美國海軍的「天敵」,已花費數十億美元,依然難以根除的「藤壺」

2021年06月24日15:12:52 科學 1564

美國海軍研究實驗室不會放棄與海上部隊中最頑強、最長久的敵人之一--藤壺--的戰鬥。
對於水手來說,藤壺是一種古老的禍害。即使在今天,它們仍然花費了海軍數十億美元,並繼續給科學家帶來一個棘手的問題。

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尼米茲級航空母艦「約翰·C·斯坦尼斯號」(CVN-74)上,一名水手在一艘硬殼充氣船上刮藤壺。

藤壺具有很強的吸附能力,它不僅能附著在礁石上,還能附著在船體上,任憑不能被風浪沖走。它是海洋污染生物之一,具有很強的吸附能力,附著密度高,對海防、海上運輸、工業和漁業都是有害的。例如,當他們附著在船底時,船的航行阻力顯著增加,速度降低、油耗增大。此外,藤壺對海洋水產養殖也有嚴重影響,例如,藤壺與魚、蝦、貝類等海洋生物競爭飼料,堵塞養殖網孔,嚴重影響海洋生物的生長。

藤壺、貽貝和細菌在船身上的積聚被稱之為「生物淤積」或者「生物污損」。藤壺能夠產生超級強悍的不可溶黏合劑,是最可怕的生物淤積製造者。研究發現,藤壺的存在能夠讓船隻的燃油消耗量增加40%。18世紀,英國海軍開始用銅皮包裹船身,讓艦艇對藤壺和船蛆免疫(船蛆可對木船造成巨大傷害)。在水下,銅皮上形成一種有毒薄膜,阻止任何海洋動物入侵。

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船蛆之所以得名,是因為它們會鑽到木頭裡為生,對木質船隻造成很大的破壞。藤壺、貽貝和藻類是生物污垢的主要來源,它們正在尋找安頓下來的地方。他們會試著粘住任何東西,包括船底。

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附著在船隻發動機上的藤壺

海軍研究實驗室的化學家和材料科學家、美國海軍研究局塗層和生物污垢項目官員凱瑟琳·瓦爾說,海軍想讓藤壺感覺自己「不受歡迎」。藤壺最主要的問題是,會減慢船速,增加燃油消耗。即使是最新的船或最近清洗過的船體,從它進入水的那一刻起也會受到生物污垢的影響。除非有防污塗層保護,否則在短短兩周內,它們的存在就足以造成阻力,而且它們開始變得很難清除。

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甚至連海龜都跑不掉——筆者為了大家的觀感,已經選得比較溫和的圖片了

在短短六個月內,導彈驅逐艦的航速將降低兩節,除非清理船底,而且這種影響在較暖的水中增長得更快。它需要時間和資源來刮掉它們,並使船隻脫離部隊去維護,遠離它們的作業職責。這就是為什麼海軍想要在對抗這些水下害蟲時佔據上風。

日俄對馬海戰時,龐大的俄太平洋艦隊歐洲長途跋涉,行駛了很長時間,才到達亞洲海戰場,而日海軍聯合艦隊卻以逸待勞,設下伏擊圈沉重打擊了俄艦隊。俄艦隊失敗果然有戰術、指揮等原因,但俄艦員長途奔波身心疲憊,包括艦體附著了大量水生物,影響了俄主力艦的戰鬥航速,也是俄艦隊敗於日艦隊的一個重要原因。

最好的辦法就是一開始就不讓它們上船。瓦爾談到藤壺時說:「它們的成功很大程度上歸功於通過分泌一層薄薄的粘附層來附著在不同的物體上,隨著有機體的生長和擴大,粘附層就會沉積下來。」藤壺就像貽貝和管蟲一樣,會分泌極強的膠水,可以在水下粘合。貽貝可以在膠里製造20多種蛋白質;科學家們已經發現並開始在藤壺粘合界面中識別出50多種蛋白質。每次蛻皮後,藤壺都會分泌出一圈粘性原膠,其中含有許多生化成分和強大的粘附力,使他們牢牢地附著在載體上。藤壺的這種奇特粘附力引起了人們的注意,一旦成功被開發出來,這種「藤壺」粘合劑將在水下救援和泄漏修復工作中顯示出巨大的威力。不過到目前為止,似乎還沒有研發出來。

該實驗室的研究人員正在研究這種膠水的化學成分,它是如何製成的,以及它是如何應用於表面的。他們還在研究藤壺外殼的形狀和設計是如何使其難以從表面移除的。藤壺的外殼起到了盔甲的作用。

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鏟藤壺需要專門的工具,然後還要做好防護,藤壺的外殼非常堅硬,能夠輕易劃傷人體
「我們正在努力更好地了解藤壺是如何附著在表面上的,並通過這一點為生產有毒油漆和表面處理的替代品提供新的方法。」我們的一些研究材料在這一領域顯示出希望,」瓦爾說。

她說,海軍已經確定了藤壺粘結的一些有趣的方面,這些方面可以幫助開發打擊污垢的新戰略。研究人員正試圖開發一種防污塗層,這種塗層可以更容易地釋放藤壺(就是黏不上去),並在不使用毒素的情況下防止它們在表面生長。她說:「了解藤壺及其與表面處理中活性化學物質的相互作用是我們探索這些機會的一種方式。」

海軍研究辦公室的塗層和生物污垢項目經理保羅·阿米斯特德表示,防污塗層主要有兩種--燒蝕塗層和自拋光塗層。它們通過釋放一種毒素來阻止污垢。國際海事組織關於防污塗料的規定變得更加嚴格。三丁基錫,或稱TBT,曾經是首選的殺菌劑,可以有效地防止藻類、藤壺和其他海洋生物的生長。但TBT也殺死了其他海洋生物,隨後被國際禁止。今天,油漆對海洋環境變得更加友好。

在海軍從木船過渡到更堅固的鋼船之後,銅皮的存在導致鋼材更快腐蝕。人們在使用基於銅的塗料的基礎上,也曾嘗試其他塗料,利用砷、汞、馬錢子鹼、氰化物、三丁基錫等有毒物質。但對其他海洋生物有害,在導致歐洲的牡蠣養殖場遭受浩劫之後,三丁基錫被禁用。

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整個20世紀70年代末至80年代,歐洲牡蠣幼仔附著失敗現象瀰漫。導致貝類產業經濟損失巨大。後來發現是由於三丁基錫造成的。

自拋光塗層通常需要在船體上有穩定的水流,例如大部分時間都在航行並以相當恆定的速度行駛的商船。

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商船常用自拋光船體

海軍艦艇一次可以在港口停靠幾天,或者正在高速航行,燒蝕塗層可以幫助剝離已經棲息的海洋生物。(新的)防污塗料以有機硅樹脂為基礎。「這些不是自我拋光,也不含殺菌劑。它們不能阻止污垢,但表面非常光滑,這使得它們(指藤壺和船體)很難粘在上面。「阿米斯特德說。塗層的能力正在提高。「使用較舊的防污塗層,藤壺在20節的速度下脫落。對於較新的,藤壺在每小時10節的速度下就脫落了。」他說。

另外,美國海軍曾經宣布研製一種水下機器人,用於清理船體上的藤壺。這種四輪機器人名為「全自動船體仿生水下清理系統」。美國海軍方面表示:「從某種程度上說,它的任務與家用地板清掃機器人、割草機或者一些先進的泳池清理機器人類似。在設計上,這種機器人無需使用系索,具有自治能力和很長的續航時間,利用一塊電池完成任務。」

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