Onderzoekers van de Northwestern University ontdekten een nieuwe manier om vorstvorming op elk oppervlak aanzienlijk te verminderen. De bevinding zou kunnen helpen de hoeveelheid energie die nodig is voor ontdooien te verminderen en mogelijk leiden tot minder geannuleerde vluchten, die zelfs bij de geringste laag vorst kan worden geaard.

Door de textuur van het oppervlak van elk materiaal aan te passen, het team was in staat om vorstvorming experimenteel tot 60% te verminderen. De oppervlaktestructuur op millimeterschaal bevat een geoptimaliseerde, grillige reeks pieken en dalen, die de onderzoekers in de natuur hebben waargenomen. Met deze structuur, het team toonde ook theoretisch aan dat vorstvorming tot 80% kon worden verminderd.

"Dit idee kwam van het kijken naar bladeren, " zei Northwestern's Kyoo-Chul Park, die de studie leidde. "Er is meer rijpvorming op de bolle delen van een blad. Op de holle delen (de nerven), we zien veel minder vorst. We ontdekten dat het de geometrie is - niet het materiaal - die dit regelt."

De studie wordt vandaag (10 maart) gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Park is een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering van Northwestern.

Mensen die in koude klimaten leven, zijn maar al te bekend met vorst. Het ontstaat wanneer vochtige luchtdamp of condensatie in contact komt met een oppervlak dat onder het vriespunt is.

Elke winter, mensen schrapen het van hun auto of maken zich zorgen dat het hun planten doodt. Maar vorst is meer dan hinderlijk. Vorst op vliegtuigvleugels kan weerstand veroorzaken, vluchten gevaarlijk of zelfs onmogelijk maken. En, bij het ophopen in diepvriezers en koelkasten, vorst vermindert de energie-efficiëntie in apparaten aanzienlijk.

Maar er vormt zich niet op alles vorst. Voor objecten, zoals bladeren, die een golvende geometrie hebben, vorst vormt zich op de toppen, maar zelden in de valleien.

"Mensen merken dit al duizenden jaren, "Zei Park. "Opmerkelijk, er was geen verklaring voor hoe deze patronen zich vormen."

Door experimenteel werk en computationele simulaties, Park en zijn medewerkers ontdekten dat condensatie wordt versterkt op de toppen en onderdrukt in de valleien van golvende oppervlakken. De kleine hoeveelheid gecondenseerd water in de valleien verdampt dan, waardoor een vorstvrij gebied ontstaat. Zelfs toen Park een oppervlaktemateriaal gebruikte dat water aantrekt, het water verdampte nog steeds uit de valleien toen het onder het vriespunt was.

Park gebruikte deze nieuwe informatie om de optimale oppervlaktetextuur te vinden om vorstvorming te voorkomen. Het winnende oppervlak bevat millimeter hoge pieken en dalen met kleine (40-60 graden) hoeken ertussen.

Hoewel er zich nog steeds een dunne lijn van rijp vormt op de toppen van de oppervlaktetopografie, het kan met aanzienlijk minder energie worden ontdooid. Het omzeilt ook de noodzaak voor het gebruik van vloeistoffen met lagere frosting points of oppervlaktecoatings, die gemakkelijk kan worden bekrast.

"Het niet-bevriezen-gebied start het ontdooiproces, "Zei Park. "Dus het zou de materialen en energie verminderen die worden gebruikt om glazuurproblemen op te lossen. Het enige wat we moeten doen is anderen de richtlijnen geven om deze gekartelde oppervlakken te ontwerpen."