IJs op het oppervlak van een vliegtuig kan gevaarlijk zijn. Het verhoogt de weerstand en het brandstofverbruik, verstoort aërodynamische stromen, en vermindert de lift, wat het vermogen van het vliegtuig om veilig te vliegen schaadt. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, Airbus en TU Dresden hebben een laserproces ontwikkeld dat met één handeling twee behoeften vervult. Aan de ene kant, opgehoopt ijs valt er vanzelf af en aan de andere kant kost het minder warmte om oppervlakken te ontdooien. Met Direct Laser Interference Patterning kunnen oppervlakken worden gestructureerd op een manier die ijs effectief afstoot.

IJsvorming vormt een veiligheidsrisico voor vliegtuigen. Een dunne laag rijp op de vleugels of andere neuralgische punten zoals de staart kan de aerodynamica van het vliegtuig nadelig beïnvloeden. De lift kan afnemen en de weerstand toenemen. IJsophoping op sondes en sensoren kan de luchtsnelheidsmetingen die essentieel zijn voor de veiligheid tijdens de vlucht in gevaar brengen. Dit is de reden waarom sneeuw en ijs uit vliegtuigen moeten worden verwijderd voordat ze opstijgen. Op de grond, deze taak is voorbehouden aan speciale voertuigen die chemische middelen op alle kwetsbare oppervlakken spuiten. Deze antivriesmiddelen gaan ook de vorming van ijs tegen. Echter, dergelijke vloeistoffen zijn milieubelastend en duur. Bovendien, een aanzienlijke hoeveelheid - 400 tot 600 liter - is nodig om een ​​vliegtuig ijsvrij te maken. Ook vliegtuigen in de lucht moeten worden beschermd tegen dit ijzige gevaar. In de meeste gevallen, ijsbeschermingssystemen zoals verwarmingselementen worden aan boord gefaciliteerd om het werk te doen. Het grote nadeel van deze kachels is dat ze het brandstofverbruik verhogen.

Ecologisch duurzaam

Met behulp van een technologie die bekend staat als Direct Laser Interference Patterning (DLIP), een onderzoeksteam van Fraunhofer IWS werkte nauw samen met projectpartners Airbus en TU Dresden om een ​​proces te ontwikkelen dat complexe, meanderende oppervlaktestructuren die op micron- en submicronschaal moeten worden gecreëerd om ijsaccumulatie te verminderen en het ontdooien te versnellen. (Meer over de DLIP-technologie in het onderstaande kader). Wat dit proces onderscheidt, is dat de onderzoekers DLIP combineerden met ultrakorte pulslasers om multilevel, 3D-microstructuren op vleugelprofielen in één stap.

Als resultaat, een deel van het ijs verliest gewoon zijn grip, afhankelijk van de omstandigheden waaronder het bevroor, en laat spontaan los na het bereiken van een bepaalde dikte. Ook, voor technisch ontdooien is 20 procent minder verwarmingsenergie nodig. Andere voordelen van het nieuwe proces zijn dat het mogelijk de benodigde hoeveelheid milieubelastende dooimiddelen vermindert en de tijd die passagiers besteden aan het wachten op het ontdooien van het vliegtuig, vermindert. Hetzelfde geldt voor het vermogen en het brandstofverbruik tijdens de vlucht. Het kan zelfs het gewicht van het vliegtuig verminderen als er kleinere verwarmingseenheden worden geïnstalleerd. Deze combinatie van deze twee effecten moet nog worden bereikt met conventionele technologieën.

Windtunneltests met Airbus

Dit DLIP-proces is ontwikkeld in een gezamenlijke inspanning tussen Fraunhofer IWS en TU Dresden om de geoptimaliseerde DLIP-oppervlaktestructuur te vinden. Eindelijk, de IWS-experts ontwikkelden het patroonproces om de geoptimaliseerde structuur over te brengen op de uiteindelijke demonstrator:een complexe driedimensionale NACA-vleugel die diende als een geminiaturiseerde maar realistische vleugelhanger. Het NACA-vleugelprofiel werd vervolgens getest door AIRBUS-experts in de windtunnel. De prestatietests werden uitgevoerd met een gestructureerd NACA-vleugelprofiel en een ongestructureerd NACA-vleugelprofiel dat als referentie diende onder realistische omstandigheden bij windsnelheden van 65 tot 120 m/s, met luchttemperaturen onder de min tien graden Celsius en bij verschillende vochtigheidsniveaus.

De partners van Airbus konden aantonen dat ijsgroei op het gefunctionaliseerde oppervlak zelfbeperkend is. In feite, het ijs valt er na een bepaalde tijd af zonder dat extra oppervlakteverwarming nodig is. Aanvullende experimenten toonden ook aan dat het 70 seconden duurde voordat het ijs op een ongestructureerd aërodynamisch vlak smolt bij 60 watt toegepaste warmte. Het ijs op het gestructureerde vleugelprofiel verdween na slechts vijf seconden volledig bij dezelfde hoeveelheid toegepaste warmte. De DLIP-technologie versnelde het proces met meer dan 90 procent. Het kostte 75 watt, of 25 procent meer verwarmingsvermogen in vergelijking met het DLIP-oppervlak, om het ijs op de ongestructureerde demonstrator te verwijderen. "In deze prachtige samenwerking met Airbus, we hebben voor het eerst en op een realistische manier het grote anti-ijsvormingspotentieel gedemonstreerd dat kan worden aangeboord met grootschalige laseroppervlakpatronen. Met onze DLIP-aanpak, we realiseerden biomimetische oppervlaktestructuren op een complexe component zoals de NACA-vleugel, en demonstreerde zijn duidelijke voordelen ten opzichte van andere laserprocessen", zegt dr. Tim Kunze, Teamleider Surface Functionalisatie bij Fraunhofer IWS. Zijn collega Sabri Alamri voegt toe:"De toepassing van micro- en nanostructuren op metaal voorkomt dat waterdruppels aan elkaar gaan kleven. Geïnspireerd door de natuur, dit staat algemeen bekend als het lotuseffect. Met ons nieuwe DLIP-proces, we kunnen een gefragmenteerd oppervlak creëren om het aantal hechtingspunten voor ijs aanzienlijk te verminderen. Binnenkort publiceren we een paper over de resultaten." Projectpartner Elmar Bonaccurso, Onderzoeksingenieur voor oppervlaktetechnologie / geavanceerde materialen bij Airbus, voegt toe, "IJsvorming is bijzonder gevaarlijk tijdens de landing. Water aan het oppervlak bevriest binnen milliseconden wanneer het vliegtuig bij temperaturen onder het vriespunt door de wolken vliegt. Dit kan de functies van bedieningselementen zoals landingskleppen en lamellen verstoren, wat afbreuk doet aan de aerodynamica. Vandaag, we gebruiken hete lucht afkomstig van de motoren om de vleugeloppervlakken te verwarmen. De waterafstotende structuur, die we samen met onze partner Fraunhofer IWS ontwikkelden in het EU-project Laser4Fun, is een poging om conventionele technologieën te vervangen door milieuvriendelijke, meer kosteneffectieve alternatieven." De volgende stap van de partners zal zijn om de methode te optimaliseren en aan te passen aan verschillende luchtzones. Ze zullen rekening houden met de resultaten die zijn verkregen in real-world vliegtests die momenteel aan de gang zijn met een A350-vliegtuig waarvan de oppervlakken zijn behandeld met DLIP.

Een sleuteltechnologie

Het onderzoeksteam heeft een sleuteltechnologie ontwikkeld door korte en ultrakorte pulslasers te gebruiken voor directe laserinterferentiepatronen. Het kan vele toepassingen dienen, bijvoorbeeld, om functionele oppervlakken te structureren op windturbines of andere componenten die kunnen bevriezen in koude gebieden. Deze technologie kan ook worden toegepast op zeer verschillende gebieden, zoals productbescherming, biocompatibele implantaten en verbeterde contacten voor elektrische connectoren. "We kunnen functionele microstructuren toepassen over grote oppervlakken en met hoge processnelheden, waardoor voordelen worden behaald voor een aantal toepassingen die, tot nu, ondenkbaar was geweest, ' zegt Tim Kunze.