Wetenschappers en ingenieurs voeren een stille maar vastberaden strijd tegen de vorming van ijs op de infrastructuur. Een dun laagje ijs op zonnepanelen kan grote schade aanrichten aan hun vermogen om elektriciteit op te wekken. Dunne ijslagen op de wieken van windturbines kunnen hun efficiëntie vertragen.

En een dun laagje ijs op een elektrische transmissielijn kan de eerste stap zijn in gevaarlijke ijsvorming. Dat is precies wat er in 1998 in Quebec gebeurde, toen een opeenhoping van ijs op transmissielijnen en torens meer dan 150 torens verpletterde, waardoor meer dan een miljoen mensen zonder stroom zitten en ongeveer $ 5 miljard aan schade voor CDN wordt aangericht.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) meldt een nieuwe aanpak om ijsvorming te voorkomen door het te kraken. "We denken dat we een zeer interessante methode hebben gevonden om ijsaanhechting te verminderen, die uniek is, en een doorbraak in de anti-ijsvormingsgemeenschap, " zegt Zhiliang Zhang, een professor in de afdeling Structural Engineering van NTNU en hoofd van het SLICE-onderzoeksprojectteam dat de techniek ontdekte. Hun aanpak is zojuist gepubliceerd in Zachte materie , een publicatie van de Royal Society of Chemistry.

Als je ooit in de winter een vlucht hebt genomen, je hebt vrijwel zeker een manier ervaren om te voorkomen dat ijs aan een oppervlak blijft kleven, waarbij dooivloeistof op de vleugels van een vliegtuig en andere kritieke delen van het vliegtuig wordt gespoten. De spray verwijdert fysiek opgehoopt ijs, maar het zorgt er ook voor dat het oppervlak van het vliegtuig minder snel sneeuw of ijs ophoopt (hoewel slechts voor een korte periode). In de meeste industriële toepassingen, echter, zoals op een offshore-platform of schip in het noordpoolgebied, of op windturbines, antivries op een constructie sproeien is geen optie.

Wetenschappers en ingenieurs hebben zo stoffen gemaakt die superhydrofoob worden genoemd. Dit betekent dat ze uitblinken in het afstoten van water. Superhydrofobe stoffen kunnen door sproeien of dompelen op oppervlakken worden aangebracht. Vaak, ze zijn gemaakt van gefluoreerde chemicaliën die niet bijzonder milieuvriendelijk zijn. En wetenschappers zijn er niet helemaal zeker van dat een superhydrofoob oppervlak ijsvrij kan blijven, althans voor lange perioden. Dat motiveerde Zhang en zijn collega's van het NTNU Nanomechanical Lab om een ​​heel andere aanpak te proberen.

"Onze strategie is om met ijs te leven, " hij zei, door het te laten vormen, maar door ervoor te zorgen dat de ijslagen van het oppervlak scheuren en eraf vallen. In hun pogingen om manieren te vinden om te voorkomen dat ijs aan oppervlakken blijft kleven, ijsonderzoekers hebben geprobeerd fysieke krachten te manipuleren om interfacescheuren op nanoschaal en microschaal te genereren.

Veel ijsonderzoekers hebben geprobeerd gladde oppervlakken te creëren die afhankelijk zijn van oppervlaktechemie om scheuren te veroorzaken door de atomaire bindingen tussen het ijs en het oppervlak te verzwakken. Deze aan oppervlaktechemie gerelateerde stoffen worden NACI genoemd, voor initiatiefnemers van nanoscheuren.

Op microschaal, ijsonderzoekers hebben microbultjes ingebouwd in de oppervlakken die ze tegen ijs willen beschermen. Deze microbultjes worden microscheurinitiatoren genoemd, of MIC, omdat hun ruwheid microscheuren bevordert bij het contact tussen het oppervlak en het ijs, en beperkt het vermogen van het ijs om aan het behandelde oppervlak te kleven.

Geen van deze mechanismen is perfect om te voorkomen dat ijs aan een oppervlak blijft kleven. Zhang en zijn collega's testten een aantal commerciële en zelfgemaakte coatings die afhankelijk zijn van NACI en MICI om het vermogen van ijs om aan het oppervlak te kleven te verminderen. Ze realiseerden zich geleidelijk dat als ze nog een structuur onder het oppervlak zouden toevoegen, ze kunnen grote macroscheuren vormen op het grensvlak tussen het oppervlak en het ijs. Ze noemden dit mechanisme MACI, voor initiator van macroscheuren.

Naarmate de scheuren groter worden, het ijs zal minder snel aan de oppervlakte blijven. Op deze manier, MACI is de sleutel tot het wegwerken van ijsophoping op oppervlakken, zei Zhang. Om hun idee te testen, Zhang en zijn collega's creëerden ondergrondse lagen met microgaten of pilaren. Daarna maakten ze een dunne film van een stof genaamd polydimethylsiloxaan, of PDMS, die de gaten bedekten, hobbelige onderbouwlagen.

Ze testten meerdere ontwerpen van hun MACI-binnenstructuren. Ze testten ook wat er zou gebeuren als ze meerdere lagen met binnengaatjes zouden gebruiken. De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat oppervlakken met de MACI-substructuren ijsadhesiesterkten hadden die ten minste 50 procent zwakker waren dan de pure PDMS-oppervlakken zonder MACI. Een oppervlak met het speciale MACI-ontwerp gaf de onderzoekers de resultaten waar ze op hoopten, met enkele van de laagste waarden voor ijsaanhechting, of plakkerigheid, ooit gemeten.

"De ijshechtingssterkte voor gewone buitenoppervlakken van staal of aluminium is ongeveer 600-1000 kPa, "Zei Zhang. "Door het nieuwe MACI-concept te introduceren in het oppervlakteontwerp, we bereikten de superlage ijsadhesiewaarde van 5,7 kPa."

Zhang en zijn collega's hebben meer werk te doen terwijl ze hun idee ontwikkelen, maar ze zijn enthousiast dat ze de code hebben gekraakt om gevaarlijke ijsvorming te voorkomen en tegelijkertijd ongewenste milieueffecten te beperken. "Traditionele actieve ontdooiingstechnieken... kunnen grote nadelige effecten hebben op constructies en het milieu, "Zei Zhang. "Maar passieve superlage ijsadhesieoppervlakken vermijden al die nadelige effecten. Dit is niet alleen zeer interessant voor de wetenschappelijke gemeenschap, en voor Arctische toepassingen, maar voor zonnepanelen, voor scheepvaart- en transmissielijnen. Er zijn veel toepassingen die verband houden met het dagelijks leven."