قد يبدو الصقيع عاديًا، لكنه يسبب فوضى داخل قطاع الطيران. قد يغيّر الجرافين هذا.

كل عام، يأتي الصقيع ويخلق مناظر جميلة وهادئة. تتشكل هذه الطبقة الرقيقة من الجليد على سطح صلب مثل الأرض عندما تنخفض درجة الحرارة إلى مستويات التجمد أو أقل.

عندما يحتوي الهواء على بخار ماء أكثر مما يستطيع احتواؤه عند درجة حرارة معينة، يتشكل الصقيع.

على الرغم من جماله، فإن الصقيع قد يكون خطرًا محتملًا. ليس فقط لأنه يسبب صداعًا عند إزالة الأسطح الزلقة، بل إنه يؤدي أيضًا إلى مشاكل خطيرة أخرى مثل تدهور حساسات المركبات، وانخفاض كفاءة الطاقة في الثلاجات والمجمدات، وزيادة الوزن على خطوط الطاقة التي قد تتسبب في انقطاع التيار وتلف حديقة الخضروات والزهور الثمينة.

هذا ليس كل شيء. الصقيع يؤثر سلبًا على الطائرات أيضًا من خلال تقليل السرعة عند الوقوف، وتقليل كفاءة التحكم، وزعزعة استقرار الميل، مما قد يؤدي إلى حوادث. كما يتداخل مع إقلاع الطائرات عن طريق تغيير الخصائص الديناميكية الهوائية للأجنحة، مما يجعل الرحلات خطرة أو حتى مستحيلة.

في حين أن توني ستارك في فيلم “آيرون مان” قد يتمكن من استغلال تراكم الجليد على بدلته ضد خصمه، فإن ذلك ببساطة غير ممكن لنا في حياتنا اليومية.

ما نحتاجه هو حل فعال لهذه المشكلة التي تبلغ قيمتها مئات المليارات من الدولارات، وقد وجدها مهندسون من جامعة نورثويسترن. لقد طوروا استراتيجية تمنع الصقيع من التكوّن في المقام الأول.

تحقيق مناطق خالية من الصقيع لفترات طويلة

إذن، ما هو الحل؟ أحد المكوّنات الرئيسية للحل الذي اكتشفه مهندسو جامعة نورثويسترن يدور حول الجرافين.

مستخرجًا من الجرافيت، الجرافين مكوّن من الكربون النقي، وهو أحد أهم العناصر الطبيعية والرابع من حيث الوفرة.

هذا المادة معروفة بخفتها. بسمك ذرة واحدة فقط، يُعد الجرافين أرفع مركب معروف. وهو أيضًا قوي جدًا، حيث يتراوح قوته بين 100 إلى 300 مرة أقوى من الصلب. بالإضافة إلى مرونته، يُعد الجرافين أفضل موصل للكهرباء ومعروف بامتصاصه المتساوي للضوء.

كل هذه الخصائص تمنح الجرافين تطبيقات واعدة في مجالات مثل المركبات المركبة، والإلكترونيات، وأجهزة الاستشعار والتصوير، والطاقة، والاتصالات، والتقنيات الطبية الحيوية.

يستخدم باحثو جامعة نورثويسترن الآن هذه المادة لمواجهة الصقيع. على وجه التحديد، يستخدمون أكسيد الجرافين (GO)، وهو مركب تم اقتراحه قبل أكثر من قرن ونصف وقد استُخدم في السنوات الأخيرة كمادة بداية محتملة للإنتاج الضخم للجرافين.

هذه المادة النانوية القائمة على الكربون، المعروفة قبل الجرافين بوقت طويل، تُنتج من خلال الأكسدة الكيميائية للجرافيت الطبيعي بواسطة مؤكسدات قوية.

في الدراسة الجديدة، وجد المهندسون أن تغيير نسيج السطح ثم إضافة طبقة رقيقة من GO يمنع تمامًا تكوّن الصقيع على الأسطح لمدة أسبوع، وربما لفترة أطول.

ما يفعله أكسيد الجرافين هو جذب ثم حجز بخار الماء—الماء في شكل غازي—داخل هيكله، مما يمنع الماء من التجمد بفعالية. عند دمجه مع سطح ذو نسيج ماكرو، يؤدي ذلك إلى فترة طويلة من التشبع الفائق.

هذا الوقاية من الصقيع لمدة أسبوع هي ألف مرة أطول مما تحققه الأسطح المضادة للصقيع المتقدمة الحالية. علاوة على ذلك، فإن تصميم السطح الجديد القابل للتوسيع مقاوم أيضًا للخدوش، والتشققات، والتلوث.

إدماج هذا السطح المملس في البنية التحتية يمكن أن يساعد الشركات والحكومات على توفير مليارات الدولارات سنويًا من فقدان الطاقة وتجنب تكاليف الصيانة، وفقًا لتقديرات الباحثين. وفقًا لقائد الدراسة كيو-تشول كينيث بارك، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية بمدرسة ماك كورميك للهندسة في جامعة نورثويسترن:

“تراكم الصقيع غير المرغوب فيه يمثل قلقًا كبيرًا عبر القطاعات الصناعية والسكنية والحكومية.”

هذا العام المالي، حصلت الجامعة على تمويل بحثي قياسي بقيمة 1.05 مليار دولار، بزيادة 5٪ عن العام الماضي.

أشار بارك إلى أن أزمة الطاقة في تكساس عام 2021 كلفت 195 مليار دولار من الأضرار، نتيجة مباشرة للجليد والصقيع والظروف الباردة الشديدة التي استمرت لأكثر من 5 أيام، وأثرت على 4.5 مليون منزل.

“لذلك، من الضروري تطوير تقنيات مضادة للصقيع تكون قوية لفترات طويلة في ظروف بيئية قاسية.”

– بارك، عضو هيئة التدريس في المعهد الدولي لتقنية النانو ومعهد باولا إم. ترينينز للاستدامة والطاقة

مع ذلك، لا نحتاج فقط إلى تقنيات مضادة للصقيع، بل نحتاج أيضًا إلى تلك التي تكون سهلة التصنيع والتنفيذ. بناءً على ذلك، أنشأ الباحثون طريقتهم الهجينة المضادة للصقيع، والتي تتميز بالمتانة، والقابلية للتوسيع، وسهولة التصنيع عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد، ويمكنها مقاومة الصقيع لأسابيع.

دمج هندسة الأوراق مع خصائص GO المائية

تستند الدراسة الجديدة فعليًا إلى العمل السابق لفريق بارك في عام 2020، حيث وجدوا أن تغيير النسيج يقلل تكوّن الصقيع بنسبة تصل إلى 60٪. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يقلل إضافة نسيجات بمقاس مليمتر—سلسلة من القمم والوديان الحادة المستوحاة من الطبيعة—من تكوّن الصقيع حتى 80٪.

من أجل هذا الاكتشاف، استلهم المهندسون من هندسة أوراق النعناع. كما أوضح بارك في ذلك الوقت، المناطق المحدبة للورقة تشهد تكوّنًا أكبر للثلوج مقارنة بالمناطق المقعرة (الأوردة)، التي تحصل على “قليل جدًا من الصقيع”.

على الرغم من ملاحظة ذلك منذ زمن طويل، لم يكن هناك تفسير للسبب وكيفية حدوث ذلك. قال:

“وجدنا أن الهندسة—وليس المادة—هي التي تتحكم في ذلك.”

الهندسة المتموجة للأوراق تعني أن الصقيع يتكوّن على القمم حيث يتعزز التكثف، لكنه نادرًا ما يتكوّن في الوديان حيث يُقمع التكثف. أي كمية صغيرة من الماء المكثف في وديان الأسطح المتموجة تتبخر، مما يؤدي إلى منطقة خالية من الصقيع.

من المثير للاهتمام، حتى عند استخدام مادة سطح تجذب الماء، يُلاحظ نفس النتيجة: يتبخر الماء من الوديان عندما يكون تحت نقطة التجمد.

باستخدام هذه المعلومات، وجد الفريق النسيج السطحي الأمثل، وهو سطح يحتوي على قمم ووديان بارتفاع مليمتر مع زوايا تتراوح بين 40 إلى 60 درجة فقط.

الخط الرفيع من الصقيع الذي لا يزال يتكوّن على قمم هذا السطح يمكن إذابته بكمية أقل بكثير من الطاقة، ويزيل الحاجة لاستخدام طلاءات سطحية أو سوائل ذات نقاط تجمد منخفضة.

“منطقة عدم التجمّد تُطلق عملية إذابة الصقيع. لذا فإنها تقلل من المواد والطاقة المستخدمة لحل مشاكل الصقيع.”

– بارك

في الدراسة الجديدة، أدخل الفريق أكسيد الجرافين (GO) في الخليط، حيث يُضاف إلى الوديان المسطحة لتقليل تكوّن الصقيع تمامًا، حتى في الوديان.

تم اختيار GO بسبب خصائصه المائية الاستثنائية، وهي قدرة المادة على جذب واحتجاز جزيئات الماء عبر الامتصاص. معدل امتصاص بخار الماء للـ GO هو ضعف معدل سيليكا جل. ثم، يمتلك GO القدرة الفطرية على كبح تجمد جزيئات الماء المتداخلة من خلال تأثيرات الحجز النانوي.

السطح الجديد يحتوي أيضًا على نتوءات صغيرة، بمسافة قمة إلى قمة تبلغ 5 مم. تُغطى طبقة رقيقة من GO، بسماكة 600 ميكرون فقط، على الوديان بين القمم. وفقًا لبارك:

“أكسيد الجرافين يجذب بخار الماء ثم يحجز جزيئات الماء داخل هيكله. لذا، تعمل طبقة أكسيد الجرافين كحاوية لمنع تجمد بخار الماء.”

إضافة أكسيد الجرافين إلى سطح النسيج الماكرو ساعد السطح على مقاومة الصقيع عند تشبع فائق لفترة طويلة، مما جعل السطح التجريبي الهجين “منطقة ثابتة، طويلة الأمد، وخالية من الصقيع”.

يمكنك مشاهدة عرض توضيحي لهذه التقنية على يوتيوب هنا، والذي نُشر على القناة الرسمية لجامعة نورثويسترن:

يُظهر الفيديو كيف يتكوّن الصقيع على القمم ذات الشكل الخلوي بينما تظل الوديان المسطحة خالية من الصقيع. في الفيديو، السطح الأيمن يحتوي على طبقة رقيقة من GO.

لإظهار تفوق طريقتهم، قارن فريق بارك ذلك مع أسطح مضادة للصقيع متقدمة أخرى.

مقارنةً بمقاومة تكوّن الصقيع بنسبة 100٪ لمدة 150 ساعة، كانت الأسطح الفائقة المقاومة للماء والمغلفة بالزيوت قادرة فقط على مقاومة 5‑36٪ من تكوّن الصقيع، وذلك لمدة 5 ساعات فقط. ثم هناك مسألة تعرض الأسطح المضادة للصقيع الأخرى للتلف بسبب الخدوش أو التلوث، “مما يضعف أداء السطح مع مرور الوقت”.

سطح بارك الهجين الماكرو‑نصي‑أكسيد الجرافين، من ناحية أخرى، قوي ضد مثل هذه الأضرار، وبالتالي يطيل عمر السطح.

حتى الآن، لا توجد طريقة “مقاس واحد يناسب الجميع” متاحة في السوق بسبب الاحتياجات الخاصة للتطبيقات المختلفة. على سبيل المثال، تحتاج الطائرات إلى ثوانٍ فقط من مقاومة الصقيع مقارنة بخطوط الطاقة التي تعمل باستمرار في بيئات باردة وقد تحتاج إلى أيام أو أسابيع من مقاومة الصقيع.

وفقًا للباحثين، يمكن استخدام التقنية الجديدة لتصميم أجنحة الطائرات وكذلك خطوط الطاقة مع تقليل التصاق الجليد لتقليل تكاليف الصيانة السنوية بشكل كبير. يمكن أن تساعد الطريقة أيضًا في منع عدم كفاءة الطاقة وتساهم في تشغيل البنية التحتية بأمان في البيئات الباردة.

حماية البنية التحتية من المناخات القاسية

المناخات الباردة تأتي مع دفء البطانيات الدافئة، والشوكولاتة الساخنة، والمشاعر الاحتفالية. ولكن في الوقت نفسه، تجلب معها مجموعة من المشكلات، لا سيما في شكل مشاكل صحية وتلف البنية التحتية.

يمكن لتراكم الجليد والثلوج أن يضعف أداء وسلامة السفن، وزجاج السيارات، وخطوط الطاقة، وتوربينات الرياح، والطائرات. لهذا يبحث الباحثون عن حلول لهذه المشكلات.

تحظى الأسطح القادرة على الحد من نمو الجليد باهتمام كبير، كما رأينا في الدراسة الأخيرة أيضًا، كبديل فعال من حيث التكلفة.

كما شاركنا في وقت سابق من هذا العام، طور باحثون من كلية الهندسة بجامعة دريكسل خرسانة ذات تسخين ذاتي تزيل الثلوج وكذلك الأمطار المتجمدة من تلقاء نفسها، دون الحاجة إلى كشط أو جرف أو ملح، وهو ما يؤثر سلبًا على الأسطح لمدة ثلاث سنوات.

لتوسيع عمر تشغيل الطرق والبنية التحتية الأخرى وتوفير المال على صيانتها، استخدم الباحثون مادة تغيير الطور منخفضة الحرارة (PCM) من شمع البارافين السائل لهذه الخرسانة ذات التسخين الذاتي. عندما تنخفض الحرارة إلى حوالي 0°C أو 32°F، تُطلق المادة حرارة وتتحول من سائل إلى صلب، مما يؤدي إلى ذوبان الجليد تدريجيًا.

ثم، طور فريق من الباحثين في كندا سطحًا يطرد الثلج من تلقاء نفسه من خلال الجمع بين خصائص العزل الحراري والسطوح الفائقة الكارهة للماء. وجد الفريق أن الأيروجيل السيليكا يقلل من ذوبان الثلج ويمنع تكوّن طبقة جليدية لاصقة، بينما تقلل الفائقة الكارهة للماء من مساحة التلامس وتطرد قطرات الماء المذابة على الواجهة، مما يقلل أكثر من قوة التصاق الثلج.

في دراسة أخرى، ركز باحثون صينيون على الأسطح الفائقة الكارهة للماء ذات الأداء المتميز ضد التجمد ومقاومة الماء في درجات حرارة منخفضة. هذه الأسطح، على عكس الأسطح الفائقة الكارهة للماء التي دُرست على نطاق واسع—وخاصة لتطبيقاتها المحتملة في الفضاء الجوي—لم تُبلغ عنها بشكل واسع.

لإنشاء مثل هذه الأسطح، نقّح الباحثون مصفوفات من الأعمدة الدقيقة المربعة على أفلام من أنابيب الكربون النانوية المتعددة الجدران (MWCNT)/بوليمر (PDMS)، مما أدى إلى ثلاثية مقاومة للثلج تبقى نشطة حتى عند -40 °C.

يعتقد الباحثون أن هذا يفتح آفاقًا جديدة للمواد الذكية المتعددة الوظائف البيونية في تطبيقات مقاومة الثلج.

دراسة منفصلة حول الأسطح المسامية المشبعة بالسوائل الزلقة (SLIPSs)، المستخدمة على نطاق واسع كطريقة سلبية فعالة لتقليل كوارث التجمد، وجدت أن بعض الخصائص أساسية للمتانة. المسام الصغيرة (حوالي 100 نم) التي تمارس ضغطًا شعريًا قويًا على المزلق، والمسامية العالية (66 %) التي توفر نسبة اتصال سائل‑مُزلق‑سائل كبيرة، مفيدة بشكل خاص للـ SLIPS المضادة للتجمد المتينة.

طلاء السقف الذكي لجميع الفصول هو آخر مثال يحافظ على دفء المباني خلال الشتاء وبرودتها خلال الصيف. لا يتطلب هذا الطلاء أي كهرباء أو غاز؛ فهو يستخدم TARC، أو الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة، الذي يُغلق التبريد الإشعاعي في الشتاء تلقائيًا لضمان عدم إهدار الطاقة.

إلى جانب استهداف الأسطح، تشمل التطورات الأخرى في تحسين البنية التحتية مع توفير تكاليف الصيانة وحماية البيئة بلاط الأسقف المتكيف، الذي يتميز بمفتاح إشعاعي للاستجابة لدرجات حرارة مختلفة.

شركات تستحق المتابعة

الآن، سنلقي نظرة على الشركات التي يمكن أن تستفيد من تطوير تقنيات مضادة للصقيع وكذلك تلك التي تساعد في دفع هذا المجال قدمًا.

في قطاع الطيران، تُعد لوكهيد مارتن (LMT ) اسمًا شائعًا، ويمكن للأسطح المقاومة للصقيع أن تعزز أداء ومتانة كل من طائراتها العسكرية والتجارية. أسهم الشركة التي تبلغ قيمتها السوقية 129.26 مليار دولار تُتداول حاليًا عند 545.35 دولار، بارتفاع 20.32٪ هذا العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 27.65، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 19.73، وعائد توزيعات 2.42٪.

بوينغ (BA ) هي شركة أخرى من قطاع الطيران تستثمر بشكل كبير في تقنيات إزالة الجليد لتحسين السلامة والكفاءة. ومع ذلك، فإن أسهم هذه الشركة التي تبلغ قيمتها السوقية 95 مليار دولار تُتداول حاليًا عند 155.33 دولار، بانخفاض 40.69٪ منذ بداية العام بسبب تحطم طائراتها المتعطلة والمبلغين عن المخالفات الذين توفوا.

تلعب شركات مثل 3M (MMM ) دورًا مهمًا أيضًا بسبب مشاركتها في ابتكارات المواد. أسهم هذه الشركة التي تبلغ قيمتها السوقية 69 مليار دولار ارتفعت 16.37٪ منذ بداية العام حيث تُتداول عند 127.22 دولار مع ربحية السهم (TTM) 7.63 ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 16.68 مع عائد توزيعات 2.20٪.

1. رايثيون تكنولوجيز

يمكن لتقنية أكسيد الجرافين التي طورتها جامعة نورثويسترن أن تساعد هذا المزود لتقنيات الطيران والدفاع على تحسين عمليات التشغيل الآمن في البيئات الباردة. رايثيون هي شركة ذات قيمة سوقية 158 مليار دولار تُتداول أسهمها عند 118.75 دولار، بارتفاع 41.13٪، مع ربحية السهم (TTM) 3.52، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 33.78، وعائد توزيعات 2.12٪.

في الربع الثالث من عام 2024، تم الإبلاغ عن مبيعات بقيمة 20.1 مليار دولار، بارتفاع 6٪ عن العام السابق، بينما بلغ تراكم الطلبات 221 مليار دولار. شمل هذا التراكم 131 مليار دولار في قطاع التجهيزات التجارية و90 مليار دولار في قطاع الدفاع. كان التدفق النقدي الحر في نهاية الربع 2 مليار دولار، بينما تم إرجاع 1.1 مليار دولار من رأس المال إلى المساهمين.

2. بروتو لابز

لكي تصل هذه التقنيات الجديدة إلى السوق بسرعة، يجب إنتاجها بسرعة أيضًا. وهذا هو المكان الذي يمكن أن تساعد فيه شركات مثل بروتو لابز. تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد، والنمذجة بالحقن، وتقطيع CNC لتصنيع الأجزاء. هذه الشركة التي تبلغ قيمتها السوقية 955.6 مليون دولار، وتُتداول أسهمها عند 38.75 دولار، انخفضت بنسبة 2.46٪، مع ربحية السهم (TTM) 0.94 ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 40.30.

في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت عن إيرادات قدرها 125.6 مليون دولار، وهو انخفاض بنسبة 3.9٪ عن الربع الثالث من العام الماضي. بلغت صافي الأرباح 7.2 مليون دولار، بينما كان EBITDA 17.5 مليون دولار. خدم 22,511 عميلًا خلال هذه الفترة. ومع ذلك، حققت الشركة أعلى تدفق نقدي تشغيلي ربع سنوي في أربع سنوات، وهو ما قال الرئيس التنفيذي دان شوماخر إنه “دليل على ربحية نموذج بروتو لابز في ظل أي خلفية اقتصادية”.

الخلاصة

الاكتشاف الأخير لباحثي جامعة نورثويسترن لتقليل تكوّن الصقيع على أي سطح يحمل إمكانات كبيرة لجعل حياة الناس أكثر سلاسة من خلال خفض عدد الرحلات الملغاة التي قد تُعطَّل بسبب طبقة صقيع رقيقة، وتقليل استخدام المواد الكيميائية القوية لإزالة الجليد.

كأداة مضادة للصقيع قوية، يمكن للسطح الهجين الماكرو‑نصي‑أكسيد الجرافين أن يساعد في تقليل كمية الطاقة والتكلفة المطلوبة لإذابة الصقيع. بهذه الطريقة، يمكن أن يجد تطبيقًا قويًا في الصناعات التي تتطلب فترات طويلة من الحماية السلبية ضد الصقيع، بما في ذلك الطيران، وتوزيع الطاقة، والنقل.

بشكل عام، يمكن لمثل هذه التطورات في تقنية مكافحة الصقيع أن تساعد في توفير حلول متينة ومستدامة لتحديات الطقس التي تُواجه كل عام، مما يساعد بدوره على بناء بنية تحتية أكثر كفاءة ومرونة، وله تأثير اقتصادي كبير.

انقر هنا لتتعرف على كل شيء حول الخرسانة ذات التسخين الذاتي.