Φωτεινή Προοπτική: Μπλε Λέιζερ για τα Βαθιά Θαλάσσια Στενά

Υποβρύχια επεξεργασία με μπλε διοδικό λέιζερ – Διάτρηση / Διείσδυση μέσω χαλύβδινης πλάκας 8 mm © Laserline

Από την κοπή και το τρύπημα μέχρι την αφαίρεση βαφής και τη θαλάσσια ρύπανση, οι υποβρύχιες εργασίες στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι τόσο πολυάριθμες όσο οι κόκκοι άμμου στην παραλία. Ορισμένες από αυτές τις εφαρμογές εκτελούνται σε βάθη αρκετών χιλιάδων μέτρων. Ένα νέο σύστημα λέιζερ που βασίζεται σε λέιζερ μπλε διόδου υπόσχεται πλέον μια λύση χωρίς επαφή, χαμηλής συντήρησης και οικονομικά αποδοτική για ένα ευρύ φάσμα υποβρύχιων εργασιών.

Είτε πρόκειται για τη συντήρηση υπεράκτιων πλατφορμών, είτε για τον παροπλισμό παλαιών πλατφορμών άντλησης πετρελαίου, είτε για την επιθεώρηση υποβρύχιων κατασκευών, οι απαιτήσεις για ακρίβεια, αποτελεσματικότητα και περιβαλλοντική συμβατότητα στις υποθαλάσσιες εργασίες συνεχίζουν να αυξάνονται. Ταυτόχρονα, οι συμβατικές μέθοδοι φτάνουν γρήγορα στα όριά τους εδώ. Οι κοινές μέθοδοι επεξεργασίας που βασίζονται στην πίεση, όπως οι πίδακες νερού υψηλής πίεσης που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση της ανάπτυξης φυκών, χάνουν την αποτελεσματικότητά τους με την αύξηση του βάθους λόγω της υψηλής αντίθλιψης του νερού. Επιπλέον, πολλά από αυτά τα συστήματα απαιτούν εντατική συντήρηση και είναι επιρρεπή σε φθορά. Τα μηχανικά εργαλεία, όπως τα κυκλικά πριόνια, με τη σειρά τους, δημιουργούν δυνάμεις ανάκρουσης κατά την επαφή με εξαρτήματα, οι οποίες αποσταθεροποιούν τα τηλεχειριζόμενα υποβρύχια οχήματα (ROV) και συχνά προκαλούν την απομάκρυνσή τους.

Κατά συνέπεια, η βιομηχανία δείχνει μεγάλο ενδιαφέρον για εναλλακτικές λύσεις χωρίς επαφή και δύναμη, χαμηλής φθοράς και χαμηλής συντήρησης – δυνατότητες που μπορεί να προσφέρει η τεχνολογία λέιζερ ειδικότερα. Οι αρχικές προσπάθειες, ωστόσο, δεν ήταν πολύ επιτυχημένες. Οι πρώτες προσπάθειες χρήσης συμβατικών υπέρυθρων (IR) λέιζερ για την κοπή δομών κατά την παροπλισμό πλατφορμών πετρελαίου αποδείχθηκαν μόνο εν μέρει πρακτικές. Ο κύριος λόγος: η υπέρυθρη ακτινοβολία (μήκος κύματος 1000 nm) απορροφάται πλήρως από το νερό μέσα σε λίγα μόλις εκατοστά, με αποτέλεσμα σημαντική απώλεια ενέργειας. Για υποθαλάσσιες εφαρμογές, η κοπή με υπέρυθρο λέιζερ μπορεί επομένως να πραγματοποιηθεί μόνο χρησιμοποιώντας ακροφύσιο αέρα ή θάλαμο γεμάτο με αέρα – μια πολύπλοκη και δαπανηρή διαδικασία που εμποδίζει επίσης τη χρήση σε μεγαλύτερα βάθη.

Μπλε λέιζερ ως βασική τεχνολογία

Ένα πρόσφατα αναπτυγμένο υποβρύχιο σύστημα λέιζερ που βασίζεται σε λέιζερ μπλε διόδου από την Laserline υπόσχεται τώρα μια λύση σε αυτήν την πρόκληση. Σε αντίθεση με την υπέρυθρη ακτινοβολία, το μπλε φως που εκπέμπεται από αυτά τα λέιζερ, με μήκος κύματος περίπου 445 νανόμετρα, απορροφάται ελάχιστα από το νερό. Έτσι, τα λέιζερ προσφέρουν εξαιρετική μετάδοση, με αποτέλεσμα να είναι διαθέσιμη (σχεδόν) ολόκληρη η ισχύς του λέιζερ - ακόμη και όταν πρέπει να γεφυρωθούν αποστάσεις έως και ενός μέτρου ή περισσότερο κατά την επεξεργασία. Σε συνδυασμό με ισχύ λέιζερ έως και 6 κιλοβάτ, αυτό το φυσικό πλεονέκτημα ανοίγει πολλές νέες δυνατότητες για επεξεργασία υλικών χωρίς δύναμη και επαφή απευθείας υποβρυχίως - χωρίς θάλαμο αέρα ή άλλη πολύπλοκη υποδομή.

Τα συστήματα διοδικού λέιζερ Laserline προσφέρουν επίσης μέγιστη ακρίβεια: για παράδειγμα, το μέγεθος της κηλίδας λέιζερ μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια μικρομέτρου και η ισχύς μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτή η δυνατότητα γρήγορης ρύθμισης της ισχύος καθιστά το σύστημα ιδιαίτερα κατάλληλο για σύνθετες εργασίες σε μεγάλα βάθη.

Υποβρύχια επεξεργασία με μπλε διοδικό λέιζερ – Διάτρηση / Διείσδυση μέσω χαλύβδινης πλάκας 8 mm © Laserline

Αποδοτικό, Ευέλικτο, Οικονομικό

Ο συνδυασμός υψηλής απόδοσης και ακριβούς ελέγχου καθιστά το νέο σύστημα λέιζερ εξαιρετικά ελκυστικό, τόσο τεχνολογικά όσο και οικονομικά. Η επεξεργασία χωρίς επαφή υποβρυχίως μειώνει σημαντικά τη φθορά των εργαλείων και των εξαρτημάτων, μειώνει τις ενεργειακές απαιτήσεις και ελαχιστοποιεί την απελευθέρωση δυνητικά επιβλαβών σωματιδίων ή ουσιών. Η επεξεργασία χωρίς επαφή υποβρυχίως μειώνει σημαντικά τη φθορά των εργαλείων και των εξαρτημάτων, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και ελαχιστοποιεί την απελευθέρωση δυνητικά επιβλαβών σωματιδίων ή ουσιών. Όσον αφορά την προστασία του περιβάλλοντος και τη διατήρηση των πόρων, η διαδικασία που βασίζεται σε διοδικό λέιζερ σαφώς υπερτερεί των συμβατικών μηχανικών ή χημικών μεθόδων, οι οποίες συχνά προκαλούν περιβαλλοντική ζημιά και υποβάθμιση υλικών. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την αφαίρεση της θαλάσσιας ρύπανσης, η οποία μέχρι σήμερα συχνά αντιμετωπίζεται με τέτοιες μεθόδους, θέτοντας σε κίνδυνο τόσο το περιβάλλον όσο και τα εξαρτήματα.

Το σύστημα προσφέρει επίσης νέα πλεονεκτήματα υλικοτεχνικής υποστήριξης. Ενώ οι συμβατικές διαδικασίες θερμικής επεξεργασίας στα βαθιά απαιτούν συχνά τη χρήση μεγάλων, εξειδικευμένων πλοίων με ημερήσιο κόστος που κυμαίνεται από πέντε έως έξι ψηφία, το σύστημα διοδικού λέιζερ μπορεί επίσης να λειτουργήσει από μικρότερα πλοία εφοδιασμού χάρη στην απλούστερη αρχιτεκτονική του συστήματος. Αυτό όχι μόνο μειώνει το κόστος συντήρησης και λειτουργίας και μειώνει σημαντικά τους χρόνους ταξιδιού, αλλά αυξάνει επίσης σημαντικά τη διαθεσιμότητα του συστήματος και την ανταπόκριση των επιχειρησιακών ομάδων. Ειδικά για εργασίες συντήρησης σε σύντομο χρονικό διάστημα ή επείγουσες επισκευές, οι εταιρείες αποκτούν ένα αξιοσημείωτο λειτουργικό πλεονέκτημα.

Από τις διαδικασίες κοπής έως την αφαίρεση φυκιών

Το εύρος των πιθανών εφαρμογών είναι ποικίλο: κοπή λαμαρίνας και σωλήνων κατά την παροπλισμό πλατφορμών άντλησης πετρελαίου, αφαίρεση επιστρώσεων, χρωμάτων και θαλάσσιων ρύπων, επιθεώρηση και συντήρηση βαλβίδων και φέροντων κατασκευών σε αγωγούς ή υπεράκτιες πλατφόρμες. Οι τελευταίες, ειδικότερα, συχνά κατακλύζονται πλήρως από φύκια μετά από μερικά χρόνια λειτουργίας. Εδώ, ένα ROV εξοπλισμένο με λέιζερ και κάμερα μπορεί να αφαιρέσει την ανάπτυξη και να αποκαταστήσει την καθαρή ορατότητα σε κρίσιμα εξαρτήματα με μία μόνο κατάδυση - ένα αποφασιστικό πλεονέκτημα για τις εταιρείες συντήρησης και τους υποβρύχιους ολοκληρωτές. Τα συστήματα με υποβοήθηση ρομπότ για επιθεωρήσεις αγωγών μπορούν επίσης να εξοπλιστούν με διοδικό λέιζερ ως χρήσιμο πρόσθετο.

Υποβρύχια επεξεργασία – Αφαίρεση της ανάπτυξης φυκών σε πέτρα με μπλε διοδικό λέιζερ πριν από την επεξεργασία. © Laserline

Υποβρύχια επεξεργασία – Αφαίρεση της ανάπτυξης φυκών σε πέτρα με μπλε διοδικό λέιζερ κατά την επεξεργασία. © Laserline

Υποβρύχια επεξεργασία – Αφαίρεση της ανάπτυξης φυκών σε πέτρα με μπλε διοδικό λέιζερ μετά την επεξεργασία. © Laserline

Γραμμική κοπή λεπτού μεταλλικού φύλλου © Laserline

Τεχνολογία Συστήματος

Ανάλογα με την εφαρμογή, έχουν αναπτυχθεί διαφορετικές προσεγγίσεις ενσωμάτωσης για τα λέιζερ διόδου. Μια επιλογή είναι η τοποθέτηση του συστήματος λέιζερ σε ένα Workhorse ROV, με τηλεχειρισμό από ένα σκάφος ανεφοδιασμού μέσω ενός παραδοσιακού καλωδίου πολλαπλών φορέων. Το σύστημα λέιζερ, με ισχύ εξόδου έως και 6 kW, είναι ειδικά κλειστό για να το προστατεύει μόνιμα από το νερό, την πίεση και τη βρωμιά. Οι σταθερά χαμηλές θερμοκρασίες νερού μεταξύ τεσσάρων και επτά βαθμών Κελσίου που επικρατούν στα βαθιά νερά καθιστούν το ενσωματωμένο σύστημα ψύξης λέιζερ ιδιαίτερα αποτελεσματικό.

Ανάλογα με το σενάριο, τα συστήματα λέιζερ μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να ανταποκρίνονται στις ειδικές απαιτήσεις του πελάτη. Τα υποβρύχια οχήματα μπορούν να εξοπλιστούν με σαρωτές λέιζερ ή σταθερά οπτικά συστήματα, καθώς και λέιζερ διόδου σε διαφορετικές κατηγορίες ισχύος, ανάλογα με την συγκεκριμένη εφαρμογή. Ωστόσο, η ανάπτυξη σε αυτόν τον τομέα απέχει πολύ από το να ολοκληρωθεί: τα αρθρωτά μεμονωμένα εξαρτήματα, για παράδειγμα, αναμένεται να επιτρέψουν ακόμη πιο συμπαγή σχέδια συστημάτων - μειώνοντας τελικά και το μέγεθος των ROV. Αναμένονται περαιτέρω βελτιστοποιήσεις: η ισχύς του λέιζερ και η ενεργειακή απόδοση θα συνεχίσουν να αυξάνονται και τα συστήματα αναγνώρισης εικόνας έχουν τη δυνατότητα να συνδυαστούν με την Τεχνητή Νοημοσύνη στο μέλλον για την αυτόματη αναγνώριση σημείων ρύπανσης ή διάβρωσης.

Μελέτη περίπτωσης: Καθαρισμός κύτους πλοίων με μπλε λέιζερ

Οι εξαιρετικές ιδιότητες μετάδοσης των μπλε μηκών κύματος στο νερό μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν για την καταπολέμηση της βιορύπανσης στα κύτη των πλοίων. Στο ερευνητικό έργο «FoulLas», που χρηματοδοτείται από τον οργανισμό έργου Jülich με πόρους από το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Οικονομικών Υποθέσεων και Δράσης για το Κλίμα (BMWK), οι εταίροι του έργου Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Applied Materials Research IFAM, Laserline GmbH και Laser Zentrum Hannover eV (LZH) απέδειξαν για πρώτη φορά ότι η στοχευμένη υποβρύχια ακτινοβολία λέιζερ μπορεί να προκαλέσει θανατηφόρα βλάβη στη θαλάσσια ρύπανση, όπως τα φύκια, τα μύδια και τα πεταλίδια, χωρίς να βλάψει τις προστατευτικές επιστρώσεις από κάτω. Μετά την επεξεργασία, η νεκρή ρύπανση αποκολλάται φυσικά κατά τη διάρκεια του επόμενου ταξιδιού του σκάφους λόγω των δυνάμεων διάτμησης του νερού. Η μέθοδος αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στις μηχανικές διεργασίες, οι οποίες συχνά προκαλούν ζημιά στις επιστρώσεις και απελευθερώνουν ζωντανούς οργανισμούς.

Ένα επόμενο έργο με την ονομασία «FoulLas2» μεταφέρει τώρα αυτά τα εργαστηριακά αποτελέσματα στην πράξη: ένα ημιαυτόνομο, μαγνητικά προσκολλημένο υποβρύχιο ερπυστριοφόρο σκάφος εξοπλισμένο με ενσωματωμένα οπτικά λέιζερ θα σαρώνει συστηματικά το κύτος του πλοίου και θα ακτινοβολεί απευθείας τη ρύπανση.

Συμπέρασμα: Θέτοντας νέα πρότυπα στην υποβρύχια τεχνολογία

Συνολικά, το λέιζερ μπλε διόδου σηματοδοτεί ένα τεχνολογικό ορόσημο για τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Συνδυάζει την αποτελεσματικότητα, την ακρίβεια και την περιβαλλοντική φιλικότητα σε ένα συμπαγές σύστημα και ανοίγει νέες δυνατότητες για υποβρύχια επεξεργασία. Είτε πρόκειται για τη συντήρηση υπεράκτιων πλατφορμών, την επιθεώρηση αγωγών είτε για την απομάκρυνση θαλάσσιων ρύπων, το λέιζερ παρέχει μια ισχυρή και βιώσιμη λύση για πολλά σενάρια εφαρμογών. Για τις εταιρείες σέρβις, συντήρησης και προμήθειας στον υποθαλάσσιο τομέα, το σύστημα ανοίγει νέους τεχνολογικούς ορίζοντες και μπορεί να αντικαταστήσει πολλές καθιερωμένες μεθόδους υποβρύχιας επεξεργασίας μεσοπρόθεσμα έως μακροπρόθεσμα.

Συντελεστής ισχύος μετάδοσης υπέρυθρης ακτινοβολίας και μπλε λέιζερ υποβρυχίως © Laserline