Frost kan synes triviel, men den forårsager kaos i luftfartssektoren. Graphen kan ændre dette.

Hvert år kommer frosten og skaber smuk og rolig natur. Dette tynde lag af is dannes på en fast overflade som jorden, når temperaturen falder til frysepunktet eller derunder.

Når luften indeholder mere vanddamp, end den kan holde ved en given temperatur, dannes der frost.

Selvom den er smuk, er frost også potentielt farlig. Den kan ikke kun være en hovedpine at skrabe af glatte overflader, men den fører også til andre alvorlige problemer som nedsatte køretøjssensorer, reduceret energieffektivitet i køleskabe og frysere, ekstra vægt på elledninger, der kan forårsage strømafbrydelser og skade din dyrebare grøntsags- og blomsterhave.

Det er ikke alt. Frost påvirker også fly negativt ved at reducere hastigheden, mindske kontrolens effektivitet og destabilisere pitch, hvilket kan føre til nedstyrtninger. Den forstyrrer desuden flys start ved at ændre vingernes aerodynamiske egenskaber, hvilket gør flyvninger farlige eller endda umulige.

Mens Tony Stark i Iron Man måske kan bruge isopbygningen på sin dragt til sin fordel og mod sin modstander, er dette simpelthen ikke muligt for os i vores almindelige liv.

Det, vi har brug for, er en effektiv løsning på dette hundredvis af milliarder-dollar problem, og ingeniører fra Northwestern University har fundet en. De har udviklet en strategi, der forhindrer frost i at dannes i første omgang.

Opnåelse af frostfri områder i lange perioder

Så, hvad er løsningen? En af hovedkomponenterne i løsningen, som NU-ingeniører har opdaget, drejer sig om grafen.

Udvundet fra grafit er grafen lavet af rent kulstof, et af de vigtigste og det fjerde mest udbredte naturlige grundstof.

Dette materiale er især kendt for sin letvægt. Med kun en atomtykkelse er grafen den tyndeste kendte forbindelse. Det er også ret robust, omkring 100‑300 gange stærkere end stål. Ud over sin fleksibilitet er grafen den bedste elektriske leder og er berømt for sin ensartede lysabsorption.

Alle disse egenskaber giver grafen lovende anvendelser inden for områder som kompositter, elektronik, sensorer og billeddannelse, energi, telekommunikation og biomedicinske teknologier.

Forskere fra Northwestern University bruger nu dette materiale til at bekæmpe frost. Specifikt anvender de grafenoxid (GO), en forbindelse foreslået for over halvandet århundrede siden og som i de senere år er blevet brugt som et potentielt udgangsmateriale til masseproduktion af grafen.

Dette carbonbaserede nanomateriale, kendt længe før grafen, fremstilles gennem kemisk oxidation af naturlig grafit ved hjælp af stærke oxidationsmidler.

I den nye undersøgelse fandt ingeniørerne, at ændring af en overflades struktur og derefter påføring af et tyndt lag GO fuldstændigt forhindrer dannelsen af frost på overflader i en uge, muligvis endnu længere.

Grafenoxid tiltrækker og derefter fastholder vanddamp – vand i gasform – inden i sin struktur, hvilket effektivt forhindrer vandet i at fryse. Når det kombineres med en makrotekstureret overflade, fører det til en forlænget periode med høj supersaturation.

Denne ugelange frostforebyggelse er tusind gange længere end hvad de eksisterende avancerede anti-frostoverflader opnår. Derudover er det nye overfladedesign, som er skalerbart, også modstandsdygtigt over for ridser, revner og forurening.

Indarbejdelse af denne strukturerede overflade i infrastrukturen kan hjælpe virksomheder og regeringer med at spare milliarder af dollars årligt på energitab og undgå vedligeholdelsesomkostninger, anslår forskerne. Ifølge studielederen Kyoo‑Chul Kenneth Park, som er assisterende professor i maskiningeniørkunst ved McCormick School of Engineering på NU:

“Uønsket frostakkumulering er en stor bekymring på tværs af industrielle, bolig‑ og offentlige sektorer.”

Dette regnskabsår sikrede universitetet en rekord på 1,05 milliarder dollars i forskningsmidler, en stigning på 5 % fra sidste år.

Park påpegede, hvordan elkrisen i Texas i 2021 kostede hele 195 milliarder dollars i skader, som var en direkte følge af is, frost og ekstreme kuldeforhold i over fem dage, hvilket påvirkede 4,5 millioner husstande.

“Derfor er det kritisk at udvikle anti‑frostteknikker, som er robuste i lange perioder under ekstreme miljøforhold.”

– Park, en fakultetsmedarbejder ved International Institute for Nanotechnology og Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Dog har vi brug for ikke kun anti‑frostteknikker, men også dem, der er nemme at fremstille og implementere. Med dette i tankerne udviklede forskerne deres hybride anti‑frostmetode, som er holdbar, skalerbar, let at fremstille via 3D‑printning og kan holde frost væk i uger.

Kombination af bladgeometri med GO’s hygroskopiske egenskaber

Den nye undersøgelse bygger faktisk videre på det tidligere arbejde fra Parks team i 2020, hvor de fandt, at ændring af strukturen reducerer frostdannelse med op til 60 %. Samtidig kan tilsætning af teksturer i millimeter‑skala – optimerede, takkede serier af toppe og dale som observeret i naturen – på en overflade reducere frostdannelse med op til 80 %.

For denne opdagelse tog ingeniørerne inspiration fra geometrien af mynteblade. Som Park forklarede på det tidspunkt, ser de konvekse områder af et blad mere frontdannelse end de konkave (årer) områder, som faktisk får “meget mindre frost”.

Mens dette er blevet bemærket i lang tid, har der ikke været nogen forklaring på hvorfor og hvordan dette sker. Han sagde:

“Vi fandt ud af, at det er geometrien – ikke materialet – der styrer dette.”

Den bølgende geometri af blade betyder, at frost dannes på toppe, hvor kondensationen er forstærket, men sjældent i dalene, hvor kondensationen er undertrykt. Den lille mængde kondenseret vand i dalene på bølgede overflader fordamper, hvilket fører til et frostfrit område.

Interessant nok observeres det samme selv ved brug af et overflademateriale, der tiltrækker vand: vand fordamper fra dalene, når det er under frysepunktet.

Med udgangspunkt i denne information gik teamet videre med at finde den optimale overfladetekstur, som var en overflade med millimeterhøje toppe og dale med kun 40‑60 graders vinkler imellem.

Den tynde linje af frost, der stadig dannes på denne overflades toppe, kan afrimmes med betydeligt mindre energi og fjerner behovet for at bruge overfladebelægninger eller væsker med lavere frysepunkt.

“Det frostfri område initierer afrimningsprocessen. Så det vil reducere de materialer og den energi, der bruges til at løse frostproblemer.”

– Park

I den nye undersøgelse introducerede teamet grafenoxid (GO) i blandingen, som tilsættes til flade dale for fuldstændigt at reducere frostdannelse, selv i dalene.

GO blev valgt på grund af sine exceptionelle hygroskopiske egenskaber, dvs. materialets evne til at tiltrække og holde vandmolekyler gennem absorption. GO’s vanddampsabsorptionsrate er 2‑gange så høj som silica gel. Derudover har GO den iboende evne til at undertrykke frysning af interkalerede vandmolekyler gennem nanokonfineringseffekter.

Den nye overflade har også små bump, med en top‑til‑top afstand på 5 mm. Et tyndt lag GO, kun 600 mikrometer tykt, er belagt på dalene mellem toppe. Ifølge Park:

“Grafenoxid tiltrækker vanddamp og derefter indespærrer vandmolekyler inden i sin struktur. Så fungerer grafenoxidlaget som en beholder, der forhindrer vanddamp i at fryse.”

Tilsætning af grafenoxid til den makroteksturerede overflade hjalp overfladen med at modstå frost ved høj supersaturation i en længere periode, hvilket gjorde den eksperimentelle hybride overflade til “en stabil, langvarig, frostfri zone”.

Du kan se en demonstration af denne teknik på YouTube her, som er lagt op på den officielle NU-kanal:

Den viser, hvordan frost dannes på overfladens bikageformede toppe, mens de flade dale forbliver frostfri. I videoen har overfladen til højre et tyndt lag GO.

For at demonstrere metodens overlegenhed sammenlignede Park‑teamet den med andre avancerede anti‑frostoverflader.

Sammenlignet med 100 % frostdannelsesmodstand i 150 timer, var super vandafvisende og smøremiddelindtrængende overflader kun i stand til at modstå 5‑36 % af frostdannelsen, og det kun i 5 timer. Derudover er der spørgsmålet om andre anti‑frostoverfladers modtagelighed for skader fra ridser eller forurening, “hvilket forringer overfladens ydeevne over tid”.

Parks hybride makrotekstur‑grafenoxid‑overflade er derimod robust over for sådanne skader og forlænger dermed overfladens levetid.

På nuværende tidspunkt findes der ingen “one-size-fits-all”-løsning på markedet på grund af de specifikke behov i forskellige anvendelser. For eksempel har fly kun brug for sekunder af frostmodstand i forhold til kraftledninger, som konstant opererer i kolde miljøer og kan have brug for dage eller uger af frostmodstand.

Den nye teknik kan, ifølge forskerne, bruges til at designe flyvinger såvel som kraftledninger med reduceret isadhæsion for at reducere årlige vedligeholdelsesomkostninger betydeligt. Metoden kan yderligere hjælpe med at forhindre energitab og støtte sikker drift af infrastruktur i kolde miljøer.

Beskytte infrastrukturen mod barske klimaer

Koldt klima kommer med hyggen af varme tæpper, varm chokolade og festlige følelser. Men samtidig medfører det sine egne problemer, især i form af sundhedsproblemer og skader på infrastruktur.

Opbygningen af is og sne kan kompromittere ydeevnen og sikkerheden for skibe, bilruder, kraftledninger, vindmøller og fly. Derfor har forskere søgt at løse disse problemer.

Overflader, der kan begrænse isvækst, har især fået stor interesse, som vi også så i den seneste undersøgelse, som et omkostningseffektivt alternativ.

Som vi delte tidligere i år, udviklede forskere fra Drexel’s College of Engineering også selvopvarmende beton, der fjerner sne såvel som fryse regn på egen hånd, uden at nogen behøver at skrabe, skovle eller salte, hvilket negativt påvirker overflader i tre år.

For at forlænge den operationelle levetid for veje og anden infrastruktur og spare penge på vedligeholdelse, brugte forskerne lavtemperatur faseændringsmateriale (PCM) flydende paraffin til denne selvopvarmende beton. Når temperaturen falder til ca. 0 °C eller 32 °F, frigiver materialet varme og går fra væske til fast, hvilket gradvist smelter isen.

Derefter udviklede et forskerteam i Canada en overflade, der afviser sne på egen hånd ved at kombinere egenskaberne af termisk isolering og superhydrofobicitet. Gruppen fandt, at silika aerogel minimerede sne‑smeltning og forhindrede dannelse af en klæbende islag, mens superhydrofobicitet reducerede kontaktfladen og afviste interfaciale smeltevanddråber, hvilket yderligere sænkede sneadhæsionsstyrken.

I en anden undersøgelse fokuserede kinesiske forskere på superhydrofobe overflader med fremragende anti‑isk og vandafvisende ydeevne ved lave temperaturer. Disse overflader, i modsætning til de bredt studerede superhydrofobe overflader – især for deres potentielle anvendelser i luftfart – er ikke så velrapporterede.

For at skabe sådanne overflader ætset forskerne kvadratiske mikropællearrrayer på multiwall carbon nanotube (MWCNT)/poly(dimethylsiloxane) (PDMS) film, hvilket resulterede i tredobbelt is‑fobiskhed, der forbliver aktiveret selv ved −40 °C.

Forskere mener, at dette åbner nye muligheder for bioniske smarte multifunktionelle materialer i is‑fobiske anvendelser.

En separat undersøgelse af glatte væskeindtrængte porøse overflader (SLIPS), der bredt anvendes som en effektiv passiv metode til at reducere iskatastrofer, fandt, at visse egenskaber er afgørende for holdbarhed. Små porer (ca. 100 nm), som udøver stærkt kapillærtryk på smøremidlet, og høj porøsitet (66 %), som giver et stort smøremiddel‑væske kontaktforhold, er især gavnlige for holdbare anti‑is SLIPS.

All‑season smart‑tagbelægning er en anden, der holder bygninger varme om vinteren og kølige om sommeren. Denne belægning kræver ingen elektricitet eller gas; den bruger TARC, eller temperatur‑adaptiv strålingsbelægning, som automatisk slukker for den strålende køling om vinteren for at sikre, at der ikke spildes energi.

Udover at målrette overflader omfatter andre fremskridt inden for infrastrukturforbedring, som sparer vedligeholdelsesomkostninger og beskytter miljøet, adaptive tagfliser, som har en strålingsskifter til at reagere på forskellige temperaturer.

Virksomheder at holde øje med

Nu vil vi se på virksomheder, der kan drage fordel af udviklingen af anti‑frostteknologier samt dem, der hjælper med at fremme dette felt.

I luftfartssektoren er Lockheed Martin (LMT ) et populært navn, og frostresistente overflader kan hjælpe med at forbedre ydeevnen og holdbarheden af både deres militære og kommercielle fly. Virksomheden med en markedsværdi på 129,26 mia. dollars har i øjeblikket aktier, der handles til 545,35 $, op 20,32 % i år. Den har en EPS (TTM) på 27,65, en P/E (TTM) på 19,73 og en udbytteafkast på 2,42 %.

Boeing (BA ) er en anden inden for luftfartssektoren, som også investerer kraftigt i afisnings‑teknologier for at forbedre sikkerhed og effektivitet. Dog handles denne virksomhed med en markedsværdi på 95 mia. dollars i øjeblikket til 155,33 $, ned 40,69 % år‑til‑dato på grund af at deres fly falder fra hinanden og whistleblowere dør.

Virksomheder som 3M (MMM ) spiller også en vigtig rolle på grund af deres engagement i materialinnovationer. Denne virksomhed med en markedsværdi på 69 mia. dollars har i øjeblikket aktier, der er op 16,37 % år‑til‑dato, de handles til 127,22 $ med en EPS (TTM) på 7,63 og en P/E (TTM) på 16,68, mens de betaler et udbytte på 2,20 %.

1. Raytheon Technologies

Den grafenoxid‑baserede teknik fra NU kan hjælpe denne luftfarts‑ og forsvarsteknologileverandør med at forbedre sikre operationer i kolde miljøer. Raytheon er en virksomhed med en markedsværdi på 158 mia. dollars, hvis aktier handles til 118,75 $, op 41,13 %, med en EPS (TTM) på 3,52, en P/E (TTM) på 33,78 og et udbytte på 2,12 %.

For Q3 2024 blev salget rapporteret til 20,1 mia. dollars, op 6 % fra året før, mens ordrerne udgjorde 221 mia. dollars. Denne ordrer inkluderede 131 mia. dollars i kommercielle og 90 mia. dollars i forsvarssegmenter. Fri cash flow ved kvartalets slutning var 2 mia. dollars, mens 1,1 mia. dollars af kapital blev returneret til aktionærerne.

2. Proto Labs

For at disse nye teknologier hurtigt kan komme på markedet, skal de produceres lige så hurtigt. Og det er her, virksomheder som Proto Labs (PRLB ) kan hjælpe. Den bruger 3D‑printning, injektionsmodellering og CNC‑bearbejdning til at fremstille dele. Denne virksomhed med en markedsværdi på 955,6 mio. dollars, hvis aktier handles til 38,75 $, er ned 2,46 % og har en EPS (TTM) på 0,94 og en P/E (TTM) på 40,30.

For Q3 2024 rapporterede den 125,6 mio. dollars i omsætning, hvilket var et fald på 3,9 % fra Q3 sidste år. Nettoresultatet var 7,2 mio. dollars, mens EBITDA var 17,5 mio. dollars. Den betjente 22.511 kundekontakter i denne periode. Virksomheden genererede dog sit højeste kvartalsvise driftscash‑flow i fire år, hvilket administrerende direktør Dan Schumacher sagde er “et bevis på rentabiliteten af Protolabs’ model på trods af enhver makro‑baggrund”.

Konklusion

Den seneste opdagelse fra forskere ved Northwestern University, som signifikant reducerer frostdannelse på enhver overflade, har stort potentiale for at gøre folks liv lettere ved at mindske antallet af aflyste flyvninger, som kan blive grounded af den mindste frostlag, samt reducere brugen af stærke afisningskemikalier.

Som et robust anti‑frostværktøj kan den hybride makrotekstur‑GO‑overflade yderligere hjælpe med at reducere den energi og de omkostninger, der kræves til afrimning. På denne måde kan den finde stærk anvendelse i industrier, der kræver lange passive anti‑frosttider, herunder luftfart, eldistribution og transport.

Samlet set kan sådanne fremskridt inden for anti‑frostteknologi hjælpe med at levere holdbare og bæredygtige løsninger på vejrrelaterede udfordringer, der opleves hvert år, hvilket igen hjælper med at bygge mere effektiv og robust infrastruktur og har en betydelig økonomisk indvirkning.

Klik her for at lære alt om selvopvarmende beton.