Desafiando el récord mundial de velocidad para embarcaciones de vela, el equipo suizo SP80 está desarrollando y afinando un hidroala ventilada que podría ayudar a romper los límites hidrodinámicos que limitan las velocidades de los barcos a alrededor de 50 nudos. La cavitación que se produce alrededor de los hidroplanos a estas altas velocidades se puede eliminar en un nuevo diseño radical de hidroala. La superación de cavitación podría permitir el desarrollo futuro de un transporte marítimo de baja resistencia y alta velocidad.

El récord de velocidad para embarcaciones impulsadas por viento que fue establecido por Paul Larsen en 2012 a bordo del Vestas Sail Rocket con 65,45 nudos sigue en pie. Sigue siendo un récord muy impresionante, porque las leyes de la física se doblan a tales velocidades en el agua. El problema es la cavitación. Este año, el equipo SP80 (Potencial de velocidad = 80) tiene como objetivo pulverizar el récord mundial de cohetes a vela alcanzando los 80 nudos. Su problema a superar: la cavitación.

La cavitación está relacionada con la viscosidad. La viscosidad del agua es mayor que la del aire. La viscosidad del jarabe es mayor que la del agua. Si un perfil en forma de ala se mueve a través del aire, las diferencias en el flujo a lo largo del perfil crearán sustentación. Esto también ocurre en el agua. Si el ángulo del perfil del ala hacia el aire o el agua es el correcto, la sustentación será óptima mientras que la turbulencia en el borde de fuga será mínima. A altas velocidades, debido a la viscosidad, el agua no puede seguir su flujo laminar en el borde posterior de un perfil en forma de ala después de haber sido empujada a un lado por el borde delantero de este perfil. El líquido es demasiado lento. Se produce una campana de vacío en el lado de baja presión del perfil de la lámina. O una campana llena de agua vaporizada, debido a la muy baja presión. A esto se le llama cavitación. Las embarcaciones de foiling que se mueven a través del agua a altas velocidades utilizan perfiles de foil muy delgados para reducir este efecto. Sin embargo, a cierta velocidad, la cavitación es inevitable. Las campanas de cavitación inestables hacen que la sustentación y el curso del recipiente sean muy inestables e impiden una mayor aceleración. Esta es la razón por la que la velocidad de las embarcaciones con foils es limitada.

Ventilación

En su búsqueda por alcanzar los 80 nudos (150 km/h), el equipo del SP80 ha estado trabajando duro para diseñar un foil que no esté retenido por la cavitación, sino con un perfil que aún genere suficiente sustentación para llevar el casco de su embarcación sobre el agua. Mover un casco voluminoso a través del agua definitivamente causará demasiada resistencia para alcanzar los 80 nudos. Los estudios realizados por ingenieros marítimos en el Journal of Fluid Mechanics y realizados por el equipo de 40 ingenieros y estudiantes del Instituto de Tecnología de Lausana, EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) indicaron que los efectos inestables de la cavitación pueden superarse mediante la ventilación. Cuando se introduce aire en las áreas de ultra baja presión en el lado de elevación de un hidroala, la campana se formará en una forma más estable que sigue a la lámina. La dirección de las láminas a través del agua y su fuerza de elevación se vuelven mucho más estables que en el caso de la campana de cavitación del vapor de agua. Esta idea clave puede permitir que las embarcaciones hidroalas se muevan a velocidades más altas que antes.

Diseño de formas con IA
El siguiente problema a resolver: ¿qué formas de lámina mantendrán estables las burbujas de aire en las circunstancias continuamente cambiantes de un hidroala que se mueve a través del agua? Aunque el conocimiento de la dinámica de fluidos ha experimentado un rápido progreso en la última década y la potencia computacional ha aumentado enormemente, el diseño de una forma de lámina que garantice la sustentación y un flujo de inyección de aire estable exige un cálculo interminable. La Inteligencia Artificial ha aportado la posible solución.

Forma de cuña
Charles de Sarnez, jefe de hidrodinámica del equipo SP80, organizó un programa de pruebas, optimización y simulación para lograr la forma óptima de la lámina de ventilación para romper la barrera de los 50 nudos. Los modelos de las láminas se probaron en un túnel de cavitación para tener datos experimentales de la vida real. Los cálculos de dinámica de fluidos se realizaron con base en los datos experimentales. Se utilizó la Inteligencia Artificial para generar una inmensa cantidad de simulaciones. Utilizando el software de aprendizaje profundo de la empresa de software Neural Concept, se evaluó el rendimiento de una variación muy grande de formas de hidroalas. El resultado es un diseño de lámina totalmente nuevo: en lugar del perfil de lámina elíptico o en forma de lágrima, surgió de las simulaciones y cálculos un perfil en forma de cuña como la forma más eficiente para generar sustentación y crear un colchón de aire estable en el lado de baja presión del hidroala.

Barrera acústica
«El foil es clave para batir el récord», explica Benoît Gaudiot, COO y piloto de cometas SP80. El diseño actualizado del hidroala, según los cálculos, evita la inestabilidad por cavitación, lo que permite a un velero superar el récord de velocidad actual. «Este es un paso crucial para nosotros», enfatiza Xavier Lepercq, CTO de SP80. «En el mundo de la vela, los barcos más rápidos se enfrentan a un fenómeno físico submarino: la cavitación. Esto es comparable a la barrera acústica en la aviación. Para superar los 60 nudos, necesitamos formas de foil muy diferentes a las que podemos ver hoy en día en la Copa América y en el mundo de la vela; Las restricciones no son las mismas. Si nuestro barco puede superar esta barrera, no solo podemos rivalizar con el Vestas Sailrocket II, sino también superarlo».

Intento
Junto con Mayeul van den Broek, Lepercq y Gaudiot se unieron en 2018 como amantes del kitesurf, la vela oceánica y estudiosos de la hidrodinámica. Se inspiraron en el impresionante logro de Paul Larsen y su Sail Rocket, pero aspiraban a mejorarlo. Los tres franceses harán un intento oficial de batir el actual récord de velocidad para embarcaciones de vela a finales de este año.
Potencial de velocidad
Si bien en primera instancia tenía como objetivo batir el récord mundial de vela de velocidad, la innovación en el diseño de hidroala tiene el potencial de permitir el transporte acuático a alta velocidad con todo tipo de embarcaciones, ya que se pueden superar los límites establecidos por la cavitación. La prueba de concepto debe proporcionarse en el intento de registro.