La ingeniería marina es la ingeniería de embarcaciones, barcos, submarinos y cualquier otra embarcación marina . Aquí también se incluye la ingeniería de otros sistemas y estructuras oceánicos, denominada en ciertos círculos académicos y profesionales “ingeniería oceánica”.
La ingeniería marina aplica una serie de ciencias de la ingeniería, incluida la ingeniería mecánica , la ingeniería eléctrica , la ingeniería electrónica y la informática , al desarrollo, diseño, operación y mantenimiento de sistemas oceánicos y de propulsión de embarcaciones . [1] Incluye, entre otros, plantas de energía y propulsión, maquinaria, tuberías, sistemas de automatización y control para vehículos marinos de cualquier tipo, así como estructuras costeras y marinas.
Arquímedes es considerado tradicionalmente como el primer ingeniero marino, ya que desarrolló varios sistemas de ingeniería marina en la antigüedad. La ingeniería marina moderna se remonta al comienzo de la Revolución Industrial (principios del siglo XVIII).
En 1807, Robert Fulton utilizó con éxito una máquina de vapor para propulsar un barco a través del agua. El barco de Fulton utilizó el motor para impulsar una pequeña rueda de paletas de madera como sistema de propulsión marina . La integración de una máquina de vapor en una embarcación para crear una máquina de vapor marina fue el comienzo de la profesión de ingeniería marina. Sólo doce años después de que el Clermont de Fulton hiciera su primer viaje, el Savannah marcó el primer viaje por mar de América a Europa. Unos 50 años más tarde, las ruedas de paletas impulsadas por vapor alcanzaron su apogeo con la creación del Great Eastern , que era tan grande como uno de los cargueros actuales, con 700 pies de largo y un peso de 22.000 toneladas. Los barcos de vapor se convertirían en los pioneros de la industria naval durante los siguientes treinta años hasta que apareció el siguiente tipo de propulsión. [2]
Hay muchas formas de convertirse en ingeniero marino , pero todas incluyen un título universitario o universitario. Principalmente, la formación incluye una Licenciatura en Ingeniería (B.Eng. o BE), una Licenciatura en Ciencias (B.Sc. o BS), una Licenciatura en Tecnología (B.Tech.) o una Licenciatura en Ciencias Aplicadas (BASc.) en Ingeniería Marina. . Dependiendo del país y jurisdicción, para tener licencia de Ingeniero Naval, título de Maestría ; Es posible que se requiera una Maestría en Ingeniería (M.Eng.), una Maestría en Ciencias (M.Sc o MS) o una Maestría en Ciencias Aplicadas (MASc.). También hay ingenieros marinos que provienen de otras disciplinas, por ejemplo, de campos de la ingeniería como ingeniería mecánica , ingeniería civil , ingeniería eléctrica , ingeniería geomática , ingeniería ambiental o de campos científicos como geología , geofísica , física , geomática , ciencias de la tierra , matemáticas , Sin embargo, este camino requiere obtener un título de posgrado como M.Eng, MS, M.Sc. o MASC. en Ingeniería Marina después de graduarse de un programa universitario cuantitativo diferente para calificar como ingeniero marino.
Las materias fundamentales del estudio de ingeniería marina suelen incluir:
En la ingeniería de embarcaciones marítimas, la arquitectura naval se ocupa del diseño general del barco y su propulsión a través del agua, mientras que la ingeniería marina garantiza que los sistemas del barco funcionen según el diseño. [3] Aunque tienen disciplinas distintivas, los arquitectos navales y los ingenieros marinos a menudo trabajan codo a codo.
La ingeniería oceánica se ocupa de otras estructuras y sistemas en el océano o adyacentes a él, incluidas plataformas marinas , estructuras costeras como muelles y puertos , y otros sistemas oceánicos como la conversión de energía de las olas del océano y los sistemas de soporte vital submarinos . [4] De hecho, esto hace que la ingeniería oceánica sea un campo distinto de la ingeniería marina, que se ocupa específicamente del diseño y la aplicación de sistemas a bordo. [5] Sin embargo, debido a su nomenclatura similar y sus múltiples disciplinas centrales superpuestas (por ejemplo, hidrodinámica , hidromecánica y ciencia de materiales ), la “ingeniería oceánica” a veces opera bajo el término general de “ingeniería marina”, especialmente en la industria y el mundo académico fuera de EE.UU. La misma combinación se ha aplicado al resto de este artículo .
La oceanografía es un campo científico que se ocupa de la adquisición y análisis de datos para caracterizar el océano. Aunque son disciplinas separadas, la ingeniería marina y la oceanografía están estrechamente entrelazadas: los ingenieros marinos a menudo utilizan datos recopilados por los oceanógrafos para informar su diseño e investigación, y los oceanógrafos utilizan herramientas diseñadas por ingenieros marinos (más específicamente, ingenieros oceanográficos) para avanzar en su comprensión y exploración del océano. [6]
La ingeniería marina incorpora muchos aspectos de la ingeniería mecánica. Una manifestación de esta relación reside en el diseño de los sistemas de propulsión a bordo. Los ingenieros mecánicos diseñan la planta de propulsión principal , los aspectos de potencia y mecanización de las funciones del barco, como dirección, fondeo , manejo de carga , calefacción, ventilación, aire acondicionado, comunicación interior y exterior, y otros requisitos relacionados. Los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica suelen ser diseñados por sus proveedores; La única responsabilidad de diseño de la ingeniería marina es la instalación.
Además, la comprensión de temas de ingeniería mecánica como dinámica de fluidos , mecánica de fluidos , teoría de ondas lineales , resistencia de materiales , mecánica estructural y dinámica estructural es esencial para el repertorio de habilidades de un ingeniero marino. Estas y otras materias de ingeniería mecánica sirven como un componente integral del plan de estudios de ingeniería marina. [7]
Los conceptos de ingeniería civil desempeñan un papel importante en muchos proyectos de ingeniería marina, como el diseño y la construcción de estructuras oceánicas, puentes y túneles oceánicos y el diseño de puertos.
La ingeniería marina a menudo se ocupa de los campos de la ingeniería eléctrica y la robótica , especialmente en aplicaciones relacionadas con el empleo de cables de aguas profundas y UUV.
Una serie de cables transoceánicos de fibra óptica son responsables de conectar gran parte de las comunicaciones del mundo a través de Internet , transportando hasta el 99 por ciento del tráfico total de Internet y señales a nivel mundial. Estos cables deben diseñarse para resistir entornos de aguas profundas que son remotos y a menudo implacables, con presiones y temperaturas extremas, así como posibles interferencias de la pesca , la pesca de arrastre y la vida marina .
El uso de vehículos submarinos no tripulados (UUV) se beneficiará del uso de algoritmos y redes autónomos. Los ingenieros marinos pretenden aprender cómo se pueden utilizar los avances en autonomía y redes para mejorar las tecnologías UUV existentes y facilitar el desarrollo de vehículos submarinos más capaces.
Un conocimiento de la ingeniería marina resulta útil en el campo de la ingeniería petrolera, ya que la hidrodinámica y la integración del fondo marino sirven como elementos clave en el diseño y mantenimiento de plataformas petrolíferas marinas .
La construcción marina es el proceso de construcción de estructuras en grandes masas de agua o adyacentes a ellas, generalmente el mar. Estas estructuras se pueden construir para diversos fines, incluidos el transporte, la producción de energía y la recreación. La construcción marina puede implicar el uso de una variedad de materiales de construcción, predominantemente acero y hormigón . Algunos ejemplos de estructuras marinas incluyen barcos, plataformas marinas, amarres, tuberías, cables, muelles, puentes, túneles, rompeolas y muelles.
De la misma manera que los ingenieros civiles diseñan para acomodar las cargas de viento en edificios y puentes, los ingenieros marinos diseñan para acomodar un barco o submarino golpeado por olas millones de veces a lo largo de su vida útil. Estas condiciones de carga también se encuentran en la construcción marina y en la ingeniería costera.
Cualquier embarcación marítima tiene la necesidad constante de estabilidad hidrostática. Un arquitecto naval , al igual que un diseñador de aviones, se preocupa por la estabilidad . Lo que hace único el trabajo del arquitecto naval es que un barco opera en dos fluidos simultáneamente: agua y aire. Incluso después de que un barco ha sido diseñado y hecho a la mar, los ingenieros marinos enfrentan el desafío de equilibrar la carga, ya que apilar contenedores verticalmente aumenta la masa del barco y desplaza el centro de gravedad más alto. El peso del combustible también presenta un problema, ya que el cabeceo del barco puede provocar que el líquido se desplace, provocando un desequilibrio. En algunos buques, esta compensación se contrarrestará almacenando agua dentro de tanques de lastre más grandes . Los ingenieros marinos son responsables de la tarea de equilibrar y rastrear el combustible y el agua de lastre de un barco. Las estructuras flotantes en alta mar tienen limitaciones similares.
El entorno de agua salada al que se enfrentan los buques marítimos los hace muy susceptibles a la corrosión. En cada proyecto, los ingenieros marinos se preocupan por la protección de las superficies y la prevención de la corrosión galvánica . La corrosión se puede inhibir mediante protección catódica mediante la introducción de piezas de metal (por ejemplo, zinc ) que sirvan como "ánodo de sacrificio" en la reacción de corrosión. Esto hace que se corroa el metal en lugar del casco del barco. Otra forma de prevenir la corrosión es enviar una cantidad controlada de corriente continua baja a través del casco del barco, cambiando así la carga eléctrica del casco y retrasando la aparición de la corrosión electroquímica. Se encuentran problemas similares en estructuras costeras y marinas.
El antiincrustante es el proceso de eliminación de organismos obstructivos de los componentes esenciales de los sistemas de agua de mar. Dependiendo de la naturaleza y ubicación del crecimiento marino, este proceso se realiza de diferentes maneras:
La quema de combustibles marinos libera contaminantes nocivos a la atmósfera. Los barcos queman diésel marino además de fueloil pesado . El fueloil pesado, al ser el más pesado de los aceites refinados , libera dióxido de azufre cuando se quema. Las emisiones de dióxido de azufre tienen el potencial de aumentar la acidez atmosférica y de los océanos , causando daños a la vida marina. Sin embargo, el fueloil pesado sólo puede quemarse en aguas internacionales debido a la contaminación que genera. Es comercialmente ventajoso debido a su rentabilidad en comparación con otros combustibles marinos. Se prevé que el fueloil pesado dejará de utilizarse comercialmente para el año 2020 (Smith, 2018). [10]
El agua, el aceite y otras sustancias se acumulan en el fondo del barco, en lo que se conoce como sentina. El agua de sentina se bombea por la borda, pero debe pasar una prueba de umbral de contaminación de 15 ppm (partes por millón) de petróleo para ser descargada. El agua se analiza y se descarga si está limpia o se recircula a un tanque de retención para separarla antes de volver a analizarla. El tanque al que se devuelve, el separador de agua oleosa, utiliza la gravedad para separar los fluidos debido a su viscosidad. Los buques de más de 400 toneladas brutas deben transportar el equipo para separar el petróleo del agua de sentina. Además, según lo dispuesto por MARPOL, todos los buques de más de 400 toneladas brutas y todos los petroleros de más de 150 toneladas brutas deben registrar todas las transferencias de petróleo en un libro de registro de petróleo (EPA, 2011). [11]
La cavitación es el proceso de formación de una burbuja de aire en un líquido debido a la vaporización de ese líquido provocada por un área de baja presión. Esta área de baja presión reduce el punto de ebullición de un líquido, lo que le permite vaporizarse y convertirse en gas. La cavitación puede ocurrir en las bombas, lo que puede causar daños al impulsor que mueve los fluidos a través del sistema. La cavitación también se observa en la propulsión. Se forman bolsas de baja presión en la superficie de las palas de la hélice a medida que aumentan sus revoluciones por minuto (IIMS, 2015). [12] La cavitación en la hélice provoca una pequeña pero violenta implosión que podría deformar la pala de la hélice. Para solucionar el problema, más palas permiten la misma cantidad de fuerza de propulsión pero a un menor índice de revoluciones. Esto es crucial para los submarinos, ya que la hélice debe mantener el barco relativamente silencioso para permanecer oculto. Con más palas de hélice, la embarcación puede lograr la misma cantidad de fuerza de propulsión a revoluciones más bajas del eje.
Las siguientes categorías proporcionan una serie de áreas de enfoque en las que los ingenieros marinos dirigen sus esfuerzos.
Al diseñar sistemas que operan en el Ártico (especialmente equipos científicos como instrumentación meteorológica y boyas oceanográficas ), los ingenieros marinos deben superar una variedad de desafíos de diseño. El equipo debe poder funcionar a temperaturas extremas durante períodos de tiempo prolongados, a menudo con poco o ningún mantenimiento. Esto crea la necesidad de materiales excepcionalmente resistentes a la temperatura y componentes electrónicos de precisión duraderos. [ cita necesaria ]
La ingeniería costera aplica una combinación de ingeniería civil y otras disciplinas para crear soluciones costeras para áreas a lo largo o cerca del océano. Al proteger las costas de las fuerzas de las olas , la erosión y el aumento del nivel del mar , los ingenieros marinos deben considerar si utilizarán una solución de infraestructura "gris", como un rompeolas, una alcantarilla o un malecón hecho de rocas y hormigón, o una solución "verde". solución de infraestructura que incorpora plantas acuáticas, manglares y/o ecosistemas pantanosos. [13] Se ha descubierto que la infraestructura gris cuesta más para construir y mantener, pero puede proporcionar una mejor protección contra las fuerzas del océano en entornos de olas de alta energía. [14 ] Una solución verde es generalmente menos costosa y está mejor integrada con la vegetación local, pero puede ser susceptible a la erosión o daños si se ejecuta incorrectamente. [15] En muchos casos, los ingenieros seleccionarán un enfoque híbrido que combine elementos de soluciones grises y verdes. . [dieciséis]
El diseño de sistemas de soporte de vida submarinos , como hábitats submarinos, presenta un conjunto único de desafíos que requieren un conocimiento detallado de los recipientes a presión, la fisiología del buceo y la termodinámica.
Los ingenieros marinos pueden diseñar o hacer uso frecuente de vehículos submarinos no tripulados , que operan bajo el agua sin un ser humano a bordo. Los UUV a menudo realizan trabajos en lugares a los que de otro modo sería imposible o de difícil acceso para los humanos debido a una serie de factores ambientales (por ejemplo, profundidad, lejanía y/o temperatura). Los UUV pueden ser operados remotamente por humanos, como en el caso de los vehículos operados remotamente , semiautónomos o autónomos .
El desarrollo de las ciencias oceanográficas , la ingeniería submarina y la capacidad de detectar, rastrear y destruir submarinos ( guerra antisubmarina ) requirió el desarrollo paralelo de una gran cantidad de instrumentación y sensores científicos marinos . La luz visible no se transfiere a grandes profundidades bajo el agua, por lo que el medio de transmisión de datos es principalmente acústico . El sonido de alta frecuencia se utiliza para medir la profundidad del océano, determinar la naturaleza del fondo marino y detectar objetos sumergidos. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la definición de los datos que se devuelven. Sound Navigation and Ranging o SONAR se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial para detectar submarinos y se ha perfeccionado enormemente hasta la actualidad. De manera similar, los submarinos utilizan equipos de sonar para detectar y apuntar a otros submarinos y barcos de superficie, y para detectar obstáculos sumergidos, como montes submarinos , que representan un obstáculo para la navegación. Las ecosondas simples apuntan directamente hacia abajo y pueden dar una lectura precisa de la profundidad del océano (o mirar hacia la parte inferior del hielo marino). Las ecosondas más avanzadas utilizan un haz o sonido en forma de abanico, o varios haces, para obtener imágenes muy detalladas del fondo del océano. Los sistemas de alta potencia pueden penetrar el suelo y las rocas del fondo marino para brindar información sobre la geología del fondo marino y se utilizan ampliamente en geofísica para el descubrimiento de hidrocarburos o para estudios de ingeniería. Para las comunicaciones submarinas de corto alcance, es posible la transmisión óptica, utilizando principalmente láseres azules . Estos tienen un gran ancho de banda en comparación con los sistemas acústicos, pero el alcance suele ser de sólo unas pocas decenas de metros, idealmente de noche. Además de las comunicaciones acústicas y la navegación, se han desarrollado sensores para medir parámetros oceánicos como la temperatura, la salinidad , los niveles de oxígeno y otras propiedades, incluidos los niveles de nitratos, los niveles de trazas químicas y el ADN ambiental . La tendencia de la industria ha sido hacia sistemas más pequeños, más precisos y más asequibles para que puedan ser adquiridos y utilizados por departamentos universitarios y pequeñas empresas, así como por grandes corporaciones, organizaciones de investigación y gobiernos. Los sensores e instrumentos están instalados en sistemas autónomos y operados remotamente, así como en barcos, y permiten que estos sistemas asuman tareas que hasta ahora requerían una costosa plataforma tripulada por humanos. La fabricación de sensores e instrumentos marinos se realiza principalmente en Asia, Europa y América del Norte. Los productos se anuncian en revistas especializadas y a través de ferias comerciales.como Oceanology International y Ocean Business, que ayudan a dar a conocer los productos.
En todo proyecto costero y marino, la sostenibilidad ambiental es una consideración importante para la preservación de los ecosistemas oceánicos y los recursos naturales . Los casos en los que los ingenieros marinos se benefician del conocimiento de la ingeniería ambiental incluyen la creación de pesquerías , la limpieza de derrames de petróleo y la creación de soluciones costeras . [17]
Varios sistemas diseñados total o parcialmente por ingenieros marinos se utilizan en alta mar, lejos de las costas.
El diseño de plataformas petroleras marinas implica una serie de desafíos de ingeniería marina. Las plataformas deben poder resistir las corrientes oceánicas , las fuerzas de las olas y la corrosión del agua salada sin dejar de permanecer estructuralmente integrales y completamente ancladas al fondo marino . Además, los componentes de perforación deben diseñarse para enfrentar estos mismos desafíos con un alto factor de seguridad para evitar que las fugas y derrames de petróleo contaminen el océano.
Los parques eólicos marinos enfrentan muchos desafíos de ingeniería marina similares a los de las plataformas petroleras. Proporcionan una fuente de energía renovable con un rendimiento mayor que los parques eólicos terrestres, al tiempo que encuentran menos resistencia por parte del público en general ( ver NIMBY ). [18]
Los ingenieros marinos continúan investigando la posibilidad de que la energía de las olas del océano sea una fuente viable de energía para aplicaciones distribuidas o de red . Se han propuesto muchos diseños y se han construido numerosos prototipos, pero el problema de aprovechar la energía de las olas de manera rentable sigue en gran medida sin resolver. [19]
Un ingeniero marino también puede ocuparse de la planificación, creación, expansión y modificación de diseños de puertos y puertos . Los puertos pueden ser naturales o artificiales y proteger a los barcos anclados del viento, las olas y las corrientes. [20] Los puertos pueden definirse como una ciudad, pueblo o lugar donde amarran, cargan o descargan barcos. Los puertos generalmente residen dentro de un puerto y están compuestos por una o más terminales individuales que manejan una carga particular, incluidos pasajeros, carga a granel o carga en contenedores . [21] Los ingenieros marinos planifican y diseñan varios tipos de terminales y estructuras marítimas que se encuentran en los puertos, y deben comprender las cargas impuestas sobre estas estructuras a lo largo de su vida.
Las técnicas de salvamento marítimo se modifican y mejoran continuamente para recuperar naufragios. Los ingenieros marinos utilizan sus habilidades para ayudar en algunas etapas de este proceso.
Con una experiencia diversa en ingeniería, los ingenieros marinos trabajan en una variedad de trabajos industriales en todos los campos de las matemáticas, la ciencia, la tecnología y la ingeniería. Algunas empresas, como Oceaneering International y Van Oord , se especializan en ingeniería marina, mientras que otras consultan a ingenieros marinos para proyectos específicos. Este tipo de consultoría ocurre comúnmente en la industria petrolera, donde compañías como ExxonMobil y BP contratan ingenieros marinos para gestionar aspectos de sus proyectos de perforación en alta mar.
La ingeniería marina se presta a una serie de aplicaciones militares , en su mayoría relacionadas con la Armada . Los Seabees , el Cuerpo de Ingenieros Civiles y los Oficiales de Servicio de Ingeniería de la Armada de los Estados Unidos a menudo realizan trabajos relacionados con la ingeniería marina. Los contratistas militares (especialmente aquellos en astilleros navales) y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército también desempeñan un papel en ciertos proyectos de ingeniería marina.
En 2012, los ingresos anuales promedio de los ingenieros marinos en los EE. UU. fueron de 96.140 dólares con ingresos medios por hora de 46,22 dólares. [22] Como campo, se prevé que la ingeniería marina crezca aproximadamente un 12% entre 2016 y 2026. Actualmente, hay alrededor de 8.200 arquitectos e ingenieros marinos empleados, sin embargo, se espera que este número aumente a 9.200 para 2026 (BLS, 2017). ). [23] Esto se debe, al menos en parte, al papel fundamental de la industria naviera en la cadena de suministro del mercado global; El 80% del volumen del comercio mundial se realiza en el extranjero a través de cerca de 50.000 buques, todos los cuales requieren ingenieros marinos a bordo y en tierra (ICS, 2017). [24] Además, la energía marina continúa creciendo y existe una mayor necesidad de soluciones costeras debido al aumento del nivel del mar .
Las universidades marítimas se dedican a la enseñanza y formación de estudiantes en profesiones marítimas. Los ingenieros marinos generalmente tienen una licenciatura en ingeniería marina, tecnología de ingeniería marina o ingeniería de sistemas marinos. Los empleadores valoran la formación práctica junto con la licenciatura.
Varias instituciones, incluidas el MIT , [26] UC Berkeley , [27] la Academia Naval de EE. UU. , [28] y la Universidad Texas A&M [29] , ofrecen una licenciatura en ciencias de cuatro años específicamente en ingeniería oceánica. Los programas acreditados consisten en materias básicas de matemáticas y ciencias para estudiantes universitarios, como cálculo , estadística , química y física ; materias fundamentales de ingeniería como estática , dinámica , ingeniería eléctrica y termodinámica ; y temas más especializados como análisis estructural oceánico , hidromecánica y gestión costera .
Los estudiantes de posgrado en ingeniería oceánica toman clases sobre temas más avanzados y profundos mientras realizan investigaciones para completar una tesis de posgrado. El Instituto de Tecnología de Massachusetts ofrece títulos de maestría y doctorado específicamente en ingeniería oceánica. [30] Además, el MIT es coanfitrión de un programa conjunto con la Institución Oceanográfica Woods Hole para estudiantes que estudian ingeniería oceánica y otros temas relacionados con los océanos a nivel de posgrado. [31] [32]
Las revistas sobre ingeniería oceánica incluyen Ocean Engineering , [33] el IEEE Journal of Oceanic Engineering [34] y el Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering . [35]
Las conferencias en el campo de la ingeniería marina incluyen la Conferencia y Exposición OCEANS de la IEEE Oceanic Engineering Society [36] y la Conferencia Europea de Energía Mareomotriz y de las Olas (EWTEC). [37]