Estruturas oceânicas e seus materiais: da madeira e do ferro, aos compósitos e materiais inteligentes

Artigo de Miguel Onofre Gomes, engenheiro de desenvolvimento de produto na área das tecnologias para o mar no INEGI.

O ambiente oceânico sempre colocou desafios significativos ao desempenho das estruturas e equipamentos que nele operam. Seja pela imprevisibilidade e carácter por vezes extremo das condições meteorológicas e oceanográficas, ou pelo efeito desse ambiente nas estruturas - através da corrosão e incrustação de micro-organismos, algas ou animais - a seleção de materiais adequados, com as propriedades mecânicas certas, tem um papel preponderante na engenharia oceânica.

O estudo dos materiais nesta área da engenharia tem, por isso, vindo a acompanhar e «emprestar» o conhecimento e desenvolvimentos de outras indústrias e áreas técnicas. Seja para fabrico de navios, equipamentos ou estruturas offshore, a seleção de materiais esteve sempre fortemente ligada tanto às técnicas de fabrico disponíveis como à disponibilidade dos recursos.

Uma ciência com séculos de história

A embarcação mais antiga que conhecemos, descoberta junto da grande pirâmide de Gizé e datada de cerca do ano 2500 a.C., foi construída com madeira de cedro¹. Embora surjam, no decorrer da idade do Bronze, certos elementos menores fabricados com liga metálica e, mais tarde, reforços estruturais fabricados em ferro, a madeira manteve-se o material de eleição na construção naval até ao século XIX. Nesta altura, surge o ferro, disponível pela primeira vez na forma de placas de grandes dimensões, tendo assim substituído a madeira, permitindo o fabrico de navios de maiores dimensões.

Já na década de 1940, materiais como o aço (devido à sua elevada resistência mecânica) e o alumínio (devido ao peso reduzido) ganham popularidade. Mais tarde, devido ao crescimento da exploração de petróleo offshore nas décadas de 1960 a 1980, começaram a ser utilizados metais de alto desempenho para aplicações específicas, como o titânio e ligas de níquel.

Saltamos para os dias de hoje e observamos que os mais recentes desenvolvimentos ao nível da engenharia de materiais influenciam em igual medida a engenharia oceânica. Falamos de materiais como laminados compósitos, novas ligas metálicas e poliméricos de alto desempenho. Exemplo disso é a aplicação de compósitos, como a fibra de carbono, em equipamentos para desportos náuticos de alta competição, motivada pela procura da redução do seu peso.

Importa olhar para o relatório Global Marine Technology Trends 2030², que aponta para as áreas de transporte marítimo, defesa naval e espaço oceânico, 8 áreas tecnológicas nas quais o desenvolvimento científico terá maior impacto até ao final da presente década. O desenvolvimento de materiais avançados é indicado como uma tecnologia com impacto transversal às três áreas.

De acordo com este estudo, os materiais do futuro serão mais resistentes, mais duradouros e mais leves, permitirão a sensorização do ambiente envolvente e apresentarão capacidades de auto-limpeza e auto-reparação. Serão também inteligentes, e a sua integridade estrutural será avaliada através de sensores, remotamente.

Revestimentos bio-inspirados resultarão em superfícies com melhores características hidrodinâmicas, levando à redução do consumo de combustível por parte dos navios e consequente redução da emissão de gases de efeito de estufa. Alterações da estrutura dos metais à escala do nanómetro levarão à melhoria da resistência à corrosão.

Há novos materiais a nascer com contributo do INEGI

A visão apresentada nesta publicação ainda não se tornou realidade, mas o caminho está traçado e compete ao setor de I&D&Inovação trabalhar com vista à aplicação de novos materiais em ambiente oceânico.

Esta vocação para o oceano marca também a atuação do INEGI, cuja abordagem multidisciplinar se tem aprofundado, respondendo às exigências de um setor sedento por mudança e atualização tecnológica.

Exemplo disso é o recente trabalho desenvolvido com polioximetileno (POM), um termoplástico de elevado desempenho, alta rigidez e baixa densidade, atrito reduzido e muito boa resistência à corrosão. As propriedades mecânicas deste material foram caracterizadas experimentalmente nos laboratórios do INEGI, através de ensaios de tração e de impacto. O conhecimento resultante informou a elaboração de modelos matemáticos de comportamento mecânico, posteriormente utilizados no projeto de estruturas subaquáticas.

Graças ao contributo do INEGI, este material deu corpo, entre outros, a um observatório marinho para monitorização de algas invasoras, capaz de operar até profundidades de 200m3.4, e uma estação de docagem para veículos autónomos submarinos5.

Em 2021 abraçamos também o desafio de participar no projeto europeu MAREWIND, focado no desenvolvimento de novas soluções na área dos materiais, com vista à redução do custo e prolongamento do tempo de serviço dos equipamentos utilizados no sector da energia eólica offshore.

Vamos ajudar a criar novas formulações de betão específicas para ambientes oceânicos, materiais compósitos, revestimentos para proteção dos materiais contra a corrosão e incrustação de material biológico, entre outros aspetos que se espera virem a contribuir para a competitividade desta forma de energia renovável. Estes aspetos serão ainda testados em ambiente real, com a instalação de estruturas devidamente sensorizadas e monitorizadas, de forma a registar e estudar o comportamento dos materiais neste ambiente.

De que materiais serão feitas as estruturas oceânicas do futuro? O INEGI está a trabalhar para oferecer possíveis soluções. Tirando proveito de um largo espetro de conhecimento na área da engenharia, ajudamos a desenvolver novos materiais com propriedades excecionais para modernizar as atividades marítimas.