超音波防汚技術は、高周波音（超音波）を用いて水中の構造物、表面、媒体への生物付着を防止または軽減する技術です。超音波は、人間の可聴範囲を超える高周波音ですが、他の動物は聞こえる場合があり、その他の点では人間の可聴範囲と同じ物理的特性を持っています。超音波防汚技術には、サブキャビテーション強度法とキャビテーション強度法という2つの主要な形態があります。サブキャビテーション法は高周波振動を発生させ、キャビテーション法はより破壊的な微視的圧力変化を引き起こします。どちらの方法も、藻類などの単細胞生物による生物付着を抑制または防止します。
背景
超音波は1794年にイタリアの生理学者で生物学者のラザロ・スパランツァーニがコウモリが高周波音の反射を利用して航行することを発見したことで発見されました。 [1]超音波防汚は1950年代にアメリカ海軍によって発見されたと考えられています。潜水艦のソナーテスト中に、ソナートランスデューサーの周囲の領域は船体の他の部分よりも汚れが少ないと言われました。[2]
防汚（生物付着の除去）は古代から試みられており、当初はワックス、タール、アスファルトが使用されていました。銅と鉛による被覆は、後にフェニキア人とカルタゴ人によって導入されました。[3]カティサーク号にはそのような銅被覆の例が1つあり、イギリスのグリニッジで見学できます。
理論
超音波
超音波（ウルトラソニック）とは、人間には聞こえないほど高い周波数の音です。音には周波数（低音から高音まで）と強度（静音から強音まで）があります。
超音波は、宝飾品の洗浄、ゴムの溶接、膿瘍の治療、超音波検査などに利用されています。これらの用途は、音と、音が伝わる媒体との相互作用を利用しています。海事用途では、超音波は一部のソナーの主要構成要素であり、ソナーは超低周波（人間の可聴範囲未満）から超音波までの周波数の音を利用しています。
バイオフィルム
バイオファウリングの主な3つの段階は、コンディショニングバイオフィルムの形成、ミクロファウリング、マクロファウリングです。バイオフィルムとは、単細胞生物が表面に付着したものです。これにより、他の生物が生息できる生息地が形成されます。コンディショニングフィルムは生菌と死菌を集め、いわゆる一次フィルムを形成します。[3]
超音波防汚
超音波防汚には、キャビテーションとサブキャビテーションという 2 つのアプローチがあります。
キャビテーション：十分に高い強度の超音波は水を沸騰させ、キャビテーションを発生させます。これにより生体とそれを支えるバイオフィルムが物理的に死滅します。1つの懸念は船体への潜在的な影響です。キャビテーション[4]は音圧を計算することで数学的に予測できます。この圧力が十分に低い場合、液体は蒸発圧力に達し、局所的に蒸発して小さな泡を形成します。これらの泡は急速に崩壊し、莫大なエネルギーと乱流を伴い、約5,000 K（4,730 °C、8,540 °F）の熱と数気圧の圧力が発生します。[5]このようなシステムは、電力消費が問題にならず、保護対象の表面が関与する力に耐えられる場合に適しています。
サブキャビテーション：音波は、トランスデューサーが取り付けられた表面（船体、海水容器、ウォータークーラーなど）を振動させます。この振動は、微絨毛が表面に付着するのを可能にするファンデルワールス力を阻害し、キプリド期の生物付着生物が基質に恒久的に付着するのを防ぎます。[6]
超音波の周波数と強度（または電力）の違いは、フジツボ、[6] 、ムール貝、藻類などさまざまな種類の海洋生物にさまざまな影響を与えます。
コンポーネント
超音波防汚システムの 2 つの主要コンポーネントは次のとおりです。
- トランスデューサー：スピーカーまたはトランスデューサーは電気信号を受け取り、信号の周波数で、それが配置されている媒体を振動させます。トランスデューサーは船体やその他の表面に直接接触し、音を伝播させます。コンクリートや木材などの船体材料は、音を消散・吸収する空隙を多く含むため、防汚効果は期待できません。
- コントロールユニット：各トランスデューサーに信号と電力を供給する音源とアンプ。1つのコントロールボックスから、同じ信号または異なる信号で複数のトランスデューサーを制御できます。
アプリケーション
商用システムは、幅広いエネルギーと構成で提供されています。いずれも音源として セラミック圧電トランスデューサーを使用しています。専用システムのサポート
- 船体保護（付着防止、速度向上、燃料費削減）
- 熱交換器の保護（洗浄間の動作サイクルを延長するため）
- 取水口（詰まりを防ぐため）
- 燃料タンク（ディーゼル燃料の汚染を防ぐため）
- 海洋構造物（風力発電所、石油・ガス施設など）
- HVAC冷却塔は化学薬品投与処理を削減または排除します
藻類の制御
超音波による藻類制御は、パルス超音波を用いて湖沼や貯水池におけるシアノバクテリア、藻類、および生物付着の増殖を抑制できるとされる商用技術です。[7] [8]この処理の期間は、水量と藻類の種類に応じて最大数ヶ月かかるとされています。実験室および超音波処理環境下で管理された少量サンプルを用いた実験では、一定の生物学的効果が実証されていますが、屋外における超音波による藻類制御に関する科学的根拠はまだ確立されていません。
細胞やその膜の共鳴周波数で生成された超音波は、それらを破裂させる可能性があると推測されています。学術研究で使用される超音波パルスの中心周波数は20kHzから2.5MHzです。[9]適用される音響出力、圧力、および強度は、人間に影響を与えない低い値から[10] [11]、水泳者にとって危険な高い値まで様々です。[12]
ハル大学の研究によると、藍藻細胞からの超音波支援によるガス放出は窒素含有細胞から起こる可能性があるが、それは非常に特殊な短距離条件下でのみであり、意図された屋外での使用には適していない。[13]さらに、ワーゲニンゲン大学によるいくつかの藻類種に関する研究では、屋外での超音波による藻類制御に関するほとんどの主張は根拠がないという結論に達した。[14]
制限事項
表面洗浄
超音波防汚システムは、一般的に表面を清浄に保つことしかできません。既に生物付着が定着し、成熟した表面を洗浄することはできません。そのため、超音波防汚システムは予防的な手段であり、保護対象の表面を可能な限り最適な清浄状態に保つことを目的としています。
船体材料
超音波システムは、木造船や鉄セメント製の船体では効果がありません。これらの材料はトランスデューサーからの振動を減衰させるためです。また、サンドイッチ構造の複合材船体では、トランスデューサーの各位置に固体材料で一体化した台座を設けるための改造が必要になる場合があります。
参考文献
- ^ 「超音波の歴史」.超音波スクールガイド. 2014年10月21日. 2021年1月20日閲覧。
- ^ Rantanen, Jens (2024年10月26日). 「超音波防汚について知っておくべきことすべて：環境に優しい生物付着防止の未来」. Evac Group . 2025年3月17日閲覧。
- ^ ab Nurioglu, Ayda G.; Esteves, A. Catarina C.; De With, Gijsbertus (2015). 「分子構造設計に基づく海洋用途向け非毒性、非殺生物剤放出防汚コーティング」Journal of Materials Chemistry B. 3 ( 32): 6547– 6570. doi : 10.1039/C5TB00232J . PMID 32262791. 2021年1月20日閲覧。
- ^ 「音響キャビテーションの説明 – H2oBioSonic」（PDF）。
- ^ 環境保健展望、第64巻、pp. 233–252、1985年。「水溶液および非水溶液における超音波によるフリーラジカル生成」P. Riesz、D. Berdahl、CL Christman
- ^ ab Guo, SF; Lee, HP; Chaw, KC; Miklas, J.; Teo, SLM; Dickinson, GH; Birch, WR; Khoo, BC (2011). 「超音波によるキプリド類および幼生フジツボ類への影響」. Biofouling . 27 (2): 185– 192. doi :10.1080/08927014.2010.551535. PMID 21271409. S2CID 36405913.
- ^ Utiger, Taryn (2015年4月14日). 「音波が貯水池の藻類を駆除」Stuff社.
- ^ 「超音波がシアノバクテリア、その他の水生生物、および水質に与える影響に関する文献レビュー」（PDF）。ウィスコンシン州DNR.Gov。
- ^ コトプーリス S、ショマルツ A、ポステマ M (2008)。 「200 kHz ～ 2.5 MHz での藻類駆除の安全半径」。 2008 IEEE 超音波シンポジウム(PDF)。 pp. 1706–1709。土井:10.1109/ULTSYM.2008.0417。ISBN 978-1-4244-2428-3. S2CID 21382938。
- ^ Wu X, Mason TJ (2017年6月). 「小規模パイロットスケールにおける藻類細胞への高出力超音波効果の評価」. Water . 9 (7): 470. doi : 10.3390/w9070470 .
- ^ Suslick JS, Didenko Y, Fang MM, Hyeon T, Kolbeck KJ, McNamara WB, Wong M (1999). 「音響キャビテーションとその化学的影響」(PDF) . Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 357 ( 1751): 335– 353. Bibcode :1999RSPTA.357..335S. doi :10.1098/rsta.1999.0330. S2CID 12355231.
- ^ Postema M、Schomartz A (2008). 「超音波と水泳者の安全」。Fortschritte der Akustik: DAGA 2008、34. Deutsche Jahrestagung für Akustik、10.-13. März 2008 in ドレスデン、Deutsche Gesellschaft für Akustik、2008 年 3 月、ドレスデン、ドイツ。 Fortschritte der Akustik: 467– 468。
- ^ Kotopoulis S, Schommartz A, Postema M (2009). 「藍藻の音波破砕」.応用音響. 70 (10): 1306– 1312. doi :10.1016/j.apacoust.2009.02.003. S2CID 110406431.
- ^ Lürling M, Tolman Y (2014). 「憂鬱な気分を吹き飛ばす：超音波によるシアノバクテリア駆除は効果的か？」. Water Research . 66 (1): 361– 373. Bibcode :2014WatRe..66..361L. doi :10.1016/j.watres.2014.08.043. PMID 25240117.
