Frost mag alltäglich erscheinen, doch er richtet im Luftfahrtsektor Chaos an. Graphen könnte das ändern.

Jedes Jahr kommt der Frost und erzeugt wunderschöne und friedliche Szenerien. Diese dünne Eisschicht bildet sich auf einer festen Oberfläche wie dem Boden, wenn die Temperatur auf Gefrierwerte oder darunter sinkt.

Wenn die Luft bei einer bestimmten Temperatur mehr Wasserdampf enthält, als sie aufnehmen kann, bildet sich Frost.

Obwohl er schön ist, kann Frost auch potenziell gefährlich sein. Er ist nicht nur ein Ärgernis, wenn man rutschige Oberflächen abschaben muss, sondern führt auch zu ernsthaften Problemen wie beeinträchtigten Fahrzeugsensoren, verringerter Energieeffizienz von Kühlschränken und Gefriergeräten, zusätzlichem Gewicht auf Stromleitungen, das zu Stromausfällen führen kann, sowie Schäden an Ihrem wertvollen Gemüse- und Blumengarten.

Das ist noch nicht alles. Frost beeinträchtigt Flugzeuge, indem er die Stallgeschwindigkeit erhöht, die Steuerungseffizienz verringert und die Nicklage destabilisiert, was zu Abstürzen führen kann. Zudem stört er den Start von Flugzeugen, indem er die aerodynamischen Eigenschaften der Tragflächen verändert, wodurch Flüge gefährlich oder sogar unmöglich werden.

Während Tony Stark in Iron Man das Eis, das sich an seinem Anzug bildet, zu seinem Vorteil nutzen kann, ist das für uns im normalen Leben schlichtweg nicht möglich.

Was wir benötigen, ist eine effektive Lösung für dieses Problem im Wert von mehreren hundert Milliarden Dollar, und Ingenieure der Northwestern University haben eine gefunden. Sie haben eine Strategie entwickelt, die verhindert, dass Frost überhaupt entsteht.

Erreichen frostsfreier Regionen über lange Zeiträume

Also, was ist die Lösung? Nun, einer der Hauptbestandteile der Lösung, den die NU‑Ingenieure entdeckt haben, dreht sich um Graphen.

Aus Graphit gewonnen, besteht Graphen aus reinem Kohlenstoff, einem der wichtigsten und viertgrößten natürlich vorkommenden Elemente.

Dieses Material ist besonders für sein geringes Gewicht bekannt. Mit nur einer Atomschicht ist Graphen die dünnste bekannte Verbindung. Es ist zudem sehr robust, etwa 100‑300 mal stärker als Stahl. Neben seiner Flexibilität ist Graphen der beste elektrische Leiter und bekannt für seine gleichmäßige Lichtabsorption.

All diese Eigenschaften verleihen Graphen vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Verbundwerkstoffen, Elektronik, Sensoren und Bildgebung, Energie, Telekommunikation und biomedizinischen Technologien.

Forscher der Northwestern University setzen dieses Material nun ein, um Frost zu bekämpfen. Konkret verwenden sie Graphenoxid (GO), eine vor über anderthalb Jahrhunderten vorgeschlagene Verbindung, die in den letzten Jahren als potenzieller Ausgangsstoff für die Massenproduktion von Graphen genutzt wurde.

Dieses kohlenstoffbasierte Nanomaterial, das bereits lange vor Graphen bekannt war, wird durch chemische Oxidation von natürlichem Graphit mittels starker Oxidationsmittel hergestellt.

In der neuen Studie fanden die Ingenieure heraus, dass das Ändern der Oberflächenstruktur und das anschließende Auftragen einer dünnen GO‑Schicht die Frostbildung auf Oberflächen für mindestens eine Woche, möglicherweise sogar länger, vollständig verhindert.

Graphenoxid zieht Wasserdampf – Wasser in gasförmiger Form – an und fängt ihn dann in seiner Struktur ein, wodurch das Einfrieren des Wassers effektiv verhindert wird. In Kombination mit einer makrostrukturierten Oberfläche führt dies zu einer verlängerten Phase hoher Übersättigung.

Diese einwöchige Frostverhinderung ist tausendmal länger als das, was mit bestehenden, fortschrittlichen anti‑Frost‑Oberflächen erreicht wird. Darüber hinaus ist das neue, skalierbare Oberflächendesign auch kratz-, riss- und kontaminationsbeständig.

Die Integration dieser strukturierten Oberfläche in die Infrastruktur kann Unternehmen und Regierungen laut Schätzungen der Forscher jährlich Milliarden von Dollar an Energieineffizienzen einsparen und Wartungskosten vermeiden. Laut Studienleiter Kyoo‑Chul Kenneth Park, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der McCormick School of Engineering der NU:

“Unerwünschte Frostansammlungen sind in Industrie-, Wohn- und Regierungssektoren ein großes Problem.”

In diesem Geschäftsjahr hat die Universität rekordverdächtige 1,05 Mrd. $ an Forschungsgeldern erhalten, ein Anstieg von 5 % gegenüber dem Vorjahr.

Park wies darauf hin, dass die Stromkrise von 2021 in Texas Schäden in Höhe von satten 195 Mrd. $ verursachte, die direkte Folge von Eis, Frost und extremen Kältebedingungen über mehr als fünf Tage waren und 4,5 Millionen Haushalte betrafen.

“Daher ist es entscheidend, anti‑Frost‑Techniken zu entwickeln, die unter extremen Umweltbedingungen über lange Zeiträume hinweg robust sind.”

– Park, ein Fakultätsmitglied des International Institute for Nanotechnology und des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Allerdings benötigen wir nicht nur anti‑Frost‑Techniken, sondern auch solche, die leicht herzustellen und umzusetzen sind. Vor diesem Hintergrund entwickelten die Forscher ihre hybride anti‑Frost‑Methode, die langlebig, skalierbar, mittels 3D‑Druck einfach herzustellen ist und Frost wochenlang verhindern kann.

Kombination der Blattgeometrie mit den hygroskopischen Eigenschaften von GO

Die neue Studie baut tatsächlich auf der vorherigen Arbeit von Parks Team aus dem Jahr 2020 auf, bei der sie feststellten, dass das Ändern der Textur die Frostbildung um bis zu 60 % reduziert. Gleichzeitig kann das Hinzufügen von Texturen im Millimeter‑Maßstab – optimierte, gezackte Reihen von Gipfeln und Tälern, wie in der Natur zu beobachten – die Frostbildung um bis zu 80 % verringern.

Für diese Entdeckung zogen die Ingenieure Inspiration aus der Geometrie von Minzblättern. Wie Park damals erklärte, zeigen die konvexen Bereiche eines Blattes mehr Frostbildung als die konkaven (Adern) Bereiche, die tatsächlich „viel weniger Frost“ erhalten.

Obwohl dies schon lange beobachtet wird, gab es keine Erklärung dafür, warum und wie das geschieht. Er sagte:

“Wir haben festgestellt, dass die Geometrie – nicht das Material – das bestimmt.”

Die wellenförmige Geometrie von Blättern bedeutet, dass Frost auf den Gipfeln entsteht, wo die Kondensation verstärkt wird, jedoch selten in den Tälern, wo die Kondensation unterdrückt wird. Jede kleine Menge kondensierten Wassers in den Tälern welliger Oberflächen verdampft, was zu einer frostsfreien Zone führt.

Interessanterweise wird das gleiche Ergebnis selbst bei einem Oberflächenmaterial beobachtet, das Wasser anzieht: Wasser verdampft aus den Tälern, wenn es unter dem Gefrierpunkt liegt.

Mit diesen Informationen fand das Team die optimale Oberflächentextur, nämlich eine Oberfläche mit millimeterhohen Gipfeln und Tälern, die nur 40‑60‑Grad‑Winkel zueinander aufweisen.

Die dünne Frostschicht, die weiterhin auf den Gipfeln dieser Oberfläche entsteht, kann mit deutlich weniger Energie enteist werden und eliminiert die Notwendigkeit von Oberflächenbeschichtungen oder Flüssigkeiten mit niedrigeren Gefrierpunkten.

“Die frostsfreie Region initiiert den Enteisungsprozess. So würde sie den Material- und Energieaufwand zur Lösung von Frostproblemen reduzieren.”

– Park

In der neuen Studie führte das Team Graphenoxid (GO) in die Mischung ein, das in flachen Tälern hinzugefügt wird, um die Frostbildung vollständig zu reduzieren, sogar in den Tälern.

GO wurde wegen seiner außergewöhnlichen hygroskopischen Eigenschaften ausgewählt, also der Fähigkeit des Materials, Wasser­moleküle durch Absorption anzuziehen und zu binden. Die Wasser­dampf‑Absorptionsrate von GO ist doppelt so hoch wie die von Silicagel. Zudem besitzt GO die inhärente Fähigkeit, das Einfrieren eingekapselter Wassermoleküle durch Nanokonfinierungseffekte zu unterdrücken.

Die neue Oberfläche weist zudem winzige Erhebungen mit einem Gipfel‑zu‑Gipfel‑Abstand von 5 mm auf. Eine dünne GO‑Schicht, die nur 600 µm dick ist, wird auf die Täler zwischen den Gipfeln aufgetragen. Laut Park:

“Graphenoxid zieht Wasserdampf an und bindet anschließend Wassermoleküle in seiner Struktur. So wirkt die Graphenoxidschicht wie ein Behälter, der verhindert, dass Wasserdampf gefriert.”

Das Hinzufügen von Graphenoxid zur makrostrukturierten Oberfläche half der Oberfläche, bei hoher Übersättigung über einen langen Zeitraum Frost zu widerstehen, wodurch die experimentelle hybride Oberfläche zu einer „stabilen, langlebigen, frostsfreien Zone“ wurde.

Sie können hier eine Demonstration dieser Technik auf YouTube ansehen, die auf dem offiziellen NU‑Kanal veröffentlicht wurde:

Sie zeigt, wie Frost auf den wabenförmigen Gipfeln der Oberfläche entsteht, während die flachen Täler frostsfrei bleiben. Im Video hat die rechte Oberfläche eine dünne GO‑Beschichtung.

Um die Überlegenheit ihrer Methode zu demonstrieren, verglich das Park‑Team sie mit anderen fortschrittlichen anti‑Frost‑Oberflächen.

Im Vergleich zu 100 % Frostbeständigkeit über 150 Stunden konnten super wasserabweisende und mit Schmierstoffen durchtränkte Oberflächen nur 5‑36 % der Frostbildung widerstehen, und das nur für 5 Stunden. Hinzu kommt die Anfälligkeit anderer anti‑Frost‑Oberflächen für Kratzer oder Kontamination, „was die Oberflächenleistung im Laufe der Zeit verschlechtert“.

Park’s hybride Makrotextur‑Graphenoxid‑Oberfläche hingegen ist gegenüber solchen Schäden robust und verlängert dadurch die Lebensdauer der Oberfläche.

Derzeit gibt es keinen „One‑Size‑Fits‑All“-Ansatz auf dem Markt, da die spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen variieren. Beispielsweise benötigen Flugzeuge nur Sekunden Frostbeständigkeit, während Stromleitungen, die ständig in kalten Umgebungen betrieben werden, Tage oder Wochen Frostbeständigkeit benötigen können.

Die neue Technik kann laut den Forschern sowohl für die Gestaltung von Flugzeugtragflächen als auch für Stromleitungen mit reduzierter Eishaftung eingesetzt werden, um die jährlichen Wartungskosten erheblich zu senken. Die Methode kann zudem helfen, Energieineffizienzen zu verhindern und den sicheren Betrieb von Infrastrukturen in kalten Umgebungen zu unterstützen.

Schutz der Infrastruktur vor rauen Klimabedingungen

Kalte Klimazonen bringen die Gemütlichkeit von warmen Decken, heißer Schokolade und festlichen Gefühlen mit sich. Gleichzeitig bringen sie jedoch ihre eigenen Probleme mit, insbesondere in Form von Gesundheitsproblemen und Infrastrukturschäden.

Die Anhäufung von Eis und Schnee kann die Leistung und Sicherheit von Schiffen, Autoscheiben, Stromleitungen, Windturbinen und Flugzeugen beeinträchtigen. Deshalb versuchen Forscher, diese Probleme zu lösen.

Oberflächen, die das Eiswachstum mindern können, haben insbesondere viel Interesse geweckt, wie wir auch in der neuesten Studie sahen, da sie eine kostengünstige Alternative darstellen.

Wie wir Anfang dieses Jahres mitgeteilt haben, entwickelten Forscher des College of Engineering der Drexel University selbstheizenden Beton, der Schnee sowie gefrierenden Regen eigenständig beseitigt, ohne dass jemand schaben, schaufeln oder salzen muss, was Oberflächen drei Jahre lang negativ beeinflusst.

Um die Betriebsdauer von Straßen und anderer Infrastruktur zu verlängern und Wartungskosten zu sparen, nutzten die Forscher ein Niedertemperatur‑Phasenwechselmaterial (PCM) – flüssiges Paraffin – für diesen selbstheizenden Beton. Sinkt die Temperatur auf ∼0 °C oder 32 °F, gibt das Material Wärme ab und verfestigt sich, wodurch das Eis allmählich schmilzt.

Dann entwickelte ein Forscherteam in Kanada eine Oberfläche, die Schnee von selbst abweist, indem sie die Eigenschaften von Wärmedämmung und Superhydrophobie kombiniert. Die Gruppe stellte fest, dass Silica‑Aerogel das Schmelzen von Schnee minimiert und die Bildung einer haftenden Eisschicht verhindert, während Superhydrophobie die Kontaktfläche reduziert und interfaciale Schmelzwassertropfen abweist, wodurch die Haftfestigkeit von Schnee weiter gesenkt wird.

In einer anderen Studie konzentrierten chinesische Forscher sich auf superhydrophobe Oberflächen mit hervorragenden Anti‑Eis‑ und Wasserabweisungsleistungen bei niedrigen Temperaturen. Diese Oberflächen, im Gegensatz zu weit untersuchten superhydrophoben Oberflächen – insbesondere für ihre potenziellen Anwendungen in der Luftfahrt – sind weniger gut dokumentiert.

Um solche Oberflächen zu erzeugen, ätzten die Forscher quadratische Mikropillar‑Arrays auf Multi‑Wall‑Carbon‑Nanotube (MWCNT)/Poly(dimethylsiloxan) (PDMS)‑Filme, was zu einer dreifachen Eisphobie führte, die selbst bei −40 °C aktiv bleibt.

Forscher glauben, dass dies neue Möglichkeiten für bionische, intelligente, multifunktionale Materialien in eisphoben Anwendungen eröffnet.

Eine separate Studie über schluckende, flüssigkeitsinfundierte poröse Oberflächen (SLIPS), die häufig als effektiver passiver Ansatz zur Reduzierung von Eisereignissen eingesetzt werden, ergab, dass bestimmte Merkmale für die Haltbarkeit entscheidend sind. Kleine Poren (etwa 100 nm), die einen starken Kapillardruck auf das Schmiermittel ausüben, und eine hohe Porosität (66 %), die ein großes Schmiermittel‑Flüssigkeits‑Kontaktverhältnis bietet, sind besonders vorteilhaft für langlebige anti‑Eis‑SLIPS.

Eine ganzjährige Smart‑Roof‑Beschichtung ist eine weitere Lösung, die Gebäude im Winter warm und im Sommer kühl hält. Diese Beschichtung benötigt weder Strom noch Gas; sie verwendet TARC, also temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung, die im Winter die strahlende Kühlung automatisch abschaltet, um Energieverschwendung zu vermeiden.

Abgesehen von Oberflächen umfassen weitere Fortschritte bei der Infrastrukturverbesserung, die Wartungskosten sparen und die Umwelt schützen, adaptive Dachziegel, die einen Strahlungsschalter besitzen, um auf unterschiedliche Temperaturen zu reagieren.

Unternehmen, die man im Blick haben sollte

Nun werfen wir einen Blick auf Unternehmen, die von der Entwicklung anti‑Frost‑Technologien profitieren können, sowie solche, die dieses Feld vorantreiben.

Im Luftfahrtsektor ist Lockheed Martin (LMT ) ein bekannter Name, und frostbeständige Oberflächen können die Leistung und Haltbarkeit sowohl seiner militärischen als auch kommerziellen Flugzeuge verbessern. Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 129,26 Mrd. $ wird derzeit zu 545,35 $ gehandelt, ein Anstieg von 20,32 % in diesem Jahr. Es hat ein EPS (TTM) von 27,65, ein P/E (TTM) von 19,73 und eine Dividendenrendite von 2,42 %.

Boeing (BA ) ist ein weiteres Unternehmen aus dem Luftfahrtsektor, das stark in Enteisungstechnologien investiert, um Sicherheit und Effizienz zu verbessern. Allerdings werden die Aktien dieses Unternehmens mit einer Marktkapitalisierung von 95 Mrd. $ derzeit zu 155,33 $ gehandelt, ein Rückgang von 40,69 % im Jahresverlauf, bedingt durch seine Flugzeuge, die auseinanderfallen und Whistleblower sterben.

Unternehmen wie 3M (MMM ) spielen ebenfalls eine wichtige Rolle aufgrund ihrer Beteiligung an Materialinnovationen. Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 69 Mrd. $ hat einen Jahreszuwachs von 16,37 % und wird zu 127,22 $ gehandelt, mit einem EPS (TTM) von 7,63 und einem P/E (TTM) von 16,68, bei einer Dividendenrendite von 2,20 %.

1. Raytheon Technologies

Die auf Graphenoxid basierende Technik von NU kann diesem Anbieter von Luftfahrt‑ und Verteidigungstechnologie helfen, sichere Operationen in kalten Umgebungen zu verbessern. Raytheon ist ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 158 Mrd. $, dessen Aktien zu 118,75 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 41,13 %, bei einem EPS (TTM) von 3,52, einem P/E (TTM) von 33,78 und einer Dividendenrendite von 2,12 %.

Für das 3. Quartal 2024 wurden die Umsätze gemeldet mit 20,1 Mrd. $, ein Anstieg von 6 % gegenüber dem Vorjahr, während der Auftragsbestand 221 Mrd. $ betrug. Dieser Auftragsbestand umfasste 131 Mrd. $ im kommerziellen und 90 Mrd. $ im Verteidigungssegment. Der freie Cashflow am Quartalsende betrug 2 Mrd. $, während 1,1 Mrd. $ Kapital an die Aktionäre zurückgeführt wurden.

2. Proto Labs

Damit diese neuen Technologien schnell auf den Markt kommen, müssen sie ebenso rasch produziert werden. Und hier können Unternehmen wie Proto Labs (PRLB ) helfen. Es nutzt 3D‑Druck, Spritzguss und CNC‑Bearbeitung zur Herstellung von Teilen. Dieses Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 955,6 Mio. $ wird zu 38,75 $ gehandelt, ein Rückgang von 2,46 %, bei einem EPS (TTM) von 0,94 und einem P/E (TTM) von 40,30.

Für das 3. Quartal 2024 meldete es einen Umsatz von 125,6 Mio. $, was einem Rückgang von 3,9 % gegenüber dem 3. Quartal des Vorjahres entspricht. Der Nettogewinn lag bei 7,2 Mio. $, während das EBITDA 17,5 Mio. $ betrug. In diesem Zeitraum bediente das Unternehmen 22.511 Kundenkontakte. Das Unternehmen erzielte jedoch den höchsten quartalsweisen operativen Cashflow seit vier Jahren, was CEO Dan Schumacher sagte, „ein Beweis für die Rentabilität des Protolabs‑Modells trotz jedes makroökonomischen Umfelds“.

Fazit

Die jüngste Entdeckung der Forscher der Northwestern University, die Frostbildung auf jeder Oberfläche deutlich zu reduzieren, birgt ein erhebliches Potenzial, das Leben der Menschen zu erleichtern, indem sie die Anzahl von Flugausfällen senkt, die bereits durch die kleinste Frostschicht verursacht werden, und den Einsatz starker Enteisungsmittel reduziert.

Als robustes anti‑Frost‑Werkzeug kann die hybride Makrotextur‑GO‑Oberfläche zudem dazu beitragen, den Energie- und Kostenaufwand für das Enteisen zu verringern. Auf diese Weise kann sie in Branchen mit langen passiven anti‑Frost‑Zeiträumen, einschließlich Luftfahrt, Stromverteilung und Verkehr, stark eingesetzt werden.

Insgesamt können solche Fortschritte in der Anti‑Frost‑Technologie dauerhafte und nachhaltige Lösungen für wetterbedingte Herausforderungen bieten, die jedes Jahr auftreten, und damit effizientere und robustere Infrastrukturen schaffen sowie erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben.

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