Projekt MinKav na Univerzitě aplikovaných věd v Kielu zkoumá, jak upravit geometrii lodních šroubů, aby se snížila kavitace, fyzikální jev zodpovědný za podmořský hluk, který ovlivňuje tisíce druhů.
Podle údajů Mezinárodní námořní komory se po světových oceánech trvale pohybuje přibližně 50 000 obchodních lodí. Každá z nich vytváří neustálým otáčením lodních šroubů nízkofrekvenční zvuk, který se šíří na kilometry pod vodou a narušuje život ryb, kytovců a korýšů. Znečištění hlukem pod vodou není novým problémem, ale dosud pro něj chybělo životaschopné technické řešení.
Jev známý již od 19. století
Příčina tohoto přetrvávajícího hluku má své jméno: kavitace. Když se lopatky lodního šroubu otáčejí vysokou rychlostí, vytvářejí rozdíl tlaku mezi svými dvěma plochami. Na zadní straně klesne tlak tak prudce, že voda přestane být kapalná a změní se na tisíce drobných bublinek páry, tj. stane se plynnou. Tento jev byl poprvé analyzován v roce 1893 a jeho vliv na mořské ekosystémy je ve vědecké literatuře oficiálně identifikován od roku 2004.
Skutečným problémem není vznik těchto bublinek, ale to, co se děje poté. Když opustí zónu nízkého tlaku, při návratu do kapalného stavu prudce implodují a vytvářejí rázové vlny, které se vysokou rychlostí šíří vodou. Pokud tyto rázové vlny narazí na hladinu, mohou způsobit značné škody. Celý proces je doprovázen vibracemi a duněním připomínajícím náraz štěrku do stroje: širokopásmový zvuk s basovými složkami, který se může šířit na obrovské vzdálenosti.
Oceány potřebují ticho
Ze všech druhů znečištění, které ovlivňují oceány, je hluk způsobený člověkem pravděpodobně nejméně známý široké veřejnosti, ačkoli jeho důsledky jsou vědeckou komunitou široce zdokumentovány. Například velryby jsou závislé na zvuku při komunikaci, orientaci a hledání potravy. Ryby ho potřebují k životně důležitým funkcím, jako je detekce predátorů nebo koordinace tření. Dokonce i korýši jsou citliví na vibrace přenášené mořským dnem. Všudypřítomná komerční lodní doprava způsobuje, že tento hluk není jednorázovou událostí, ale neustálou záležitostí.
Projekt MinKav: od diagnózy k laboratoři
S vědomím závažnosti tohoto problému zahájil tým na Univerzitě aplikovaných věd v německém Kielu projekt MinKav, jehož cílem je navrhnout tišší lodní šrouby. Prvním krokem bylo přesné určení okamžiku, kdy vzniká hluková špička. Výzkumníci potvrdili, že k nejhlasitějšímu zvuku nedochází při vzniku bubliny páry, ale až na samém konci jejího rozpadu. Intenzita akustického nárazu navíc přímo závisí na rychlosti, s jakou ke kolapsu dochází: čím rychlejší je kolaps, tím větší je výsledná tlaková vlna.
Experimenty probíhají v Laboratoři námořní hydrodynamiky německé univerzity, kde se zmenšená vrtule otáčí uvnitř nádrže, která simuluje skutečné podmínky proudění v oceánu. Pomocí mikrofonů určených pro práci pod vodou, tzv. hydrofónů, a vysokorychlostních kamer se týmu podařilo přesně určit, kde a kdy dochází k tomuto kritickému akustickému vrcholu.
Simulace a nové geometrie
Po získání experimentálních dat se v další fázi projektu pomocí počítačových simulací testují různé tvary lopatek. Cílem je najít geometrie vrtulí, které minimalizují kavitaci, aniž by se snížil výkon, účinnost pohonu nebo životnost součástí. Výzkumníci vylučují nejintuitivnější řešení, kterým by bylo prosté snížení otáček vrtule za minutu: komerční plavidlo si nemůže dovolit plout pomaleji.
Odborníci projektu také zdůrazňují vedlejší přínos: lodní šroub, který vytváří méně kavitace, bude nejen méně akusticky znečišťovat, ale mohl by být také energeticky účinnější, protože kavitace znamená plýtvání mechanickou energií. Jinými slovy, snížení hluku by mohlo přispět i ke snížení emisí z lodí.
Skromný rozpočet na globální výzvu
Projekt MinKav byl zahájen v lednu 2025, je plánován na tři roky a jeho rozpočet činí 390 000 eur (9,5 milionu korun), což je skromná částka ve srovnání s planetárním rozsahem problému, který má řešit. I když výzkum přinese slibné výsledky v laboratoři, čeká nás velká výzva: převést tato zlepšení z miniaturizovaného modelu do skutečného návrhu lodních šroubů pro velká komerční plavidla.