Kavitacija: ko se voda začne trgati, nastanejo težave

Ko so začeli v drugi polovici 19. stoletja izdelovati hitre ladje na propelerski pogon, se je pojavila težava, ki je sprva niso znali rešiti. Čeprav so znali zgraditi vedno močnejše motorje, ki so ladijske vijake vrteli vedno hitreje, so lahko na ta način hitrost ladje povečevali le do določene mejne hitrosti, nato pa napredka ni bilo več. Ugotovili so tudi, da začne propelerje, ki se zelo hitro vrtijo, skrivnostna sila razjedati, tako da se zelo hitro uničijo.

Glede na to, da je bila hitrost vojaških ladij strateško zelo pomembna, so se inženirji zelo zavzeto lotili iskanja vzrokov za tovrstne težave. S poskusi so ugotovili, da so vzrok problemov najverjetneje mehurčki, ki nastajajo na ladijskem vijaku, ko se ta zelo hitro vrti. Angleški ladijski konstruktorji so pojav okoli leta 1895 podrobno opisali in ga poimenovala kavitacija. Ime za pojav je izviralo iz latinske besede cavus, ki pomeni votlina oziroma prazen prostor.

Uničevalni mehurčki

Kavitacija je za strojne inženirje velika nadloga, saj uničuje črpalke, propelerje, cevi in nasploh vse elemente, pri katerih pride pri pretakanju tekočin do izrazitih padcev tlaka. Ko voda zavre, se namreč začne zaradi dovajanja energije pretvarjati iz tekočega v plinasto stanje. To opazimo, ker začnejo iz vode dvigati mehurčki, čemur pravimo vrenje.

Pri običajnem tlaku ob morski gladini voda zavre pri 100 stopinjah Celzija. Kot dobro vedo člani alpinističnih odprav v visoke gore, pa na velikih višinah voda zavre že pri bistveno nižji temperaturi, ker je zračni tlak v gorah manjši kot ob morju. Zelo visoko v Himalaji tako lahko alpinisti kuhano jajce kar z roko vzamejo iz vrele vode, saj se jim tekočina v posodi nad plamenom ne segreje na višjo temperaturo, kot je njeno vrelišče pri nižjem zračnem tlaku. V laboratoriju lahko s črpalko povsem izčrpamo zrak iz pokrite posode z vodo, tako da zraka nad vodo ne ostane skorajda nič več. V takem primeru opazimo, da začne voda vreti že kar pri sobni temperaturi.

Do izrazitega lokalnega znižanja tlaka lahko pride tudi zaradi hitrega gibanja tekočine. Če se cev na nekem mestu zoži, to po zakonih o ohranitvi energije in gibalne količine pomeni, da mora v zoženem delu tekočina teči hitreje, tlak pa se zmanjša. Če so hitrosti dovolj velike, se lahko tlak v tekočini zmanjša do te mere, da pride do vrenja oziroma nastajanja mehurčkov že pri običajni sobni temperaturi. Poenostavljeno bi lahko rekli, da se začne voda trgati, saj ni več v tekočem, ampak v plinastem stanju. Takšnemu prehajanju iz tekočega v plinasto stanje vode zaradi znižanega tlaka strojni inženirji pravijo kavitacija.

Temperature, višje kot na površini Sonca

Prehajanje vode iz tekočega v plinasto stanje in nazaj samo po sebi ne bi bilo nič slabega, če pri hitrem nastajanju in izginjanju mehurčkov ne bi prišlo do zelo veliko mikroskopskih eksplozij ali bolje rečeno implozij. Ko se mehurček začne manjšati, se začnejo njegove stene zelo hitro gibati druga proti drugi, vsem plinom pa pri tem ne uspe dovolj hitro pobegniti. Ker jih v procesu močno stisne, se zelo segrejejo.

Implozijo takšnih kavitacijskih mehurčkov so posneli z zelo hitrimi kamerami in ugotovili, da se tik pred kolapsom plini segrejejo na temperaturo, ki celo presega temperaturo na površini Sonca, zato plini tudi zasvetijo. Prav tako nastane v mehurčku, tik preden se razblini, izjemno visok tlak.

Energija, ki se sprosti pri imploziji mehurčka, se pretvori v udarni val, ki nato z nadzvočno hitrostjo več tisoč kilometrov na uro potuje po vodi na vse strani. Udarni val, ki nastane, ko stene mehurčka trčijo druga v drugo, lahko primerjamo z eksplozijo, ki jo slišimo, ko letalo prebije zvočni zid. In prav ta udarni val je običajno tisti, ki povzroča težave inženirjem, saj je zelo destruktiven.

V vsakdanjem svetu imamo s kavitacijo opraviti tudi takrat, ko nam poči v sklepu. Ko prste ukrivimo, v sklepu pogosto zaslišimo značilen tlesk. Ta nastane, ker se pri gibu, s katerim nategnemo sklep, poveča volumen področja s sklepno tekočino, zato tlak tam na hitro pade. Sklepna tekočina se pri tem upari, nastane mehurček, ki se nato razblini, kar slišimo kot pok, ki pride iz sklepa. Ker gre za proces, enak tistemu, ki v strojih povzroča obrabo, zdravniki svetujejo, da s pokanjem tekočine v sklepih ne pretiravamo, saj lahko naše početje vodi do artritisa.

Pri raziskavah živih bitij v naravi so ugotovili, da znajo nekateri raki kavitacijo uporabljati za lov. S kleščami ustvarijo kavitacijske mehurčke, jih usmerijo v žrtev in jo tako omamijo. Pri tem seveda povzročajo pokanje, za katerega so nekoč menili, da je posledica udarjanja rakovih klešč, a se je kasneje izkazalo, da gre za udarne valove, ki izvirajo iz implozij mehurčkov.

Skrivnosti raketnega pogona

Mehurčki so lahko odločilen dejavnik tudi pri tem, ali bo raketa poletela v vesolje. Rakete namreč za svoj pogon pri vzletu porabijo tudi do 1000 litrov goriva na sekundo. Gorivo, ki ga običajno uporabljajo, sta tekoči vodik in tekoči kisik. Črpalka, ki iz rezervoarjev črpa ogromne količine goriva, ki nato izgoreva in potiska raketo, pa ni večja od nogometne žoge.

Raketne črpalke so narejene iz titana, vrtijo se s 1000 obrati na sekundo, kar pomeni, da se obod črpalke vrti s hitrostjo kar 2000 kilometrov na uro. Ob vzletu rakete mora črpalka to izjemno veliko hitrost vrtenja doseči v enem samem obratu. Če črpalki te hitrosti ne uspe razviti v enem samem obratu, raketi ne uspe poleteti, vse skupaj pa se konča kot katastrofa.

Za svoje delovanje raketna črpalka porablja ogromno količino energije. To količino lahko primerjamo s skupno porabo vseh stanovanj v manjšem mestu. A žal je njena običajna življenjska doba le nekaj minut. Ker se v črpalki zaradi ekstremnih razmer pojavijo kavitacijski mehurčki, jo v zgolj nekaj minutah zelo intenzivnega prečrpavanja goriva povsem razžrejo in tako uničijo. Leta 1999 japonski raketi H-II tako ni uspelo doseči orbite prav zato, ker se ji je zaradi kavitacije že po dobrih dveh minutah letenja pokvarila črpalka za gorivo. A k sreči večina raket doseže dovolj veliko višino še pred tem, ko jim uničena črpalka začne povzročati težave.

Koristna uporaba kavitacije

Matevž Dular s Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani, je strokovnjak za kavitacijske mehurčke. Za Evropsko vesoljsko agencijo je proučeval, kako bi lahko zmanjšali škodljiv učinek kavitacije na črpalke raketnih motorjev, zdaj pa ga vedno bolj zanima, kako bi uničevalno moč kavitacije lahko tudi koristno uporabili.

Že dolgo je znan postopek čiščenja, pri katerem z ultrazvočnimi vibracijami v vodi vzbudimo pojav kavitacijskih mehurčkov. Na ta način lahko v le nekaj minutah očistimo zlatnino in druge podobne predmete. Ultrazvočne čistilce uporabljajo v medicini in industriji, poceni izvedbo pa si lahko kupimo tudi za domačo uporabo. Razdiralno moč kavitacije zdravniki uporabljajo tudi pri ultrazvočnem razbijanju ledvičnih kamnov.

S kavitacijo je prav tako mogoče uničiti viruse in bakterije. Matevž Dular s sodelavci razvija »kavitacijski mlinček«, ki bo lahko s pomočjo mehurčkov očistil vodo, ki bo tekla skozenj. S takšnim mlinčkom jim je v vodi že uspelo pomoriti bakterije vrste legionela, kot prvi na svetu pa so s kavitacijo uničili tudi viruse. Razvijajo idejo, da bi z mlinčkom sistematično uničevali zdravilne učinkovine v odpadnih vodah, ki se v kanalizacijo izlivajo iz bolnišnic. Kar nekaj zdravil, ki jih zaužijejo pacienti, se namreč izloči iz telesa in gre preko kanalizacije v reke in morja, kar za okolje ni dobro.

Kavitacijski mlinček poskušajo prilagoditi tudi za čiščenje vode v bazenih, v katerih lahko zaradi mešanice klora, organskih snovi in sončnih krem nastajajo zelo nevarne snovi. Težava pri tem je, da za zdaj nihče še ne ve, kako kavitacijski mehurčki sploh onesposobijo bakterije in viruse. Prav za iskanje odgovorov na to pomembno vprašanje je Matevž Dular pridobil nekaj manj kot 2 milijona evrov sredstev v obliki večletnega znanstvenega projekta Evropskega raziskovalnega sveta (ERC).

-