Van vliegtuigvleugels tot bovengrondse hoogspanningslijnen tot de gigantische bladen van windturbines, een opeenhoping van ijs kan problemen veroorzaken, variërend van verminderde prestaties tot catastrofale storingen. Maar om die ophoping te voorkomen, zijn meestal energie-intensieve verwarmingssystemen of chemische sprays nodig die schadelijk zijn voor het milieu. Nutsvoorzieningen, MIT-onderzoekers hebben een volledig passieve, manier om ijsvorming tegen te gaan op zonne-energie.

Het systeem is opmerkelijk eenvoudig, op basis van een drielaags materiaal dat op de te behandelen oppervlakken kan worden aangebracht of zelfs gespoten. Het verzamelt zonnestraling, zet het om in warmte, en verspreidt die warmte rond zodat het smelten niet alleen beperkt blijft tot de gebieden die direct aan het zonlicht worden blootgesteld. En, eenmaal toegepast, het vereist geen verdere actie of stroombron. Hij kan zelfs 's nachts zijn ontdooiwerk doen, gebruik van kunstlicht.

Het nieuwe systeem wordt vandaag beschreven in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi en postdocs Susmita Dash en Jolet de Ruiter.

"IJsvorming is een groot probleem voor vliegtuigen, voor windturbines, stroomkabels, offshore olieplatforms, en vele andere plaatsen, ", zegt Varanasi. "De conventionele manieren om er omheen te komen zijn ontdooisprays of door te verwarmen, maar die hebben problemen."

Geïnspireerd door de zon

De gebruikelijke ontdooisprays voor vliegtuigen en andere toepassingen gebruiken ethyleenglycol, een chemische stof die milieuonvriendelijk is. Luchtvaartmaatschappijen houden niet van actieve verwarming, zowel om kosten- als veiligheidsredenen. Varanasi en andere onderzoekers hebben het gebruik van superhydrofobe oppervlakken onderzocht om passief ijsvorming te voorkomen, maar die coatings kunnen worden aangetast door vorstvorming, die de neiging heeft om de microscopische texturen te vullen die het oppervlak zijn ijsafstotende eigenschappen geven.

Als alternatieve onderzoekslijn, Varanasi en zijn team beschouwden de energie die door de zon wordt afgegeven. Ze wilden zien, hij zegt, of "er een manier is om die warmte op te vangen en passief te gebruiken." Ze ontdekten dat die er was.

Het is niet nodig om genoeg warmte te produceren om het grootste deel van het gevormde ijs te smelten, het team gevonden. Het enige dat nodig is, is de grenslaag, precies waar het ijs het oppervlak raakt, genoeg smelten om een ​​dun laagje water te creëren, waardoor het oppervlak glad genoeg wordt, zodat het ijs er gewoon afglijdt. Dit is wat het team heeft bereikt met het drielaagse materiaal dat ze hebben ontwikkeld.

Laag voor laag

De toplaag is een absorber, die binnenkomend zonlicht opvangt en omzet in warmte. Het materiaal dat het team gebruikte is zeer efficiënt, het absorberen van 95 procent van het invallende zonlicht, en slechts 3 procent verliezen aan herbestraling, Varanasi zegt:

In principe, die laag op zich zou kunnen helpen om vorstvorming te voorkomen, maar met twee beperkingen:het zou alleen werken in de gebieden direct in zonlicht, en veel van de warmte zou weer verloren gaan in het substraatmateriaal - de vliegtuigvleugel of hoogspanningslijn, bijvoorbeeld - en zou niet helpen bij het ontdooien.

Dus, om de lokalisatie te compenseren, het team voegde een spreidlaag toe - een zeer dunne laag aluminium, slechts 400 micrometer dik, die wordt verwarmd door de absorberende laag erboven en zeer efficiënt verspreidt die warmte zijdelings om het hele oppervlak te bedekken. Het materiaal is geselecteerd om een ​​"thermische respons te hebben die snel genoeg is zodat de verwarming sneller plaatsvindt dan het bevriezen, ' zegt Varanasi.

Eindelijk, de onderste laag is gewoon schuimisolatie, om te voorkomen dat die warmte naar beneden wordt verspild en om het te houden waar het nodig is, aan de oppervlakte.

"Naast passieve ontdooiing, de fotothermische val blijft op een verhoogde temperatuur, waardoor ijsvorming helemaal wordt voorkomen, ' zegt Dash.

De drie lagen, allemaal gemaakt van goedkoop in de handel verkrijgbaar materiaal, worden dan aan elkaar gehecht, en kan worden verlijmd op het te beschermen oppervlak. Voor sommige toepassingen is de materialen kunnen in plaats daarvan op een oppervlak worden gespoten, één laag per keer, zeggen de onderzoekers.

Het team voerde uitgebreide tests uit, inclusief real-world testen van de materialen in de buitenlucht en gedetailleerde laboratoriummetingen, om de effectiviteit van het systeem te bewijzen.

Het systeem kan zelfs breder commercieel worden gebruikt, zoals panelen om ijsvorming op daken van woningen te voorkomen, scholen, en andere gebouwen, zegt Varanasi. Het team is van plan om verder te werken aan het systeem, testen op levensduur en optimale toepassingsmethoden. Maar het basissysteem zou in wezen vrijwel onmiddellijk kunnen worden toegepast voor sommige toepassingen, vooral stationaire toepassingen, hij zegt.