آینده‌های طوفانی: تغییرات اقلیمی چگونه مهندسی دریایی را شکل می‌دهد

صبح طوفانی شنبه در دسامبر 2020 بود که سکوی گازی Ivana D شرکت نفت کرواتی INA در دریای آدریاتیک شمالی ناپدید شد.

چند روز بعد در عمق 41 متری بستر دریا یافت شد. کارشناسان مستقل علت غرق شدن آن را خستگی مواد، جوش‌های ضعیف و ناسازگاری‌های طراحی دانستند. این حادثه به‌روشنی خطرات پیچیده‌ای را که سازه‌های دریایی امروز با آن مواجه هستند، نشان می‌دهد.

در دسامبر 2023، Greenpeace کرواسی درخواست برای حذف ساختار خالی سکوی Ivana D از بستر دریا آغاز کرد. با این حال، این تنها یک مورد است. تعداد کشتی‌ها و سازه‌های نفتی که در معرض خطر غرق شدن هستند، به عوامل زیادی بستگی دارد.

خوردگی می‌تواند خستگی سازه را تسریع کند

همانطور که دنیل ج. توماس از گروه مهندسی کِریِشِن در مقاله خود تأکید کرده است، بارهای غیر متقارن، شرایط سخت دریایی، دماهای پایین و مهمتر از همه خوردگی می‌توانند خستگی سازه را تسریع کنند. خوردگی ترک‌هایی ایجاد می‌کند که مواد را تحت بارهای دینامیکی مانند امواج و بادها ضعیف می‌کند. این فرآیند در محیط‌های دریایی به‌ویژه خطرناک است.

با وجود این چالش‌ها، بازار جهانی مهندسی دریایی در حال رونق است. در سال 2023 ارزیابی شده که ارزش آن حدود 108.4 میلیارد دلار است و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2032 به حدود 180.21 میلیارد دلار برسد. این رشد شامل کاربردهای مختلف در سکوی‌های نفتی، قایق‌ها و کشتی‌ها می‌شود. در حالی که سازه‌های دریایی هدف کاهش احتمال شکست را دارند، استحکام سازه‌ها با گذشت زمان کاهش می‌یابد.

تغییرات اقلیمی تا چه حد در این سناریو دخیل هستند؟

تغییرات اقلیمی تا چه حد بر قدرت امواج تأثیر خواهد گذاشت؟ مهندسان دریایی با چه سرعتی می‌توانند به این تغییرات تطبیق یابند؟

«خب، همیشه پاسخ مستقیم و کمی به این سوال دشوار است، زیرا به موقعیت و زمینه متغیر محیطی که صحبت می‌کنیم (مثلاً بار موج، فشار موج-القایی، ارتفاع موج و غیره) بستگی دارد،» پروفسور تیگو فازرس فرادوزا از دانشکده مهندسی دانشگاه پورتو و محقق مرکز بین‌رشته‌ای تحقیقاتی دریایی و محیطی (CIIMAR) به Interesting Engineering گفت.

او بر لزوم در نظر گرفتن عدم قطعیت اقلیمی در برنامه‌ریزی کوتاه‌مدت و بلندمدت برای طوفان‌های دریایی و رفتار امواج تأکید کرد.

این عدم قطعیت اقلیمی به‌طور قابل‌توجهی بر چگونگی حفاظت از جوامع ساحلی، منابع دریایی و تاسیسات فراساحلی تأثیر می‌گذارد. این امر بر استراتژی‌های حفاظت از دارایی‌های ارزشمند، جمعیت‌های انسانی و زیرساخت‌های حیاتی در محیط‌های ساحلی و دریایی تأثیر می‌گذارد.

عدم قطعیت داده‌های موج دریا

یک مطالعه اخیر در مورد عدم قطعیت منابع داده‌های موج در دریای آدریاتیک تفاوت‌های چشمگیری بین دیتابیس‌ها نشان داد، به ویژه در مورد ارزش‌های افراطی.

دانشمندان چهار منبع داده موج را که از مکان‌های نزدیک در دریای آدریاتیک جمع‌آوری شده بود، توصیف و مقایسه کردند. تأثیر اختلافات در داده‌های موج بر طراحی سازه‌های دریایی از طریق سه مثال نشان داده شد:

• ارزیابی انرژی موج برای انتخاب یک مبدل انرژی موج
• پیش‌بینی بارهای موج افراطی برای ارزیابی استحکام سازه
• محاسبه آسیب خستگی تجمعی

یافته‌ها تفاوت‌های چشمگیری بین داده‌های موج در چهار دیتابیس، به ویژه در مورد ارزش‌های افراطی نشان داد.

مؤلف مطالعه مارو چوراک از دانشگاه دوبروونیک بر محدودیت‌های جمع‌آوری داده‌ها، به‌ویژه در دوران طوفان‌ها تأکید کرد که نیاز به استفاده از دیتابیس‌های ماهواره‌ای گران برای اندازه‌گیری‌های دقیق دارد.

اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای، اگرچه هزینه‌بر هستند، اما در حال حاضر قابل‌اعتمادترین روش برای ارزیابی دقیق موج‌ها هستند.

پایگاه‌های داده سنتی مانند آمار موج جهانی محدودیت‌هایی دارند، به ویژه در ثبت رویدادهای آب و هوایی شدید. کاپیتان‌های کشتی معمولاً برای ایمنی از طوفان‌ها اجتناب می‌کنند که منجر به کمبود داده‌ها در مورد شرایط موج شدید می‌شود.

در نتیجه، پژوهشگران اغلب باید در دیتابیس‌های گران‌تر ماهواره‌ای سرمایه‌گذاری کنند تا داده‌های جامعی از موج‌ها، از جمله اطلاعات مربوط به رویدادهای افراطی به دست آورند.

یک مطالعه 2018 اشاره کرد که در حالی که نتیجه‌گیری‌های قطعی در مورد تغییرات اقلیمی دشوار است، تغییرات احتمالی در محیط‌های دریایی می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر ایمنی کشتی‌ها و طراحی در برخی مناطق داشته باشد. این صنعت ابزارها را برای مقابله با این تغییرات دارد، اما ممکن است نیاز به بهبود داشته باشد. این مطالعه از ارزیابی سیستماتیک‌تری از تأثیرات تغییرات اقلیمی بر سازه‌های مختلف دریایی درخواست کرد.

مهندسان دریایی با چه سرعتی می‌توانند به این تغییرات تطبیق یابند؟

شیائوفان لی، دانشمند پژوهشی در بخش معماری دریایی و مهندسی دریایی در دانشگاه میشیگان-آن آربر، بر لزوم یکپارچه‌سازی دانش از رشته‌های مختلف برای مقابله با تأثیرات تغییرات اقلیمی تأکید کرد.

او به IE گفت که مهندسان دریایی باید نوآوری و خلاقیت را برای مقابله موثر با تأثیرات تغییرات اقلیمی در آغوش بگیرند. «در همین حال، جمع‌آوری داده‌های بهبود یافته و دسترسی، حمایت‌های قانونی از دولت و تشویق به تلاش‌های مشترک نیز به این تلاش کمک خواهد کرد.» او اضافه کرد.

به گفته پروفسور فرادوزا، پروژه‌های مهندسی دریایی اکنون شامل تحلیل‌گسترده‌ای از چالش‌های اقلیمی ناشی می‌شود.

«امروزه، توسعه پروژه‌های مهندسی دریایی، از ساحل تا مناطق فراساحلی، همیشه مقدار قابل‌توجهی از تحلیل‌ها و مجموعه‌ای از اقدامات برای مقابله با چالش‌های اقلیمی و نیاز به کاهش آن‌ها را شامل می‌شود.»

چالش‌های به‌روزرسانی و انطباق

سازه‌های موجود ممکن است نیاز به به‌روزرسانی‌های گران داشته باشند تا شرایط شدید ناشی از تغییرات اقلیمی را تحمل کنند. چوراک توضیح داد که در حالی که بسیاری از کشتی‌های موجود احتمالاً بیش از حد بعد دارند، فرآیندهای طراحی دائماً برای ساخت جدیدترها به‌روزرسانی و بهبود می‌یابند.

«کشتی‌های موجود به احتمال زیاد از نظر ابعاد بیش از حد دارند و اگر به درستی استفاده و نگهداری شوند، باور ندارم نیازی به به‌روزرسانی در مورد افزایش استحکام داشته باشند. چیزی که قطعی است این است که فرآیندهای طراحی موجود دائماً به‌روزرسانی و بهبود می‌یابند، با استفاده از دانش جدید، اما فرآیندهای جدید عمدتاً برای ساخت جدیدها اعمال می‌شوند. یکی از بهترین مثال‌ها توصیه شماره 34 REV.2 IACS است.» او به IE گفت.

جهت‌های پژوهشی آینده

پژوهش باید بر بهبود آمار موج، بهینه‌سازی ساختارهای کشتی و بهبود مدیریت کشتی در شرایط آب و هوایی ناگوار تمرکز کند.

«با مورد آخر، منظورم اجتناب از شرایط دریا شدید و مانور دادن (تغییر مسیر و کاهش سرعت کشتی) در هوای بد است. منطقه دیگری که به‌طور مستقیم با تغییرات اقلیمی و کشتی‌ها مرتبط است و اخیراً به اهمیت بیشتری دست یافته است.»

هدف سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) از صفر کردن انتشار مضر از کشتی‌ها تا سال 2050 چالشی بزرگ است و نیاز به پیشرفت‌های عظیم فناوری دارد.

معضل کربن‌زدایی

به گفته IMO، انتشار گازهای ناشی از کشتی‌ها در سال 2018 تقریباً 2.9 درصد از انتشار CO2 جهانی را تشکیل می‌دهد و بدون اقدامات کاهش‌دهنده، این رقم پیش‌بینی می‌شود افزایش یابد.

انتقال به سوخت‌های پاک‌تر مانند هیدروژن، آمونیاک یا LNG گام‌های پیشگیرانه‌ای برای دستیابی به یک بخش دریانوردی پایدار که با اهداف اقلیمی بین‌المللی هماهنگ است، نمایان می‌کند.

پروفسور مایلز آلن، رئیس فیزیک جوی، آبی و سیاره‌ای در دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد، کربن‌زدایی را بزرگترین چالش صنعت مهندسی دریایی عنوان کرد.

«گزینه‌های کاملاً بدون کربن مانند هیدروژن یا آمونیاک وجود دارد، یا امکان سوئیچ به سوخت LNG که انتشار را حدود 20 درصد کاهش می‌دهد و روی کاهش هزینه گرفتن CO2 از هوا حساب می‌کند تا بشود سوخت‌های فسیلی را پس از 2050 سوزاند و CO2 را دوباره از هوا گرفت.» او به IE گفت.

این صنعت باید تصمیم بگیرد که به فناوری‌های سوخت جدید سرمایه‌گذاری کند یا روی پیشرفت‌های آینده در گرفتن CO2 حساب کند.

بخش مهندسی دریایی در یک نقطه عطف قرار دارد، با تلاش برای تعادل بین پیشرفت‌های فناوری، تطبیق اقلیمی و مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی. با مواجهه با این چالش‌ها، تصمیمات این صنعت تأثیرات گسترده‌ای بر حمل و نقل جهانی و تلاش‌های کاهش تغییرات اقلیمی خواهد داشت.