バラストタンク

バラストタンクは、ボート、船舶、またはその他の浮体構造物内の水を保持する区画であり、船舶に静水圧安定性を提供する、潜水艦などで浮力を低減または制御する、トリムまたは傾斜を修正する、構造的なホギングまたはサギングストレスを軽減するために船体に沿ってより均一な荷重分散を提供する、または、半潜水型船舶またはプラットフォーム、またはSWATHなどで喫水を増加させて耐航性を向上させるためのバラストとして使用されます。タンク内の水を使用すると、古い船舶で使用されていた石または鉄のバラストよりも重量調整が容易になり、乗組員が浅瀬に入るときに一時的にバラストをポンプで排出することにより船舶の喫水を減らすことが容易になります。飛行船は、主に浮力を制御しトリムを修正するためにバラストタンクを使用します。

バラストタンクの基本的な概念は、フグやアルゴノートオクトパスなど、多くの形態の水生生物に見られます。^{[説明が必要] [1]}この概念は、さまざまな目的を果たすために人間によって何度も発明され、再発明されてきました。

潜水艦がバラストタンクを使用した最初の記録例は、 1776年に戦闘に使用された最初の潜水艦であるデビッド・ブッシュネルの タートル^です。[2] 1849年に、当時イリノイ州の弁護士であったエイブラハム・リンカーンは、貨物船が北米の川の浅瀬を通過できるようにするバラストタンクシステムの特許を取得しました。^{[要出典] [要説明]}

バラストは、水上船舶の喫水、トリム、傾斜、安定性を変更するために使用されます。また、構造上の荷重分布、通常はホギング応力とサギング応力に影響を与える縦方向の荷重分布を変更するために使用されることもあります。また、航路での動きに影響を与える慣性モーメントを変更するために使用されることもあります。海上人命安全条約 (SOLAS)に基づく国際協定では、貨物船と客船は特定の種類の損傷に耐えられるように建造する必要があります。基準では、船内の区画の分離と、それらの区画の細分化が指定されています。これらの国際協定は、協定に署名した国が自国の水域で規制を実施すること、および自国の旗を掲げる資格のある船舶に依存しています。バラストは、一部の区画の浸水による安定性の低下を補うために使用される場合があります。

バラストとは、一般的にバラストタンクに注入される海水など、バラスト時に船が浮いている水のことです。船の種類に応じて、タンクは二重底（船の幅全体に広がる）、ウィングタンク（竜骨からデッキまでの船外エリアに配置）、またはホッパータンク（船体とメインデッキの間の上部コーナーセクションを占める）になります。これらのバラストタンクは、水を汲み上げたり排出したりするポンプに接続されています。乗組員はこれらのタンクに水を満たして船に重量を加え、貨物を積んでいないときの安定性を向上させます。極端な状況では、乗組員はバラスト水を専用の貨物スペースに注入して、荒天時に重量を追加したり、低い橋の下を通過したりすることがあります。

潜水艇や潜水艦では、船の浮力を制御するためにバラストタンクが使用されます。

バチスカーフなどの一部の潜水艇は、浮力を制御することによってのみ潜水と再浮上を行います。潜水時にはバラストタンクに水を注ぎ、再浮上時には廃棄可能なバラスト重りを投下するか、貯蔵されている圧縮空気を使用してバラストタンクの水を吹き飛ばし、再び浮上します。

潜水艦はより大きく、より高性能で、強力な水中推進力を持っています。潜水艦は水平距離を水中で移動しなければならず、正確な深度制御が必要ですが、それほど深く潜ることはなく、定位置で垂直に潜る必要もありません。深度を制御する主な手段は、前進運動と組み合わせた潜水機（英国ではハイドロプレーン）です。水上では、正浮力を得るためにバラストタンクを空にします。潜水時には、メインのバラストタンクに水を入れてほぼ中性浮力を実現します。深度制御タンクは、重量の変化を補正するためにポンプで水を出し入れすることにより、浮力を微調整するために使用されます。バラスト水は、船を水平トリムでバランスさせるためにトリムタンク間で移動させることができます。次に、プレーンを一緒に調整して、船体を水平のまま下向きに押し下げます。より急な潜水のために、船尾のプレーンを逆にして、船体を下向きに 傾けるために使用できます。

乗組員は、メインバラストタンクの上部にある通気口を開き、底部のバルブを開いて船を潜水させます。これにより、上部の通気口から空気が抜け、タンクに水が流入します。タンクから空気が抜けると、船の浮力が減少し、沈没します。潜水艦を浮上させるには、乗組員はバラストタンクの上部にある通気口を閉じ、圧縮空気をタンクに放出します。高圧の空気がタンクの上部に蓄積し、エアポケットが水を底部のバルブから押し出して船の浮力を増加させ、船を上昇させます。船が上昇するにつれて、静水圧が低下し、タンク内の空気が膨張して浮上速度が加速し、余分な空気が底部のバルブから抜けて最大浮力が発生します。潜水艦には、潜水と浮上のためのメインバラストタンク、水面上と水中の両方で潜水艦の姿勢（「トリム」）を調整するためのトリムタンク、浮力を微調整するための深度制御タンクなど、いくつかの種類のバラストタンクが搭載されている場合があります。^{[引用が必要]}

バラストタンクは、深海沖合石油プラットフォームや浮体式風力タービンの安定性と動作にも不可欠です。^[3]バラストは、「重心を可能な限り低くして浮心の下に配置することで、静水力安定性を高めます。」^[3]バラストは、プラットフォームを、海路での動きが最小限になるように最適化された深い喫水で水面面積を縮小したモードから、抗力の低い曳航モードに変換するように調整することもできます。

浮きドックは、支持デッキをドッキングする船舶の深さより下に沈めるためにバラストを積み、船舶をこの表面上に移動させて所定の位置に固定した後、バラストを排出してドッキング プラットフォームとドッキングされた船舶を水面上に持ち上げます。これを可能にするために、支持デッキの下の構造の大部分はバラスト タンクに分割されています。浮きボート リフトは、同じ原理で動作する小型バージョンで、特定の船舶の保管施設として専用に使用できます。

乾ドックと閘門ケーソンゲートを土台の上に浮かべて所定の位置に置き、次にバラストタンクに水を注ぎ、ドックまたは閘門の水を排水する間、ゲートを所定の位置に保持して密閉します。

ウェイクボード専用のインボードエンジンボートのほとんどには、複数の統合バラストタンクがあり、操舵室からロッカースイッチで制御されるバラストポンプによって水が充填されます。通常、構成は3タンクシステムに基づいており、ボートの中央にタンクが1つ、エンジン室の両側のボートの後部にさらに2つあります。大型船と同様に、小型のウェイクボードボートに水バラストを追加すると、船体の重心が低くなり、ボートの喫水が増加します。ほとんどのウェイクボードボートの工場出荷時のバラストシステムは、ソフト構造のバラストバッグを追加することで、容量を大きくしてアップグレードできます。バラストによって排水量を増やすと、特定の速度でボートがより大きな波を立てますが、その速度に到達するためのより大きなパワー要件とプロペラ負荷がかかります。

バラストタンクは、気球や飛行船などの一部の航空機にも使用されます。

ある水域からタンクに取り入れられ、別の水域に排出されるバラスト水は、水生生物の外来種を持ち込む可能性があります。バラストタンクからの水の取り入れは、たとえばカナダと米国の 五大湖のゼブラ貝のように、環境や経済に損害を与える種の持ち込みの原因となっています。

外来の大型無脊椎動物がバラストタンクに入り込むことがあります。これは生態学的および経済的に問題を引き起こす可能性があります。大型無脊椎動物は、世界中の港に到着する大洋横断船や沿岸船によって運ばれます。スイスの研究者は、地理的経路に沿って運航する62隻の異なる船舶から67個のバラストタンクをサンプル採取し、大型無脊椎動物が世界の別の場所に移動する可能性が高い海洋中の交換または航海の長さを検査しました。大型無脊椎動物の存在とバラストタンク内の堆積物の量の関係について評価が行われました。彼らは、サンプルを採取した船舶のバラストタンクで、非常に侵略的なヨーロッパミドリガニ、ノコギリガザミ、ニチニチソウ、ソフトシェルクラム、およびムール貝の存在を発見しました。大型無脊椎動物の密度は低かったものの、交尾期には外来大型無脊椎動物の侵入が懸念される。最も深刻な影響は、メスの大型無脊椎動物が1頭あたり数百万個の卵を運んでいるときに観察される。^[4]

生きた動物の移動や粒子に付着した生物の沈降は、世界のさまざまな場所で生物相の分布の変化につながる可能性があります。小さな生物がバラストタンクから逃げ出すと、外来生物は地元の生息地の生態学的バランスを崩し、既存の生物に損害を与える可能性があります。船舶作業員は、バラストタンクの排水溝の個別のセグメントに50μm以上の生物がいないか確認します。これは、タンク内のさまざまな岩や土の堆積レベルも表しています。^{[説明が必要]} サンプル収集全体を通して、排水溝セグメントの生物の濃度は異なり、他の試験では成層レベルのパターンも異なりました。^{[説明が必要]} 成層タンクの最良のサンプリング戦略は、各排出口全体に均等に間隔を空けて、さまざまな時間積分サンプルを収集することです。^[5]

五大湖に入るすべての大洋横断船舶は、バラスト水とバラストタンク残留物をバラスト水で浄化し、タンクのフラッシングと交換する必要があります。管理と手順により、バラスト水中の生物の密度と豊富さが効果的に低減され、世界の他の地域から非在来地域に生物が運ばれるリスクが軽減されます。ほとんどの船舶はバラスト水管理を行っていますが、すべての船舶がタンクを浄化できるわけではありません。緊急時には、乗組員が残留生物を浄化できる場合、塩化ナトリウム（塩）の塩水を使用してバラストタンクを処理します。五大湖と北海の港に到着する船舶は、死亡率が 100% に達するまで高濃度の塩化ナトリウムにさらされました。結果によると、115% の塩水への曝露は極めて効果的な処理であり、バラストタンク内の生物の種類に関係なく、死亡率は 99.9% になります。中央値は 0% でした。塩化ナトリウム処理後、約0.00%～5.33%の生物が生き残ると予想されます。^[6]

バラスト水管理条約は、 2004年2月13日に国際海事機関（IMO）によって採択され、船舶のバラスト水と沈殿物の管理と制御に関する基準と手順を確立することにより、有害な水生生物が地域間で拡散するのを防ぐことを目的としています。これは、2017年9月8日に世界中で発効しました。^[7]この条約では、国際航行するすべての船舶は、船舶固有のバラスト水管理計画に従って、バラスト水と沈殿物を一定の基準で管理する必要があります。すべての船舶はまた、バラスト水記録簿と国際バラスト水管理証明書を携帯する必要があります。バラスト水管理基準は、一定期間にわたって段階的に導入されます。中間的な解決策として、船舶は海上でバラスト水を交換する必要があります。しかし、最終的にはほとんどの船舶が船上にバラスト水処理システムを設置する必要があります。^[7]

条約の実施を支援するために、いくつかのガイドラインが策定されている。条約では、すべての船舶にバラスト水および沈殿物管理計画の実施を義務付ける。すべての船舶はバラスト水記録簿を携行し、所定の基準に従ってバラスト水管理手順を実行することが義務付けられる。既存の船舶も同様の義務を負うが、段階的な導入期間の後に実施される。^[7]

船舶のメンテナンスにおける最も一般的な問題の一つは、商船のバラストタンクが占める二重船体空間で起こる腐食です。^[8]バラストタンクのコーティングの生分解は海洋環境で起こります。バラストタンクには通常、バクテリアやその他の生物が付着しており、その一部はバラストタンクのコーティングや構造に損傷を与える可能性があります。^[9]

バラストタンクには微小な亀裂や小さな穴が見つかっています。酸性バクテリアは長さ0.2～0.9μm、幅4～9μmの穴を開けました。自然界では深さ2～8μm、長さ1μmの亀裂ができました。電気化学インピーダンス分光法（EIS）で評価したところ、バクテリアの影響を受けたコーティングは耐食性が低下しました。^[9]

天然のバクテリア群集は時間の経過とともにコーティングの耐腐食性を低下させ、40日間の暴露後には低下し、バラストタンクの表面に水ぶくれが生じる。バクテリアは、さまざまな種類のコーティングの攻撃に影響を与える特定のバイオフィルムパターンに関連している可能性がある。^{[曖昧] [9] [10]}