UV-C hält Schiffsrümpfe frei von Biofouling

Abbildung 1: UV-C-Prototyp im Hafen von Melbourne (Australien) vor Biofouling geschützt. Auf der linken Seite befindet sich eine Benchmark-Silikonplatte ohne UV-C, die vollständig biologisch verschmutzt ist (zur Prüfung von Defense Science and Technology).

Abbildung 3: Vergleich von Modellsimulationen der UV-Bestrahlung an der Oberfläche mit entsprechenden Biofouling-Tests. Links für eine Silikonplatte mit einer einzigen LED, getestet in einem Aquarium. Rechts für einen kompletten Prototyp, der in Seezustand getestet wurde. Die roten Linien markieren Standorte mit einer aus der Simulation vorhergesagten Strahlungsstärke von 0,3 mW / m2.

Autor: Niek Hijnen (PhD) arbeitet in der Lacktechnologie-Gruppe von AkzoNobel und konzentriert sich derzeit auf die technische Entwicklung der UV-C-Antifouling-Technologie sowie auf neue Technologien zur Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung von Beschichtungen. www.akzonobel.com

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Das Vorhandensein von Biofouling auf dem Rumpf eines Schiffes erhöht den Luftwiderstand während des Segelns und damit den Kraftstoffverbrauch, was zu erhöhten CO2-Emissionen und erhöhten Kosten für den Schiffseigner führt. Farben, die auf die Unterwasserbereiche auf dem Rumpf von Schiffen aufgetragen werden, enthalten daher häufig Biozide, um das Wachstum von Biofouling zu verhindern, oder besitzen Antihaft-Eigenschaften, so dass das Fouling freigesetzt werden kann, wenn die Schiffe schneller werden.
AkzoNobel arbeitet mit Royal Philips zusammen, um eine neue Technologie zu entwickeln, die eine völlig andere Herangehensweise an traditionelle Farben verwendet, die bei der Biofouling-Kontrolle von Schiffsrümpfen verwendet werden. Es verwendet eine ultraviolett-C (UV-C) emittierende Schicht, die auf die Unterwasserbereiche des Rumpfs aufgebracht wird, um die Verschmutzung der Oberfläche zu verhindern. Die UV-C-Bestrahlung inaktiviert oder tötet Mikroorganismen durch Absorption durch ihre DNA ab, eine Eigenschaft, die regelmäßig in Wasser- und Luftreinigungssystemen angewendet wird, um die Anhaftung und das Wachstum von Biofouling zu verhindern.

Dieser neue Ansatz hat gezeigt, dass die Oberfläche von jeglichem Biofouling vollständig sauber gehalten werden kann (Abbildung 1). Dies ist ein Maß an Verschmutzungsschutz, das von den derzeitigen Lacksystemen nicht geboten wird. Dies ist der Fall, wenn das Schiff segelt und wenn es angedockt ist. Stationäre Prototypenkacheln wurden weltweit getestet und haben sich als geeignet erwiesen, an verschiedenen Orten sauber zu bleiben, von denen bekannt ist, dass sie eine hohe Fouling-Herausforderung darstellen, wie Singapur und das Great Barrier Reef in Australien. Neben der Reduzierung der CO2-Emissionen durch unübertroffene Antifouling-Leistung ist die Technologie eine biozidfreie und VOC-freie Lösung, die andere wichtige Nachhaltigkeitsziele darstellt.

Das UV-C wird von UV-LEDs emittiert, die in einen Silikon-Lichtleiter eingebettet sind, der die Verteilung der Strahlung auf die Oberfläche unterstützt. Prototypen sind derzeit Fliesen von 30x30 cm2 mit einer Dicke von 10 mm, und sie haben ein Kabel, das für die Stromversorgung fest verdrahtet ist. Um den von den einzelnen LEDs sauber gehaltenen Bereich zu optimieren, sind sie so konfiguriert, dass sie seitlich in die Ebene emittieren. Ein Teil des emittierten Lichts wird durch den Lichtleiter entlang der Oberfläche geführt, was mit einem externen grünen Laser demonstriert werden kann, wenn sein Strahl auf die Seite der Platte fällt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des UV-C-Konzepts. Auf der rechten Seite wird das Prinzip der Wellenführung in einer Testplatte demonstriert. In der aktuellen Ausführung wird reflektierendes Material an der Unterseite angebracht, um das UV-C nach außen zu reflektieren, während ein Teil davon durch totale innere Reflexion an der Silikon-Wasser-Grenzfläche zurückprallt. Ein Teil der entlang der Oberfläche geführten UV-C kann durch diffuse Streuung aus der lichtemittierenden Schicht zur äußeren Oberfläche austreten, wodurch eine UV-C-Exposition der Bioorganismen an der gesamten Oberfläche ermöglicht wird.

Die Kenntnis der Eigenschaften der Komponenten, der verwendeten Materialien und des Designs der Fliese ermöglicht eine Modellsimulation der UV-C-Bestrahlungsstärke über die Oberfläche. Durch Verknüpfen der Daten einer einzelnen LED-Testprobe mit experimentellen Beobachtungen der Verschmutzungsexposition wurde festgestellt, dass bereits eine geringe UV-C-Intensität von nur etwa 1 mW pro m² ausreicht, um Biofouling zu verhindern (Abbildung 3 links). Anschließend kann dieser Schwellenwert in Modellsimulationen verwendet werden, um eine mehrere LEDs enthaltende lichtemittierende Schicht zu entwerfen, um sicherzustellen, dass die Positionierung der LEDs und andere Designparameter so gewählt werden, dass die gesamte Oberfläche frei von Verschmutzungen bleibt (Abbildung 3, rechtes Feld) .

Letztendlich wird die Technologie auf einem Schiff unter schwierigen Betriebsbedingungen angewendet. Zusätzlich können Komponenten innerhalb der UV-C-emittierenden Schicht an bestimmten Stellen hohen UV-C-Bestrahlungspegeln ausgesetzt sein. Die Materialauswahl wird daher kritisch, wenn Haltbarkeit, Verarbeitung und Fertigung sowie die mit der Technologie verbundenen Gesamtentwurfskriterien berücksichtigt werden müssen. Trotz dieser Schwierigkeiten hat sich ein neuer Prototyp nach fast zweijährigem Dauereinsatz bereits als gut erwiesen.

Der Hauptteil des Lichtleiters besteht aus Silikon, das bei richtiger Formulierung eine hohe UV-C-Transparenz mit einer Durchlässigkeit von etwa 80% pro cm bei 275 nm Wellenlänge aufweisen kann. Diese Eigenschaft ist für die Leistungsfähigkeit der Technologie von entscheidender Bedeutung, da durch die Verteilung des UV-C über die Oberfläche die relativ niedrigen Intensitätsniveaus erreicht werden können, die die Oberfläche mit einer begrenzten Anzahl von LEDs sauber hält. Die Silikonschicht ist relativ flexibel und unterstützt die Anwendung auf gekrümmten Oberflächen. Sie schützt auch die darin eingebettete Elektronik. Mechanische Tests der Prototypen haben gezeigt, dass die Elektronik innerhalb des Lichtleiters typische Aufprallkräfte übersteht, die mit dem Aufprall von Wasser oder dem Reiben von Kotflügeln verbunden sind.

Ein Kleberücken wird verwendet, um die lichtemittierende Schicht auf dem Rumpf eines Schiffes zu befestigen. Während Prototypentwürfe derzeit relativ dick sind (10 mm), wären sie letztendlich näher an typischen Laminatfolien. Dennoch ist eine sorgfältige Auswahl der Klebelösung erforderlich. Zu diesem Zweck werden neben Labortests spezielle Feldtests durchgeführt, um die Leistung der Klebstoffe zu bewerten und um sicherzustellen, dass die lichtemittierende Schicht an ihrem Platz bleibt.

Prototypen der neuen Generation, die sich in der Entwicklung befinden, haben ein dünneres Design (~ 4 mm) ohne festverdrahtetes Kabel und bieten eine größere Panelgröße (etwa 50 x 50 cm2). Das Format wird durch neu erhältliche UV-C-LEDs mit einem dünnen Side-View-Gehäuse ermöglicht, die direkt für die Emission in der Ebene verwendet werden können, ohne dass das Gehäuse zusätzlich seitlich montiert werden muss. Zum Ansteuern der LEDs wird eine induktive Kopplung durch Anordnen der Kante einer Fliese auf einer Steckdosenleiste verwendet, so dass kein festverdrahtetes Kabel zum Verbinden der einzelnen Fliese erforderlich ist. Darüber hinaus werden Materialverbesserungen vorgenommen, um Artefakte durch Spannungen zu vermeiden, die durch Änderungen der Materialeigenschaften während der Verarbeitung entstehen.

Die nächsten Schritte auf dem Weg zur Marktreife werden die Entwicklung einer skalierbaren Fabrikation sein, die Verlängerung der Produktlebensdauer und die tatsächliche vollständige Anwendung auf Schiffen. Neue Prototypen werden auf operativen Schiffen als Montage von Fliesen anstelle von Einzelplatten getestet. Dies hilft bei der Optimierung der Installationsverfahren vor Ort, während die Verwendung während des Betriebs die Erstellung eines Leistungsnachweises ermöglicht. Nach zwei Jahren im Feld kann eine weitere Verbesserung erwartet werden. Die schrittweise weitere Verbesserung der UV-C-LED-Leistung (Lebensdauer, Effizienz) wird die Grundlage für zukünftige Produktlösungen sein.

Das Zusammenführen der Fähigkeiten beider Unternehmen und die Vorbereitung dieser Technologie für den Markt ist nun eine globale Teamleistung. Wo Royal Philips über Fachwissen und geistiges Eigentum (IP) bei der Entwicklung von Systemen mit UV-LEDs verfügt, verfügt AkzoNobel über Fachwissen in den Bereichen Materialchemie, Haftung und Oberflächenschutz. Die Entwicklung des Systems umfasst Aktivitäten in den USA, Europa und Asien. Während Schiffsrümpfe der Hauptanwendungsbereich sind, auf den sich die derzeitigen Bemühungen konzentrieren, gibt es auch Möglichkeiten für diese Technologie in Nischenbereichen wie Seekästen. Insgesamt bietet die Technologie eine beispiellose Performance zur Verhinderung von Fouling sowie Vorteile für die Nachhaltigkeitsziele. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, sie auf den Markt zu bringen, da sie sich von herkömmlichen Lösungen unterscheidet. Letztendlich sind Zusammenarbeit und Bildung von entscheidender Bedeutung, um diese neuartige und neue Technologie zu einem Erfolg in der Schiffsindustrie zu machen.

Die Autoren:

Niek Hijnen (PhD) arbeitet in der Lacktechnologie-Gruppe von AkzoNobel und konzentriert sich derzeit auf die technische Entwicklung der UV-C-Antifouling-Technologie sowie auf neue Technologien zur Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung von Beschichtungen. www.akzonobel.com

Michel Jongerius (PhD) verfügt über 37 Jahre Erfahrung in der Forschung von Philips Research in den Bereichen Photonik und Fertigungstechnologie. Derzeit ist er Projektleiter des RunWell-Projekts zum Thema UV-Antifouling