El antiincrustante ultrasónico es una tecnología que utiliza sonido de alta frecuencia ( ultrasonido ) para prevenir o reducir la bioincrustación en estructuras, superficies y medios submarinos. El ultrasonido es simplemente un sonido de alta frecuencia (que los humanos no pueden oír). El ultrasonido tiene las mismas propiedades físicas que el sonido audible para los humanos. El método tiene dos formas principales: intensidad de subcavitación e intensidad de cavitación . Los métodos de subcavitación crean vibraciones de alta frecuencia, mientras que los métodos de cavitación causan cambios de presión microscópicos más destructivos. Ambos métodos inhiben o previenen la bioincrustación por algas y otros organismos unicelulares .
El ultrasonido fue descubierto en 1794 cuando el fisiólogo y biólogo italiano Lazzarro Spallanzani descubrió que los murciélagos navegan a través del reflejo de sonidos de alta frecuencia. [1] Se cree que el antiincrustante ultrasónico fue descubierto por la Marina de los EE. UU. en la década de 1950 [ cita requerida ] . Durante las pruebas de sonar en submarinos, se dice que las áreas que rodean los transductores del sonar tenían menos incrustaciones que el resto del casco [ cita requerida ] .
Desde la antigüedad se ha intentado eliminar las incrustaciones biológicas , inicialmente con cera, alquitrán o asfalto. Los revestimientos de cobre y plomo fueron introducidos más tarde por los fenicios y cartagineses . [2] El Cutty Sark es un ejemplo de este tipo de revestimiento de cobre , que se puede ver en Greenwich, Inglaterra .
El ultrasonido es un sonido con una frecuencia lo suficientemente alta como para que los humanos no puedan oírlo. El sonido tiene una frecuencia (de baja a alta) y una intensidad (de baja a alta).
El ultrasonido se utiliza para limpiar joyas, soldar caucho, tratar abscesos y realizar ecografías . Estas aplicaciones dependen de la interacción del sonido con el medio por el que viaja. En aplicaciones marítimas, el ultrasonido es el ingrediente clave del sonar ; el sonar se basa en el sonido a frecuencias que van desde infrasónicas hasta ultrasónicas.
Las tres etapas principales son la formación de una biopelícula acondicionadora , la microincrustación y la macroincrustación. Una biopelícula es la acumulación de organismos unicelulares en una superficie. Esto crea un hábitat que permite que otros organismos se establezcan. La película acondicionadora recoge bacterias vivas y muertas, creando la llamada película primaria. [2]
Los dos enfoques para el antiincrustante ultrasónico son:
Cavitación: Los ultrasonidos de intensidad suficientemente alta hacen que el agua hierva, lo que crea cavitación . Esto aniquila físicamente los organismos vivos y la biopelícula que los sostiene. Una preocupación es el efecto potencial sobre el casco. La cavitación [3] se puede predecir matemáticamente mediante el cálculo de la presión acústica . Cuando esta presión es lo suficientemente baja, el líquido puede alcanzar su presión de vaporización . Esto da como resultado una vaporización localizada, que forma pequeñas burbujas; estas colapsan rápidamente y con una energía y turbulencia tremendas, generando calor del orden de 5000 K (4730 °C; 8540 °F) y presiones del orden de varias atmósferas . [4] Estos sistemas son más apropiados cuando el consumo de energía no es un factor y las superficies a proteger pueden tolerar las fuerzas involucradas.
Subcavitación: el sonido hace vibrar las superficies (por ejemplo, el casco, los cofres marinos, los enfriadores de agua) a las que está adherido el transductor. Las vibraciones impiden que la etapa cíprida de las especies bioincrustantes se adhieran permanentemente al sustrato al alterar la fuerza de Van Der Waals que permite que sus microvellosidades se mantengan adheridas a la superficie. [5]
Las diferentes frecuencias e intensidades (o potencias) de las ondas ultrasónicas tienen distintos efectos sobre la vida marina, como los percebes , [5] los mejillones y las algas.
Los dos componentes principales de un sistema antiincrustante ultrasónico son:
Los sistemas comerciales están disponibles en una amplia gama de energías y configuraciones. Todos utilizan transductores piezoeléctricos cerámicos como fuente de sonido. Los sistemas dedicados admiten:
El control ultrasónico de algas es una tecnología comercial que se ha afirmado que controla la floración de cianobacterias , algas y bioincrustaciones en lagos y embalses , mediante el uso de ultrasonidos pulsados . [6] [7] Se supone que la duración de dicho tratamiento puede durar varios meses, dependiendo del volumen de agua y las especies de algas. A pesar de la demostración experimental de ciertos bioefectos en pequeñas muestras en condiciones controladas de laboratorio y sonicación, no existe una base científica para el control ultrasónico de algas en exteriores.
Se ha especulado que los ultrasonidos producidos a frecuencias de resonancia de las células o sus membranas pueden provocar su ruptura. Las frecuencias centrales de los pulsos de ultrasonidos utilizados en estudios académicos se encuentran entre 20 kHz y 2,5 MHz. [8] Las potencias acústicas , presiones e intensidades aplicadas varían desde bajas, que no afectan a los humanos, [9] [10] hasta altas, que son peligrosas para los nadadores. [11]
Según una investigación de la Universidad de Hull , la liberación de gas asistida por ultrasonidos de las células de algas verdeazuladas puede tener lugar a partir de células que contienen nitrógeno , pero solo en condiciones de corta distancia muy específicas, que no son representativas de las aplicaciones previstas en exteriores. [12] Además, un estudio de la Universidad de Wageningen sobre varias especies de algas concluyó que la mayoría de las afirmaciones sobre el control de algas por ultrasonidos en exteriores no están fundamentadas. [13]
Los sistemas antiincrustantes ultrasónicos generalmente solo son capaces de mantener limpia una superficie. No pueden limpiar una superficie que ya tenga una infestación de bioincrustaciones bien establecida y madura. Por ello, son una medida preventiva y el objetivo de un sistema antiincrustante ultrasónico es mantener la superficie protegida lo más cerca posible de su estado de limpieza óptimo.
Los sistemas ultrasónicos no son eficaces en los buques con casco de madera o fabricados con ferrocemento, ya que estos materiales amortiguan las vibraciones de los transductores. Los cascos compuestos con una construcción tipo sándwich también pueden requerir modificaciones para formar bases monolíticas de material sólido en cada ubicación del transductor.