La escarcha puede parecer mundana, pero causa estragos en el sector aeroespacial. El grafeno podría cambiar esto.

Cada año, la escarcha llega y crea paisajes hermosos y serenos. Esta fina capa de hielo se forma sobre una superficie sólida como el suelo cuando la temperatura desciende a niveles de congelación o por debajo de ellos.

Cuando el aire contiene más vapor de agua del que puede retener a una temperatura específica, se forma escarcha.

Aunque es hermosa, la escarcha también es potencialmente peligrosa. No solo puede ser un dolor de cabeza raspar superficies resbaladizas, sino que también genera otros problemas graves como sensores de vehículos deteriorados, la reducción de la eficiencia energética de refrigeradores y congeladores, peso adicional en líneas eléctricas que puede causar apagones y dañar su valioso huerto y jardín de flores.

Esto no es todo. La escarcha también afecta negativamente a las aeronaves al reducir la velocidad de pérdida, disminuir la eficiencia de control y desestabilizar el cabeceo, lo que puede provocar accidentes. Además, interfiere con los despegues al alterar las características aerodinámicas de las alas, haciendo los vuelos peligrosos o incluso imposibles.

Aunque Tony Stark en Iron Man puede usar la acumulación de hielo en su traje a su favor y contra su oponente, simplemente no es posible lograrlo en nuestra vida cotidiana.

Lograr regiones sin escarcha durante períodos prolongados

Entonces, ¿cuál es la solución? Bueno, uno de los componentes principales de la solución que los ingenieros de NU han descubierto gira en torno al grafeno.

Extraído del grafito, el grafeno está compuesto de carbono puro, uno de los elementos naturales más importantes y el cuarto más abundante.

Este material es particularmente conocido por ser liviano. Con solo un átomo de espesor, el grafeno es el compuesto más delgado conocido. También es bastante resistente, aproximadamente 100-300 veces más fuerte que el acero. Además de su flexibilidad, el grafeno es el mejor conductor de electricidad y es famoso por su absorción uniforme de la luz.

Todas estas características otorgan al grafeno prometedoras aplicaciones en áreas como composites, electrónica, sensores e imágenes, energía, telecomunicaciones y tecnologías biomédicas.

Los investigadores de la Universidad Northwestern ahora están utilizando este material para combatir la escarcha. Específicamente, están usando óxido de grafeno (GO), un compuesto propuesto hace más de un siglo y medio y que se ha utilizado en años recientes como material de partida potencial para la producción masiva de grafeno.

Este nanomaterial basado en carbono, conocido mucho antes que el grafeno, se produce mediante la oxidación química del grafito natural con oxidantes fuertes.

En el nuevo estudio, los ingenieros descubrieron que cambiar la textura de una superficie y luego añadir una fina capa de GO previene completamente la formación de escarcha en las superficies durante una semana, potencialmente incluso más tiempo.

Lo que hace el óxido de grafeno es atraer y luego atrapar vapor de agua —agua en forma gaseosa— dentro de su estructura, evitando eficazmente que el agua se congele. Cuando se combina con una superficie macrotexturizada, genera un período prolongado de alta sobresaturación.

Esta prevención de escarcha de una semana es mil veces más larga que la que logran las superficies anti-escarcha avanzadas existentes. Además, el nuevo diseño de superficie, que es escalable, también es resistente a rayaduras, grietas y contaminaciones.

Incorporar esta superficie texturizada en la infraestructura puede ayudar a empresas y gobiernos a ahorrar miles de millones de dólares anualmente en ineficiencias energéticas y evitar costos de mantenimiento, estiman los investigadores. Según el líder del estudio Kyoo-Chul Kenneth Park, profesor asistente de ingeniería mecánica en la McCormick School of Engineering de NU:

“La acumulación no deseada de escarcha es una preocupación importante en los sectores industrial, residencial y gubernamental.”

Este año fiscal, la universidad aseguró un récord de $1.05 mil millones en fondos de investigación, un aumento del 5 % respecto al año anterior.

Park señaló que la crisis eléctrica de 2021 en Texas costó la asombrosa cifra de $195 mil millones en daños, resultado directo del hielo, la escarcha y condiciones de frío extremo durante más de 5 días, afectando a 4,5 millones de hogares.

“Por lo tanto, es fundamental desarrollar técnicas anti-escarcha que sean robustas durante períodos prolongados en condiciones ambientales extremas.”

– Park, afiliado docente del International Institute for Nanotechnology y del Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Sin embargo, no solo necesitamos técnicas anti-escarcha, sino también aquellas que sean fáciles de fabricar e implementar. Con eso en mente, los investigadores crearon su método híbrido anti-escarcha, que es duradero, escalable, fácil de fabricar mediante impresión 3D y puede evitar la escarcha durante semanas.

Combinando la geometría de las hojas con las propiedades higroscópicas del GO

El nuevo estudio en realidad se basa en el trabajo previo del equipo de Park en 2020, durante el cual descubrieron que cambiar la textura reduce la formación de escarcha hasta en un 60 %. Mientras tanto, añadir texturas a escala milimétrica —series optimizadas y dentadas de picos y valles observados en la naturaleza— a una superficie puede reducir la formación de escarcha hasta en un 80 %.

Para este descubrimiento, los ingenieros se inspiraron en la geometría de las hojas de menta. Como explicó Park en ese momento, las regiones convexas de una hoja presentan más formación de escarcha que las regiones cóncavas (venas), que en realidad reciben “mucho menos escarcha”.

Aunque esto se ha observado durante mucho tiempo, no había una explicación de por qué y cómo ocurre. Él dijo:

“Descubrimos que es la geometría —no el material— lo que controla esto.”

La geometría ondulada de las hojas hace que la escarcha se forme en los picos donde la condensación se intensifica, pero rara vez en los valles, donde la condensación se suprime. Cualquier pequeña cantidad de agua condensada en los valles de superficies onduladas se evapora, creando una zona libre de escarcha.

Curiosamente, incluso al usar un material de superficie que atrae agua, se observa el mismo resultado: el agua se evapora de los valles cuando está por debajo del punto de congelación.

Con esta información, el equipo buscó la textura de superficie óptima, que consistía en una superficie con picos y valles de altura milimétrica y ángulos de entre 40 y 60 grados.

La delgada línea de escarcha que aún se forma en los picos de esta superficie puede descongelarse con considerablemente menos energía y elimina la necesidad de usar recubrimientos de superficie o líquidos con puntos de congelación más bajos.

“La zona sin escarcha inicia el proceso de descongelación. Por lo tanto, reduciría los materiales y la energía utilizados para resolver los problemas de escarcha.”

– Park

En el nuevo estudio, el equipo introdujo óxido de grafeno (GO) en la mezcla, que se añade a los valles planos para reducir la formación de escarcha completamente, incluso en los valles.

El GO se eligió por sus excepcionales propiedades higroscópicas, es decir, la capacidad del material para atraer y retener moléculas de agua mediante absorción. La tasa de absorción de vapor de agua del GO es 2 veces la del gel de sílice. Además, el GO posee la capacidad intrínseca de suprimir la congelación de moléculas de agua intercaladas mediante efectos de nanoconfinamiento.

La nueva superficie también tiene pequeños protuberancias, con una distancia pico a pico de 5 mm. Una fina capa de GO, de solo 600 micrones de espesor, se aplica en los valles entre los picos. Según Park:

“El óxido de grafeno atrae vapor de agua y luego confina las moléculas de agua dentro de su estructura. Por lo tanto, la capa de óxido de grafeno actúa como un contenedor para evitar que el vapor de agua se congele.”

Añadir óxido de grafeno a la superficie macrotexturizada ayudó a que la superficie resistiera la escarcha bajo alta sobresaturación durante un largo período, convirtiendo así la superficie híbrida experimental en “una zona estable, duradera y libre de escarcha”.

Puede ver una demostración de esta técnica en YouTube aquí, publicada en el canal oficial de NU:

Muestra cómo la escarcha se forma en los picos con forma de panal de la superficie mientras que los valles planos permanecen libres de escarcha. En el video, la superficie a la derecha tiene una fina capa de GO.

Para demostrar la superioridad de su método, el equipo de Park lo comparó con otras superficies anti-escarcha avanzadas.

En comparación con una resistencia del 100 % a la formación de escarcha durante 150 horas, las superficies superhidrofóbicas y las impregnadas con lubricante solo pudieron resistir entre el 5 % y el 36 % de la formación de escarcha, y eso solo durante 5 horas. Además, está la cuestión de la susceptibilidad de otras superficies anti-escarcha a daños por rayaduras o contaminación, “lo que degrada el rendimiento de la superficie con el tiempo”.

La superficie híbrida macrotexturizada con óxido de grafeno de Park, por otro lado, es robusta frente a dichos daños y, como tal, prolonga la vida útil de la superficie.

Actualmente, no existe un enfoque “único para todos” disponible en el mercado debido a las necesidades específicas de diferentes aplicaciones. Por ejemplo, los aviones solo requieren segundos de resistencia a la escarcha en comparación con las líneas eléctricas, que operan constantemente en entornos fríos y pueden necesitar días o semanas de resistencia a la escarcha.

Según los investigadores, la nueva técnica puede usarse para diseñar alas de aviones así como líneas eléctricas con adhesión de hielo reducida, con el fin de reducir significativamente los costos de mantenimiento anuales. El método también puede ayudar a prevenir ineficiencias energéticas y favorecer la operación segura de la infraestructura en entornos fríos.

Protegiendo la infraestructura de climas duros

Los climas fríos vienen acompañados de la comodidad de mantas cálidas, chocolate caliente y sentimientos festivos. Pero al mismo tiempo, traen su propio conjunto de problemas, particularmente en forma de problemas de salud y daños a la infraestructura.

La acumulación de hielo y nieve puede comprometer el rendimiento y la seguridad de barcos, parabrisas de automóviles, líneas eléctricas, turbinas eólicas y aviones. Por eso los investigadores han buscado abordar estos problemas.

Las superficies que pueden mitigar el crecimiento de hielo, en particular, han despertado mucho interés, como vimos también en el último estudio, como una alternativa rentable.

Como compartimos a principios de este año, investigadores del College of Engineering de Drexel también desarrollaron concreto autorrecalentado que elimina la nieve y la lluvia helada por sí mismo, sin necesidad de que nadie raspe, pala o salpique, lo cual afecta negativamente a las superficies durante tres años.

Para ampliar la vida operativa de carreteras y otras infraestructuras y ahorrar en su mantenimiento, los investigadores usaron un material de cambio de fase (PCM) de baja temperatura, parafina líquida, para este concreto autorrecalentado. Cuando la temperatura desciende a ∼0 °C o 32 °F, el material libera calor y pasa de líquido a sólido, provocando el derretimiento gradual del hielo.

Luego, un equipo de investigadores en Canadá desarrolló una superficie que repele la nieve por sí sola combinando las propiedades de aislamiento térmico y superhidrofobicidad. El grupo descubrió que el aerogel de sílice minimiza el derretimiento de la nieve y previene la formación de una capa adhesiva de hielo, mientras que la superhidrofobicidad reduce el área de contacto y repele las gotas de agua fundida interfacial, disminuyendo aún más la fuerza de adhesión de la nieve.

En otro estudio, investigadores chinos se centraron en superficies superhidrofóbicas con excelentes rendimientos anti-congelación y repelentes al agua a bajas temperaturas. Estas superficies, a diferencia de las superhidrofóbicas ampliamente estudiadas —especialmente por sus potenciales aplicaciones aeroespaciales— no están tan documentadas.

Para crear tales superficies, los investigadores grabaron arreglos de micropilares cuadrados en películas de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT)/polidimetilsiloxano (PDMS), logrando una triple anti-helada que permanece activa incluso a −40 °C.

Los investigadores creen que esto abre nuevas posibilidades para materiales biónicos inteligentes y multifuncionales en aplicaciones anti-hielo.

Un estudio separado sobre superficies porosas impregnadas con líquidos deslizantes (SLIPS), ampliamente usadas como un enfoque pasivo eficaz para reducir desastres por congelación, encontró que ciertas características son clave para la durabilidad. Poros pequeños (aproximadamente 100 nm), que ejercen una fuerte presión capilar sobre el lubricante, y alta porosidad (66 %), que brinda una gran relación de contacto lubricante-líquido, son particularmente beneficiosos para SLIPS anti-congelación duraderos.

El recubrimiento inteligente para techos de todas las estaciones es otro que mantiene los edificios cálidos durante el invierno y frescos durante el verano. Este recubrimiento no requiere electricidad ni gas; utiliza TARC, o recubrimiento radiante adaptativo a la temperatura, que desactiva el enfriamiento radiante en invierno automáticamente para asegurar que no haya desperdicio de energía.

Además de enfocarse en superficies, otros avances en la mejora de la infraestructura que ahorran costos de mantenimiento y protegen el medio ambiente incluyen losetas de techo adaptativas, que cuentan con un interruptor radiante para responder a diferentes temperaturas.

Empresas a observar

Ahora, revisaremos las empresas que pueden beneficiarse del desarrollo de tecnologías anti-escarcha, así como aquellas que están ayudando a avanzar en este campo.

En el sector aeroespacial, Lockheed Martin (LMT ) es un nombre popular, y las superficies resistentes a la escarcha pueden ayudar a mejorar el rendimiento y la durabilidad tanto de sus aviones militares como comerciales. Las acciones de la empresa, con una capitalización de mercado de $129.26 mil millones, se cotizan actualmente a $545.35, con un aumento del 20.32 % este año. Tiene un EPS (TTM) de 27.65, un P/E (TTM) de 19.73 y un rendimiento de dividendo del 2.42 %.

Boeing (BA ) es otra empresa del sector aeroespacial que también invierte fuertemente en tecnologías de deshielo para mejorar la seguridad y la eficiencia. Sin embargo, las acciones de esta empresa de $95 mil millones se cotizan actualmente a $155.33, con una caída del 40.69 % en lo que va del año debido a que sus aviones se desmoronan y los denunciantes mueren.

Empresas como 3M (MMM ) también desempeñan un papel importante debido a su participación en innovaciones de materiales. Las acciones de esta empresa con capitalización de $69 mil millones han subido un 16.37 % en lo que va del año, cotizando a $127.22, con un EPS (TTM) de 7.63 y un P/E (TTM) de 16.68, mientras paga un rendimiento de dividendo del 2.20 %.

1. Raytheon Technologies (RTX )

La técnica basada en óxido de grafeno de NU puede ayudar a este proveedor de tecnología de aviación y defensa a mejorar las operaciones seguras en entornos fríos. Raytheon es una empresa con capitalización de $158 mil millones cuyas acciones se cotizan a $118.75, con un aumento del 41.13 %, y tiene un EPS (TTM) de 3.52, un P/E (TTM) de 33.78 y un rendimiento de dividendo del 2.12 %.

Para el tercer trimestre de 2024, las ventas fueron informadas en $20.1 mil millones, un 6 % más que el año anterior, mientras que la cartera pendiente era de $221 mil millones. Esta cartera incluía $131 mil millones en el segmento comercial y $90 mil millones en el segmento de defensa. El flujo de caja libre al final del trimestre fue de $2 mil millones, mientras que $1.1 mil millones de capital se devolvieron a los accionistas.

2. Proto Labs (PRLB )

Para que estas nuevas tecnologías lleguen rápidamente al mercado, deben producirse con la misma rapidez. Y ahí es donde empresas como Proto Labs pueden ayudar. Utiliza impresión 3D, modelado por inyección y mecanizado CNC para fabricar piezas. Esta empresa con capitalización de $955.6 millones, cuyas acciones se cotizan a $38.75, ha bajado un 2.46 % y tiene un EPS (TTM) de 0.94 y un P/E (TTM) de 40.30.

Para el tercer trimestre de 2024, la empresa informó $125.6 millones en ingresos, lo que representó una disminución del 3.9 % respecto al tercer trimestre del año pasado. La utilidad neta fue de $7.2 millones, mientras que el EBITDA fue de $17.5 millones. Atendió a 22,511 contactos de clientes durante este período. Sin embargo, la empresa generó su mayor flujo de efectivo operativo trimestral en cuatro años, lo que el CEO Dan Schumacher dijo que “es un testimonio de la rentabilidad del modelo de Protolabs frente a cualquier contexto macro”.

Conclusión

El último descubrimiento de los investigadores de la Universidad Northwestern para reducir significativamente la formación de escarcha en cualquier superficie tiene un gran potencial para facilitar la vida de las personas al disminuir la cantidad de vuelos cancelados, que pueden ser anulados por la más mínima capa de escarcha, y al reducir el uso de potentes químicos de deshielo.

Como una herramienta anti-escarcha robusta, la superficie híbrida macrotexturizada con GO puede ayudar a disminuir la energía y el costo necesarios para el descongelamiento. De esta manera, puede encontrar una fuerte aplicación en industrias que requieren períodos prolongados de anti-escarcha pasiva, incluyendo aeroespacial, distribución de energía y transporte.

En conjunto, estos avances en la tecnología anti-escarcha pueden ayudar a ofrecer soluciones duraderas y sostenibles a los desafíos climáticos que se experimentan cada año, lo que, a su vez, contribuye a construir una infraestructura más eficiente y resiliente y tiene un impacto económico significativo.

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