Algengroei verhindert bellensmering schip

Belletjes langs scheepswanden sturen bespaart geen energie. De grote winst is te behalen door de wanden schoon te houden, zeggen Twentse onderzoekers.

Margriet van der Heijden

Drie maanden lang ploeterden fysicus Ramon van den Berg, onderzoeker aan de Universiteit Twente, en zijn student Dennis van Gils in een lab in Maryland in de Verenigde Staten. Het doel: uitzoeken waarom belletjes in het zeewater rond schepen niet het energiebesparende effect hebben dat was voorspeld op grond van proeven in het lab.

Het effect is al jaren bekend: door belletjes te injecteren in een turbulente stroming, vermindert de weerstand die een voorwerp in zo’n stroming ondervindt. In laboratoriumproeven is er bijvoorbeeld fors minder energie nodig om een cilinder te laten draaien in turbulent water, als daaraan luchtbelletjes worden toegevoegd.

Vertaald naar schepen op zee, zou het injecteren van belletjes langs de scheepswanden voor een flinke vermindering van brandstofverbruik en CO2-uitstoot zorgen. De besparing werd geraamd op dertig tot zelfs tachtig procent.

Maar praktijkproeven met een Japans onderzoeksschip, de Seiun-Maru, en met een Amerikaanse catamaran vielen tegen. De belletjes verminderden de weerstand met slechts zo’n vijf procent. „En bovendien werd het effect in de loop van de tijd steeds kleiner”, aldus Van den Berg.

In Maryland bevestigde hij nu, met collega’s, wat al langer werd vermoed: de ruwheid van scheepswanden geeft de belletjes geen kans (Physical Review Letters, 23 februari). Van den Berg: „Dat verklaart ook de afname van het effect bij de Seiun-Maru. Naarmate er meer algen groeien, neemt de ruwheid van de scheepswand toe en het effect van de belletjes af.”

Om die gedachte in het laboratorium te toetsen, werkte Van den Berg in Maryland met een zogeheten Taylor-Couettesysteem: een flink vat, gevuld met water en met in het het hart een roterende binnencilinder.

„Dat is een ideaal meetsysteem, omdat het helemaal gesloten is. Je weet precies hoeveel vloeistof er in het vat zit, hoe snel je de binnencilinder laat draaien en hoeveel energie dat kost”, zegt Van den Berg. „Het verband dat zo wordt gevonden tussen de gecontroleerd opgewekte turbulentie in het water en de weerstand op de cilinder, laat zich daarna makkelijk vertalen naar allerlei andere situaties waarin voorwerpen door een vloeistof of een gas bewegen.”

Eerdere metingen van Van den Berg met dezelfde opstelling hadden al uitgewezen dat de ruwheid van de cilinderwand nogal wat uitmaakt – afgezien dus van de belletjes. Ruwe wanden veroorzaken meer turbulentie en leiden daardoor tot meer wrijving en een hoger energieverbruik. „Dat kan oplopen met een factor twintig.”

Maar het effect van belletjes was tot dusver alleen bij gladde wanden onderzocht. „Wat je ziet is dat zich daar dicht op de wand een laagje water bevindt dat zich laminair – niet turbulent – gedraagt.” Alsof er rond de wand een dunne film, dertig micrometer tot een millimeter dik, van water ligt die de turbulente weerstand vermindert.

De belletjes hebben daarbij een tweeledig effect, liet Van den Berg eerder zien (Physical Review Letters, 4 februari 2005). Bij geringe turbulentie nestelen ze zich in de wervelingen en remmen het aanzwellen van die wervelingen af. Bij grote turbulentie speelt de vervormbaarheid van de belletjes een rol. „Ze vormen als het ware een buffer tussen de laminaire film en het turbulente water. Zo lijken ze ervoor te zorgen dat de laminaire laag langer stand houdt.”

In de nieuwe proeven bekeek Van den Berg ook het effect van belletjes op ruwe wanden. „Wat we samengevat zien is dat er bij ruwe wanden van meet af aan geen laminaire film is. De belletjes kunnen dus hun rol als buffer niet vervullen. De turbulentie en de bijbehorende wrijving zijn zo groot, ook aan de wand, dat belletjes toevoegen zinloos is.”

En dat is meteen de belangrijkste boodschap, zegt Van den Berg. „Belletjes zijn geen heilige graal. Wie energie wil besparen moet goede coatings ontwikkelen om de scheepswanden glad te houden. Nogmaals: in het lab scheelt dat tot zelfs een factor twintig. En laat het dan in de praktijk een factor tien zijn, dan is dat nog een enorme besparing.”