旋桨表面敷设仿生蒙皮前后进速系数、扭矩系数以及推力系数的变化，计算得到实船可节能约2%。预测在一个修船周期内，实船平均节能1.5%。按此计算，一艘超大型油轮预计每年可节约燃油300吨以上，减少二氧化碳排放量900吨以上。
国际能源机构数据显示，海运业的能源消耗量在全球能源消耗总量中占比约为9%，排放的二氧化碳量占全球总量的3%。突破大型船舶的节能减排关键技术，引领全球海洋运输业绿色变革，对我国实现“双碳”目标具有重要意义。
据了解，超大型油轮螺旋桨能耗效率随载货量和航速变化而变化，波动范围通常为60%至70%。船用发动机在驱动螺旋桨旋转时，约70%的能耗转化为推力，约15%消耗于螺旋桨剪切水做功，剩余约15%则消耗于螺旋桨反推力对水做功。
在中国工程院院士、中国科学院宁波材料所研究员薛群基的推动下，自2022年起，中国科学院宁波材料所海洋关键材料重点实验室研究员王立平和曾志翔率领研发团队与中远海运能源股份有限公司联合攻关船用仿生蒙皮减阻节能技术，通过人工合成方法，制备出具有类似海豚皮特征的人造材料——类液态滑移柔性减阻材料JZPU-2023，并实现中试生产。
曾志翔介绍，这一人造材料由具有类液态特征的动态界面材料与具有0.1—0.2毫米尺寸微结构的柔性材料耦合而成，敷设于螺旋桨表面，能够降低螺旋桨与水之间的剪切力，并减少反推力对水的做功，进而提高螺旋桨效率，降低能耗。
海豚等海洋生物在海里游动时具有极低阻力。这是因为海豚表皮在水流作用下可形成微结构，产生微涡流，将水流与表皮的滑动摩擦转变为滚动摩擦，结合表皮黏液的润滑特性，能有效降低水流的湍流动能，降低水与表皮之间的剪切力。
曾志翔说，对于人造仿生减阻材料而言，表面微结构和柔弹性易于实现，但要模仿海豚表皮长期分泌黏液的特性则比较困难。类液态材料有效解决了这一问题。
“类液态材料既能保持固体材料的强度，又有类似于黏液的滑移特征。它在固体有机物分子内部接枝了高度柔性分子刷，从而表现出一定液体特征。”曾志翔解释说，由于所接枝分子链具有类似流体的高度动态特性，能自由旋转与运动，所以各种液体在这种材料表面的黏附力低且易滑移。
记者了解到，鉴于此次测试结果，中远海能与中国科学院宁波材料所计划将该减阻材料推广至公司旗下100余艘油轮船。
曾志翔说，未来，船用仿生柔性减阻材料将向远洋及内河运输等全行业推广应用。这必将促进营运船舶绿色化、低碳化发展。
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