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Com camuflagem aquática, navios passam sem fazer ondas

Com informações da Universidade Duke -  15/12/2017

Esquema do manto de invisibilidade aquática, que torna o navio invisível à água.[Imagem: Yaroslav Urzhumov/Duke University]

Invisibilidade aquática

Uma camuflagem aquática baseada em forças eletromagnéticas é capaz de tornar um navio "invisível para a água", o que significa reduzir o arrasto e virtualmente eliminar as ondas que ele gera e a tradicional esteira de água que se forma atrás do veículo aquático - a coisa também funciona para submarinos e barcos menores.

O trabalho é baseado nos metamateriais, onde é a estrutura de um material, e não sua composição química, que dita suas propriedades.

A ideia surgiu em 2011, quando pesquisadores delinearam o conceito geral de uma camuflagem aquática. Eles demonstraram matematicamente que, combinando a aceleração da água circundante com o movimento do barco, seria teoricamente possível aumentar muito a eficiência da propulsão, deixando o mar circundante inalterado.

Mas o sistema de bombas originalmente sugerido para gerar o efeito era complexo demais. Por isso, Dean Culver e Yaroslav Urzhumov, da Universidade de Duke, nos EUA, voltaram-se para os campos eletromagnéticos e a densa concentração de partículas carregadas - íons - encontradas na água salgada.

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Camuflagem magnetohidrodinâmica

O cerne da questão é que a água é um líquido relativamente viscoso que, quando movido, "puxa" seus arredores por meio de forças de cisalhamento, envolvendo uma grande massa no movimento e gerando um arrasto significativo - e um monte de ondas.

Os pesquisadores originalmente imaginaram construir uma espécie de armação com estruturas finas envolvendo o barco e pequenas bombas para acelerar o fluxo de água. Mas logo ficou claro que isso seria complicado demais, e a dupla decidiu que usar forças "magnetohidrodinâmicas" seria uma abordagem mais prática.

Quando uma partícula eletricamente carregada viaja através de um campo eletromagnético, o campo cria uma força sobre a partícula. Como a água do oceano está cheia de íons, como sódio, potássio e magnésio, há muitas partículas carregadas para empurrar. A ideia não é tão maluca quanto parece - o Japão construiu um protótipo de navio de passageiros em 1991, chamado Yamato 1, usando essas forças como meio de propulsão, mas a abordagem não se mostrou mais eficiente do que as hélices tradicionais.

A camuflagem aquática, contudo, pode ser realizada usando esta abordagem. As simulações computadorizadas e os testes em laboratório mostraram que, controlando a velocidade e a direção da água que circunda um objeto em movimento, é possível fazer com que o movimento da água dentro do manto de invisibilidade se equilibre com o movimento do mar circundante.

Essa equivalência de movimentos faz com que a água dentro da camuflagem pareça completamente parada em relação à água fora do manto de invisibilidade, eliminando o arrasto, as ondas e a esteira d'água - claro, as implementações práticas nunca serão perfeitas, então sempre permanecerá algum arrasto e uma pequena esteira.

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Protótipo do manto de invisibilidade aquática em testes de laboratório. [Imagem: Yaroslav Urzhumov/Duke University]

Invisibilidade aquática real

Embora as simulações tenham usado uma camada de camuflagem que tem a metade da largura do próprio navio, os cálculos mostram que a concha pode teoricamente ser tão fina quanto se queira. Outro resultado importante das simulações foi mostrar que as forças dentro da camuflagem não precisam mudar de direção à medida que o barco acelera - elas só precisariam de mais energia.

"Essa é uma das principais conclusões deste trabalho," disse Urzhumov. "Se você não precisar ajustar a distribuição de forças, você não precisa de nenhum interruptor eletrônico ou outro meio qualquer de controle dinâmico. Você pode ajustar a estrutura com uma configuração específica e simplesmente intensificar a corrente [elétrica] enquanto o objeto acelera."

O custo em termos de energia, contudo, é alto. Os cálculos indicam que, para um navio ou submarino real usar a camuflagem aquática, ele precisaria de um reator nuclear para gerar energia, dado os enormes requisitos de potência para encobrir um objeto desse tamanho. Mas um barco a diesel menor poderia alimentar uma camuflagem menos eficiente para eliminar a maior parte do espalhamento de água e do arrasto.

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Naves espaciais e reatores de fusão

Outra novidade interessante é que essas teorias e cálculos têm várias aplicações em potencial fora do oceano.

Projetos semelhantes poderiam ser usados, por exemplo, para criar um sistema de propulsão iônica distribuída, ao longo de toda a superfície de uma espaçonave. Também pode ser possível suprimir as problemáticas instabilidades do plasma que vêm atrasando a realização dos reatores de fusão nuclear.

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Bibliografia:

Forced Underwater Laminar Flows with Active Magnetohydrodynamic Metamaterials
Dean Culver, Yaroslav Urzhumov
Physical Review E
Vol.: 96.063107
DOI: 10.1103/PhysRevE.96.063107