明るい展望：深海用青色レーザー
切断や掘削から塗装剥離、海底油膜除去まで、海洋環境における水中作業は、砂浜の砂粒の数ほどに膨大です。中には数千メートルもの水深で行われるものもあります。青色ダイオードレーザーをベースとした新しいレーザーシステムは、非接触型でメンテナンスが容易、そして費用対効果の高い、幅広い水中作業向けソリューションを提供します。
海洋プラットフォームの保守、老朽化した石油掘削装置の廃止、水中構造物の検査など、海中作業における精度、効率、そして環境適合性への要求はますます高まっています。同時に、従来の方法ではすぐに限界に達します。藻類の除去に使用される高圧水ジェットなどの一般的な圧力処理方法は、深度が増すにつれて水の逆圧が高くなるため、効果が低下します。さらに、これらのシステムの多くは、徹底的なメンテナンスが必要であり、摩耗しやすいという問題もあります。また、丸鋸などの機械工具は、部品に接触すると反動を生じ、遠隔操作型水中ロボット（ROV）の安定性を損ない、漂流してしまうことがよくあります。
そのため、業界は非接触かつ非力で、摩耗が少なくメンテナンスの手間が少ない代替手段、特にレーザー技術が提供できる可能性に大きな関心を示しています。しかし、初期の試みは大きな成功を収めませんでした。石油プラットフォームの廃止措置において、従来の赤外線（IR）レーザーを用いて構造物を切断する初期の試みは、部分的にしか実用化されませんでした。その主な理由は、赤外線（波長1000nm）がわずか数センチメートル以内で水に完全に吸収され、大きなエネルギー損失をもたらすためです。そのため、海中での用途では、IRレーザー切断はエアノズルまたは空気充填チャンバーを用いて行うしかありませんでした。これは複雑でコストのかかるプロセスであり、深海での使用も困難でした。
青色レーザーが鍵技術
レーザーライン社の青色ダイオードレーザーをベースにした新開発の水中レーザーシステムが、この課題の解決策となる可能性を秘めています。赤外線とは異なり、波長約445ナノメートルのこれらのレーザーから放射される青色光は、水にほとんど吸収されません。そのため、優れた透過率を実現し、加工中に最大1メートル以上の距離を移動する必要がある場合でも、レーザー出力をほぼ最大限に活用できます。最大6キロワットのレーザー出力と組み合わせることで、この物理的利点は、エアチャンバーなどの複雑な設備を必要とせず、水中で直接、力を加えず、非接触で材料を加工する新たな可能性を数多く拓きます。
レーザーラインダイオードレーザーシステムは、最高の精度も提供します。例えば、レーザースポットサイズはマイクロメートル単位の精度で調整でき、出力はミリ秒単位で精密に制御できます。この迅速な出力調整能力により、このシステムは特に深海における複雑な作業に適しています。
青色ダイオードレーザーによる水中加工 - 8 mm鋼板の穿孔/貫通 © Laserline
効率的、柔軟、経済的
高効率と精密な制御性の組み合わせにより、この新しいレーザーシステムは技術的にも経済的にも非常に魅力的です。水中での非接触加工により、工具や部品の摩耗が大幅に低減され、エネルギー消費量も低減され、潜在的に有害な粒子や物質の放出も最小限に抑えられます。環境保護と資源保全の観点から、ダイオードレーザーベースのプロセスは、環境へのダメージや材料の劣化を引き起こすことが多い従来の機械的または化学的方法よりも明らかに優れています。これは特に、これまで環境と部品の両方にリスクをもたらすような方法で処理されてきた海洋付着物の除去に当てはまります。
このシステムは、新たな物流上の利点も提供します。従来の深海での熱処理プロセスでは、大型の専用船舶の使用が求められ、1日あたり5桁から6桁のコストがかかる場合が多いのに対し、このダイオードレーザーシステムは、システムアーキテクチャがシンプルなため、小型の補給船からの運用も可能です。これにより、保守・運用コストが削減され、移動時間が大幅に短縮されるだけでなく、システムの可用性と運用チームの対応力も大幅に向上します。特に、急なメンテナンス作業や緊急修理において、企業は運用上の大きなメリットを得ることができます。
切削工程から藻類除去まで
適用範囲は多岐にわたります。石油掘削装置の廃止作業における板金やパイプの切断、コーティング、塗料、海底付着物の除去、パイプラインや海上プラットフォーム上のバルブや耐荷重構造物の点検・保守などです。特に海上プラットフォームは、数年の稼働で藻類が生い茂ってしまうことがよくあります。このような状況において、レーザーとカメラを搭載したROVは、1回の潜水で藻類を除去し、重要な部品の視認性を回復することができます。これは、メンテナンス会社や水中インテグレーターにとって決定的なメリットです。パイプライン検査用のロボット支援システムにも、便利なアドオンとしてダイオードレーザーを搭載できます。
水中処理 – 処理前に青色ダイオードレーザーで石材に付着した藻類を除去します。© Laserline
水中加工 – 加工中に青色ダイオードレーザーを用いて石材に付着した藻類を除去する。© Laserline
水中処理 – 処理後に青色ダイオードレーザーで石材に付着した藻類を除去する。© Laserline
薄い金属板の直線切断 © Laserline
システム技術
用途に応じて、ダイオードレーザーの様々な統合方法が開発されています。一つの選択肢として、レーザーシステムをワークホースROVに搭載し、従来のアンビリカルケーブルを介して補給船から遠隔操作する方法があります。最大出力6kWのレーザーシステムは、水、圧力、汚れから恒久的に保護するために特別な密閉構造になっています。深海では水温が4～7℃と常に低いため、統合されたレーザー冷却システムは特に効率的です。
レーザーシステムは、シナリオに応じて、顧客固有の要件に合わせてカスタマイズできます。水中ロボットには、具体的な用途に応じて、レーザースキャナー、固定光学系、そして様々な出力クラスのダイオードレーザーを搭載できます。しかし、この分野の開発はまだ完了には程遠いものです。例えば、モジュール式の単一コンポーネントにより、システム設計がさらにコンパクトになり、最終的にはROVのサイズも縮小されると期待されています。さらなる最適化が期待されており、レーザー出力とエネルギー効率は引き続き向上し、将来的には画像認識システムとAIを組み合わせて、汚れや腐食箇所を自動識別できるようになる可能性があります。
ケーススタディ：青色レーザーによる船体洗浄
水中における青色波長の優れた透過特性は、船体への生物付着防止にも活用できます。ドイツ連邦経済気候対策省（BMWK）の資金を活用し、プロジェクト機関ユーリッヒが資金提供している研究プロジェクト「FoulLas」において、プロジェクトパートナーであるフラウンホーファー製造技術・応用材料研究所（IFAM）、Laserline GmbH、そしてLaser Zentrum Hannover eV（LZH）は、標的を定めた水中レーザー照射によって、藻類、ムール貝、フジツボなどの海洋付着物に致命的なダメージを与えることができることを初めて実証しました。処理後、死んだ付着物は、船舶の次回航海中に水のせん断力によって自然に剥離します。この方法は、コーティングに損傷を与え、生物を放出させることが多い機械的処理に代わる有望な代替手段となります。
「FoulLas2」と呼ばれる後続プロジェクトでは現在、これらの実験結果を実際の作業に移しています。統合レーザー光学系を備えた半自律型の磁気吸着式水中クローラーが船体を体系的に掃引し、汚れに直接光を照射します。
結論：水中技術における新たな基準の設定
全体として、青色ダイオードレーザーは海洋産業にとって技術的なマイルストーンとなるでしょう。効率性、精度、そして環境への配慮をコンパクトなシステムに統合し、水中処理の新たな可能性を切り開きます。海洋プラットフォームの保守、パイプラインの検査、海洋付着物の除去など、このレーザーは様々な用途において強力かつ持続可能なソリューションを提供します。海中分野のサービス、メンテナンス、そして供給業者にとって、このシステムは新たな技術的展望を切り開き、中長期的には既存の水中処理方法の多くに取って代わる可能性があります。
水中における赤外線および青色レーザー光の透過率 © Laserline
