У прибережних водах півдня Південної Кореї кожна устрична ферма спирається на малопомітну, але масштабну екологічну проблему. Серед приблизно 55 мільйонів плавучих елементів аквакультури тут використовують близько 24 мільйонів буйків з розширеного полістиролу, які на хвилях, під ультрафіолетом і при циклах зволоження та висихання поступово розсипаються на мікроскопічні фрагменти просто у воді, де ростуть устриці. Як розповідає видання Scienmag, команда корейських дослідників запропонувала альтернативу — буйки з волокон вулканічного каменю та повністю переробного термопластику, які можуть утримувати ферми на плаву без отруєння моря мікропластиком.
Масштаби забруднення від пінопластових буйків
Польові дослідження в південних прибережних водах Кореї виявили в середньому 11,2 частинки мікропластику в одній устриці. На узбережжі біля міста Тхонйонг уламки пінопласту становлять 75% крупного сміття й приголомшливі 98% мікросміття, причому 93% ідентифікованих фрагментів пов’язали саме з буйками аквакультури.
Проблема виходить далеко за межі однієї країни. Щороку в океани надходить, за оцінками, від 8 до 12 мільйонів тонн пластикових відходів. Прогнози свідчать, що потоки пластику в водойми можуть зрости з приблизно 19–23 мільйонів тонн у 2016 році до 53 мільйонів тонн на рік до 2030 року. Морська аквакультура, що забезпечує понад 20 мільйонів робочих місць у світі, виявляється суттєвим, але недооціненим джерелом цього забруднення: її інфраструктура постійно руйнується безпосередньо у воді.
Розширений полістирол (EPS) особливо вразливий. Комірчаста структура створює шляхи для поширення тріщин, крихкість посилюється в холодній воді, а відбитий від поверхні моря ультрафіолет розриває полімерні ланцюги, ще більше роблячи матеріал ламким. Видимі ознаки руйнування таких буйків з’являються вже через 1–2 роки експлуатації.
Мікропластик у харчовому ланцюгу та регуляторний тиск
Наслідки цього руйнування проходять через екосистеми і повертаються на наші тарілки. Личинки тихоокеанської устриці легко заковтують полістирольні частинки розміром 20–70 мікрометрів; ефективність такого захоплення змінюється залежно від розміру частинок і стадії розвитку. Хімічні добавки у піні, зокрема антипірен гексабромциклододекан та інші стійкі органічні забрудники, можуть переходити в тканини устриць і далі в харчові ланцюги людей.
Концентрації мікропластику в придонних відкладах корейських берегів досягають 390 частинок на кілограм сухої маси — це в 15–50 разів вище, ніж максимальні значення, зафіксовані в інших регіонах світу.
Регулятори відповіли жорстко. Міністерство океанів і рибальства Південної Кореї заборонило встановлення нових буйків з розширеного полістиролу з листопада 2022 року та зобов’язало повністю перейти на «екологічні» альтернативи до 2025 року. Однак наявні замінники зазвичай коштують у 2–3 рази дорожче, ніж пінопластові, і нерідко виявляються менш довговічними в морі, що гальмує їхнє впровадження для фермерів з невеликим прибутком.
Базальтове волокно плюс термопластик: новий тип буйка
На цьому тлі Сон Мін Пак (Sun-Min Park) та Со Юн Мун (So Youn Mun) з Корейського інституту керамічної інженерії та технологій разом із Чун Хван Чаном (Jun Hwan Jang) з Університету Юхан розробили композитний буйок із термопласту та базальтового волокна. Результати роботи опубліковані в журналі Advances in Industrial and Engineering Chemistry.
Ключова ідея команди — не лише матеріал матриці, а й тип армувального волокна. Базальтове волокно отримують плавленням вулканічної породи при близько 1500 °C без хімічних домішок. Воно має межу міцності на розтяг 2800–3200 мегапаскалів і модуль пружності 85–95 гігапаскалів, що перевищує мінімальні вимоги для сертифікованих морських буйків (2000 МПа та 70 ГПа відповідно.
На відміну від поширеного скловолокна E-glass, при виробництві базальтового волокна практично нічого не додають: породу лише миють і плавлять. Волокна краще протистоять лужним середовищам, що критично в морській воді, а отримані композити мають вищий модуль і міцність, ніж панелі зі скловолокна з тією ж смолою. За міжшаровою зсувною міцністю вони займають проміжне положення між скловолокном і вуглецевим волокном.
Попри те, що базальтове волокно коштує у 1,8–2,2 рази дорожче за E-glass, дослідники вважають, що економіка життєвого циклу на його боці: довший термін служби, менша потреба в заміні та відсутність штрафів чи витрат на ліквідацію забруднення від уламків. У поєднанні з термопластичною матрицею, яка на відміну від термореактивних смол може плавитися і переформовуватися, композитний матеріал придатний до повної переробки наприкінці життєвого циклу.
Як виготовляють «вулканічні» буйки
Технологічний процес виглядає як ретельно налаштований ланцюжок. Вулканічний базальт, що містить приблизно 48–52% силіцієвого оксиду, 14–18% оксиду алюмінію і 8–12% оксиду кальцію, дроблять, промивають і плавлять в електричних печах при 1500–1600 °C протягом 2–4 годин. Розплав видавлюють крізь платиново-родієві філь’єри діаметром 1,5–2,0 міліметра і швидко охолоджують повітряними та водяними струменями, отримуючи безперервні волокна діаметром 9–15 мікрометрів.
Швидкість витягування 50–100 метрів за хвилину підбирають так, щоб підняти міцність понад 3000 мегапаскалів, а розкид властивостей між партіями не перевищував 5%. Далі волокна змішують із термопластом при 200–250 °C до вмісту 30% волокна за об’ємом, а стискальне формування при 240 °C і тиску 15 мегапаскалів утворює фінальну оболонку буйка.
Команда створила дві конфігурації буйків, обидві об’ємом 60 літрів і з товщиною стінки 1,6 міліметра. Дизайн 1 має довжину 666 міліметрів, максимальний діаметр 390 міліметрів, масу 2,3 кілограма й підсилюється поперечними канавками завширшки 30 і завглибшки 20 міліметрів. Дизайн 2 коротший (638 міліметрів), але ширший (406 міліметрів), доповнений шістьма зовнішніми підсилювальними «стрічками» і трьома парами отворів для кріплення (усього шість), що зменшує навантаження на кожну точку кріплення на 66,7% для підвищеної надійності в штормових умовах.
Моделювання міцності та випробування на удари
Щоб перевірити надійність, дослідники застосували метод скінченних елементів, описавши композит як ортотропний матеріал і приклавши до оболонки рівномірний тиск 0,125 мегапаскаля — це найсуворіша вимога до довговічності, що враховує запас міцності 1,25 відносно номінального робочого тиску в 1 бар. Додатковий понижуючий коефіцієнт 0,8 ввели для урахування виробничих відхилень та впливу середовища, отримавши допустиму розрахункову міцність на згин у 420 мегапаскалів.
Результати виявилися показовими. Для Дизайну 1 із шестишаровим (6-плай) ламінатом запас міцності становив −0,08, тобто при найжорсткішому навантаженні відбувався граничний зрив. Але додавання ще двох шарів радикально змінило картину: запас міцності зріс до +0,41, а запас стійкості до втрати стійкості (зминання) підскочив з +0,76 до +2,70.
Дизайн 2 продемонстрував нижчі показники: при шести шарах запас міцності був −0,39, а при восьми — лише +0,28. Це свідчить, що геометрія корпусу важлива не менше за товщину ламінату.
Додаткові симуляції падіння з висоти 1500 міліметрів у трьох орієнтаціях ще більше підтвердили перспективність рішення. Для шестишарового ламінату пікові напруження сягали 180–489 мегапаскалів залежно від напряму удару, причому осьовий удар був найкритичнішим. Восьмишаровий стек [0/45/90/−45]s знизив пікові напруги на 6–21% в усіх напрямках, зберігаючи їх у межах 400–600 мегапаскалів граничної міцності базальтових композитів.
Менше мікропластику, довший термін служби, замкнений цикл
Екологічний ефект дослідники оцінюють як головний здобуток: завдяки збереженню структурної цілісності при ударах, які для пінопласту були б катастрофічними, потенціал утворення мікропластику зменшується більш ніж на 95%. Попередні польові дані свідчать, що нові буйки служать понад п’ять років, тоді як типові EPS-буйки витримують лише 1–2 роки.
Конструкція «кругової економіки» дає змогу при утилізації буйків повернути 85–90% початкової довжини волокон і понад 95% чистоти полімерної матриці. Для цього відпрацьовані вироби подрібнюють і термічно активують при 180–200 °C, а відновлені матеріали можна використати для виготовлення нових буйків або продукції вищої доданої вартості, наприклад будівельних компонентів. За оцінками авторів, така система забезпечує на 35% менший екологічний вплив порівняно з альтернативами на основі розширеного полістиролу.
Що ще потрібно до масового впровадження
Попереду залишаються суттєві виклики, перш ніж буйки з вулканічного каменю зможуть повністю замінити пінопласт на корейських устричних фермах. Зараз типова лінія для вирощування має довжину 100 метрів, несе 51 пінопластовий буйок і підтримує мотузкові «гірлянди» устриць на глибині 3–7 метрів протягом 18–30-місячного циклу вирощування.
Для сертифікації нової системи потрібні 12 місяців випробувань у трьох різних прибережних регіонах, збереження плавучості не нижче 95% після трьох років експлуатації та безперервний моніторинг. Усе це має відбуватися в реальних екстремальних умовах — при тайфунних хвилях 3–4 метри, вітрі понад 25 метрів за секунду, сезонних перепадах температури від −5 до +35 °C і біообростанні до 5–10 кілограмів на квадратний метр щороку.
Водночас ставки для країни надзвичайно високі. Південна Корея виробляє понад 300 тисяч тонн устриць на рік і посідає третє місце у світі, а приблизно 990 тисяч пінопластових буйків щороку втрачають або викидають у море. Тому буйок, який витримує морські випробування, переробляється у власного «наступника» й практично не залишає мікропластикового сліду, може виявитися саме тим рішенням, на яке чекають і галузь, і океан.