Pakkanen Saattaa Vaikuttaa Tavalliselta, Mutta Se Aiheuttaa Kaaosta Ilmailualalla. Grafeeni Voi Muuttaa Tämän.

Joka vuosi pakkanen saapuu ja luo kauniin ja rauhallisen maiseman. Tämä ohut jääkerros muodostuu kiinteälle pinnalle, kuten maahan, kun lämpötila laskee nollapisteen tasolle tai alaspäin.

Kun ilma sisältää enemmän vesihöyryä kuin se pystyy pitämään tietyssä lämpötilassa, muodostuu pakkanen.

Vaikka se on kaunista, pakkanen on myös mahdollisesti vaarallista. Se ei ainoastaan aiheuta päänsärkyä liukkaita pintoja raaputtaessa, vaan johtaa myös muihin vakaviin ongelmiin, kuten ajoneuvojen antureiden heikentymiseen, jääkaappien ja pakastimien energiatehokkuuden heikkenemiseen, ylimääräiseen painoon sähkölinjoilla, mikä voi aiheuttaa katkoja, sekä vahingoittaa arvokasta vihannes- ja kukkatarhaasi.

Eikä siinä kaikki. Pakkaus vaikuttaa myös negatiivisesti lentokoneisiin hidastamalla nopeutta, heikentämällä ohjaustehoa ja epävakauttamalla korkeusasentoa, mikä voi johtaa onnettomuuksiin. Se häiritsee myös lentokoneiden nousua muuttamalla siipien aerodynaamisia ominaisuuksia, tehden lennoista vaarallisia tai jopa mahdottomia.

Vaikka Tony Stark Iron Manissa saattaa pystyä hyödyntämään puvussaan kerääntyvää jäätä eduksi vastustajaa vastaan, tämä ei ole meille mahdollisesti toteutettavissa arkipäiväisessä elämässä.

Tarvitsemme tehokkaan ratkaisun tähän satojen miljardien dollarin ongelmaan, ja Northwesternin yliopiston insinöörit ovat löytäneet sen. He ovat kehittäneet strategian, joka estää pakkasen muodostumisen alun perin.

Achieving Frost-free Regions for Long Periods of Time

Joten, mikä on ratkaisu? No, yksi ratkaisu­komponentti, jonka NU:n insinöörit ovat löytäneet kietoutuu grafeeniin.

Grafeeni, joka uutetaan grafiitista, koostuu puhtaasta hiilestä, yhdestä tärkeimmistä ja neljännestä yleisimmin esiintyvästä luonnonalkalista.

Tämä materiaali on erityisen tunnettu keveydestään. Vain yhden atomin paksuinen grafeeni on ohuin tunnettu yhdiste. Se on myös melko kestävä, noin 100–300 kertaa vahvempi kuin teräs. Joustavuutensa lisäksi grafeeni on paras sähkönjohtaja ja on tunnettu tasaisesta valon absorptiostaan.

Kaikki nämä ominaisuudet antavat grafeenille lupaavia sovelluksia aloilla kuten komposiitit, elektroniikka, anturit ja kuvantaminen, energia, telekommunikaatio ja biolääketieteelliset teknologiat.

Northwesternin yliopiston tutkijat käyttävät nyt tätä materiaalia pakkasen torjumiseen. Erityisesti he käyttävät grafeenioksidia (GO), yli puolisen vuosisadan sitten ehdotettua yhdistettä, jota on viime vuosina käytetty mahdollisena lähtömateriaalina grafeenin massatuotannossa.

Tämä hiilipohjainen nanomateriaali, joka tunnettiin jo ennen grafeenia, valmistetaan kemiallisella hapettumisella luonnollisesta grafiitista voimakkaiden hapettimien avulla.

Uudessa tutkimuksessa insinöörit havaitsivat, että pinnan tekstuurin muuttaminen ja sen jälkeen ohuen GO-kerroksen lisääminen estää kokonaan pakkasen muodostumisen pinnoilla viikon ajan, mahdollisesti vielä pidempään.

Grafeenioksidi vetää puoleensa ja sitoo sitten vesihöyryä — vettä kaasumaisessa muodossa — rakenteeseensa, estäen tehokkaasti veden jäätymisen. Yhdistettynä makrotekstuuriin se johtaa pitkään kestävään korkean ylikylläisyyden jaksoon.

Tämä viikon mittainen pakkasestointi on tuhat kertaa pidempi kuin mitä nykyiset kehittyneet pakkasestopinnat saavuttavat. Lisäksi uusi, skaalautuva pintasuunnittelu on myös kestävä naarmuille, halkeamille ja kontaminaatiolle.

Tämän teksturoituja pintaa infrastruktuuriin sisällyttäminen voi auttaa yrityksiä ja hallituksia säästämään miljardeja dollareita vuosittain energiatehottomuudesta ja välttämään ylläpitokustannuksia, arvioivat tutkijat. Tutkimuksen johtajan, Northwesternin McCormick School of Engineeringin koneinsinööritieteen apulaisprofessorin Kyoo-Chul Kenneth Parkin, mukaan:

“Ei-toivottu pakkaskerrostuma on merkittävä huolenaihe teollisuuden, asuin- ja hallintasektoreilla.”

Tänä tilikauden aikana yliopisto sai ennätykselliset 1,05 miljardia dollaria tutkimusrahoitusta, mikä on 5 % enemmän kuin edellisvuonna.

Park viittasi siihen, miten Texasin vuoden 2021 sähkökrisi aiheutti huikeat 195 miljardia dollaria vahinkoja, mikä johtui suoraan jäästä, pakkasesta ja äärimmäisistä kylmäolosuhteista yli viiden päivän ajan, vaikuttaen 4,5 miljoonaan kotitalouteen.

“Siksi on kriittistä kehittää pakkasestotekniikoita, jotka ovat kestäviä pitkän aikaa äärimmäisissä ympäristöolosuhteissa.”

– Park, kansainvälisen nanoteknologian instituutin ja Paula M. Trienensin kestävän kehityksen ja energian instituutin tiedekunnan jäsen

Kuitenkin tarvitsemme paitsi pakkasestotekniikoita, myös sellaisia, jotka ovat helppoja valmistaa ja toteuttaa. Tässä mielessä tutkijat loivat hybridimenetelmänsä, joka on kestävä, skaalautuva, helppo valmistaa 3D-tulostuksella ja voi estää pakkasen muodostumisen viikkoja.

Combining Leaves’ Geometry with GO’s Hygroscopic Properties

Uusi tutkimus rakentaa itse asiassa Parkin tiimin vuoden 2020 työtä, jossa he havaitsivat, että tekstuurin muuttaminen vähentää pakkasen muodostumista jopa 60 %. Samanaikaisesti millimetrin mittakaavan tekstuurien — optimoitu, sahalaitainen huippu- ja laaksojen sarja, kuten luonnossa — lisääminen pinnalle voi vähentää pakkasen muodostumista jopa 80 %.

Tämän löydön johdosta insinöörit saivat inspiraatiota mintunlehtien geometriasta. Kuten Park selitti silloin, lehtien kuperat alueet kokevat enemmän etukylmää kuin kuperat (laskostumat) alueet, jotka saavat “paljon vähemmän pakkaa”.

“Löysimme, että kyseessä on geometria — ei materiaali — joka hallitsee tätä.”

Lehtien aaltoileva geometria tarkoittaa, että pakka muodostuu huipuilla, joissa kondensaatio on tehostettua, mutta harvoin laaksoissa, joissa kondensaatio on tukahdutettua. Mikä tahansa pieni määrä kondensoitunutta vettä aaltomaisissa laaksoissa haihtuu, mikä johtaa pakkasvapaaseen alueeseen.

Mielenkiintoista on, että vaikka käytetäänkin pintamateriaalia, joka houkuttelee vettä, sama tulos havaitaan: vesi haihtuu laaksoista, kun lämpötila on alapuolella jäätymispistettä.

Hyödyntäen tätä tietoa tiimi löysi optimaalisen pintatekstuurin, joka koostui millimetrin korkuisista huipuista ja laaksoista, joissa välinen kulma oli vain 40–60 astetta.

Ohut pakkanen, joka edelleen muodostuu tämän pinnan huipuilla, voidaan sulattaa huomattavasti vähemmällä energialla, eikä tarvita pintakäsittelyjä tai nesteitä, joilla on alhaisempi pakkaspiste.

“Pakkasvapaa alue käynnistää sulatusprosessin. Näin se vähentäisi pakkasongelmien ratkaisemiseen käytettyjä materiaaleja ja energiaa.”

– Park

Uudessa tutkimuksessa tiimi lisäsi seokseen grafeenioksidia (GO), joka lisätään tasaisiin laaksoihin vähentämään pakkasen muodostumista kokonaan, myös laaksoissa.

GO valittiin poikkeuksellisten hygroskooppisten ominaisuuksiensa vuoksi, eli materiaalin kyvyn houkutella ja sitoa vesimolekyylejä absorptioin. GO:n vesihöyryn absorptiokapasiteetti on kaksinkertainen verrattuna silikageeliin. Lisäksi GO:lla on sisäänrakennettu kyky estää sisällytettyjen vesimolekyylien jäätyminen nanorajoitusefektien kautta.

Uudessa pinnassa on myös pieniä kohoumia, joiden huippujen välinen etäisyys on 5 mm. Ohut GO-kerros, jonka paksuus on vain 600 mikronia, on päällystetty huippujen välisten laaksojen päälle. Parkin mukaan:

“Grafeenioksidi houkuttelee vesihöyryä ja sitoo vesimolekyylit rakenteeseensa. Näin grafeenioksidikerros toimii kuin säiliö estäen vesihöyryn jäätymisen.”

Grafeenioksidin lisääminen makrotekstuuriin auttoi pintaa kestämään pakkaa korkeassa ylikylläisyydessä pitkän ajan, tehden kokeellisesta hybridipinnasta “vakaan, pitkäkestoisen, pakkasvapaan alueen”.

Voit katsella tämän tekniikan demonstraatiota YouTubessa täältä, joka on julkaistu virallisella NU-kanavalla:

Se näyttää, miten pakka muodostuu pinnan hunajakenno-muotoisilla huipuilla, kun taas tasaiset laaksot pysyvät pakkasvapaina. Videossa oikealla oleva pinta on päällystetty ohuella GO-kerroksella.

Korostaakseen menetelmänsä ylivertaisuutta Parkin tiimi vertasi sitä muihin kehittyneisiin pakkasestopintoihin.

Verrattuna 100 % pakkasmuodostuksen vastustuskykyyn 150 tunnin ajan, supervesi‑hylkivät ja voiteluaineita sisältävät pinnat pystyivät vastustamaan vain 5–36 % pakkasmuodostusta, ja sekin vain 5 tunnin ajan. Lisäksi on otettava huomioon muiden pakkasestopintojen alttius naarmuille tai kontaminaatiolle, “joka heikentää pinnan suorituskykyä ajan myötä”.

Parkin hybridimakrotekstuuri‑grafeenioksidipinta on toisaalta kestävä tällaista vahinkoa vastaan ja siten pidentää pinnan käyttöikää.

Tällä hetkellä markkinoilla ei ole ‘yksi koko sopii kaikille’ -lähestymistapaa, koska eri sovelluksilla on erityistarpeita. Esimerkiksi lentokoneet tarvitsevat vain sekunteja pakkasvastusta verrattuna sähkölinjoihin, jotka toimivat jatkuvasti kylmissä olosuhteissa ja saattavat tarvita päiviä tai viikkoja pakkasvastusta.

Uuden tekniikan, tutkijoiden mukaan, voidaan käyttää lentokoneen siipien sekä sähkölinjojen suunnittelussa vähentämään jäähtymistä, mikä merkittävästi vähentää vuotuista ylläpitokustannuksia. Menetelmä voi lisäksi auttaa estämään energiatehottomuuksia ja tukea infrastruktuurin turvallista toimintaa kylmissä olosuhteissa.

Protecting the Infrastructure from Harsh Climates

Kylmät ilmastot tuovat mukanaan lämpimien vilttien, kuuman kaakaon ja juhlavan tunnelman. Samalla ne tuovat omat ongelmansa, erityisesti terveysongelmat ja infrastruktuurin vauriot.

Jään ja lumen kerääntyminen voi heikentää alusten, autojen tuulilasien, sähkölinjojen, tuuliturbiinien ja lentokoneiden suorituskykyä ja turvallisuutta. Siksi tutkijat ovat pyrkineet ratkaisemaan näitä ongelmia.

Erityisesti pinnat, jotka voivat hillitä jään kasvua, ovat saaneet paljon huomiota, kuten näimme myös viimeisimmässä tutkimuksessa, kustannustehokkaana vaihtoehtona.

Kuten jaoimme aiemmin tänä vuonna, Drexelin insinööritiedekunnan tutkijat kehittivät myös itsekuumentuvaa betonia, joka poistaa lumen ja jäätyneen sateen itsenäisesti, ilman että kenenkään tarvitsee raaputtaa, kaivaa tai suolata, mikä vaikuttaa negatiivisesti pintoihin kolmen vuoden ajan.

Jotta teiden ja muun infrastruktuurin käyttöikää voitaisiin pidentää ja säästää ylläpitokustannuksia, tutkijat käyttivät matalan lämpötilan faasimuutospainetta (PCM) nestemäistä parafiinia tähän itsekuumentuvaan betoniin. Kun lämpötila laskee noin 0 °C tai 32 °F, materiaali vapauttaa lämpöä ja muuttuu nestemäisestä kiinteäksi, mikä johtaa jään asteittaiseen sulamiseen.

Sitten kanadalainen tutkijaryhmä kehitti pinnan, joka hylkii lunta itsenäisesti yhdistämällä lämmöneristyksen ja superhydrofobisuuden ominaisuudet. Ryhmä havaitsi, että silikaatti-aerogeeli minimoi lumen sulamisen ja esti tarttuvan jääkerroksen muodostumisen, kun taas superhydrofobisuus vähensi kosketuspintaa ja hylkäsi interfacial-vesipisarat, mikä edelleen alensi lumen tarttuvuusvoimaa.

Toisessa tutkimuksessa kiinalaiset tutkijat keskittyivät superhydrofobisiin pintoihin, joilla on erinomainen jääntorjunta- ja vesihylkintäkyky matalissa lämpötiloissa. Nämä pinnat, toisin kuin laajasti tutkituimmat superhydrofobiset pinnat — erityisesti niiden potentiaaliset ilmailusovellukset — eivät ole yhtä hyvin raportoituja.

Luodakseen tällaisia pintoja tutkijat kaivoivat neliönmuotoisia mikropilarijärjestelmiä moniseinäisiin hiilikuituihin (MWCNT)/poly(dimetyylisilikoni) (PDMS) -kalvoihin, mikä johti kolminkertaiseen jääntorjuntaan, joka pysyy aktiivisena jopa -40 °C.

Tutkijat uskovat, että tämä avaa uusia mahdollisuuksia bionisiin älykkäisiin monitoimimateriaaleihin jääntorjunta‑sovelluksissa.

Erillinen tutkimus liukuvista nestemäisesti kyllästetyistä huokospinnoista (SLIPS), joita käytetään laajasti tehokkaana passiivisena menetelmänä jäämyrskyjen vähentämiseen, havaitsi, että tietyt ominaisuudet ovat avain kestävyydelle. Pienet huokoset (noin 100 nm), jotka aiheuttavat voimakasta kapillaari‑painetta voiteluaineelle, ja korkea huokosisuus (66 %), joka tarjoaa suuren voiteluaine‑neste‑kosketusalueen, ovat erityisen hyödyllisiä kestävälle anti‑jää‑SLIPS‑teknologialle.

Koko vuoden älykäs kattokäsittely on toinen ratkaisu, joka pitää rakennukset lämpiminä talvella ja viileinä kesällä. Tämä pinnoite ei vaadi sähköä tai kaasua; se käyttää TARC‑tekniikkaa, eli lämpötilaan mukautuvaa säteilykäsittelyä, joka poistaa säteilyjäähdytyksen talvella automaattisesti varmistaen, ettei energiaa tuhlata.

Pintojen kohdistamisen lisäksi muut infrastruktuurin parannukset, jotka säästävät ylläpitokustannuksia ja suojaavat ympäristöä, sisältävät mukautuvat kattotiilet, joissa on säteilykytkin reagoimaan erilaisiin lämpötiloihin.

Companies to Look At

Tarkastelemme nyt yrityksiä, jotka voivat hyötyä anti‑pakkas‑teknologioiden kehityksestä sekä niitä, jotka edistävät tätä alaa.

Ilmailualalla Lockheed Martin (LMT ) on yksi tunnettu nimi, ja pakkas‑kestävät pinnat voivat parantaa sekä sen sotilas‑ että kaupallisten lentokoneiden suorituskykyä ja kestävyyttä. Yrityksen markkina‑arvo on 129,26 miljardia dollaria, ja osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 545,35 $, nousua 20,32 % tänä vuonna. Sen EPS (TTM) on 27,65, P/E (TTM) 19,73 ja osinkotuotto 2,42 %.

Boeing (BA ) on toinen ilmailualan yritys, joka investoi voimakkaasti sulatusteknologioihin turvallisuuden ja tehokkuuden parantamiseksi. Kuitenkin tämän 95 miljardia dollaria arvostetun yrityksen osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 155,33 $, laskua 40,69 % vuoden alusta johtuen sen lentokoneiden hajoamisesta ja ilmoittajien kuolemista.

Yritykset kuten 3M (MMM ) näyttelevät myös tärkeää roolia materiaalinnovaatiotensa vuoksi. Tämä 69 miljardia dollaria markkina‑arvoinen yritys on noussut 16,37 % vuoden alusta, ja sen osakkeet käyvät hintaan 127,22 $, EPS (TTM) 7,63, P/E (TTM) 16,68 ja osinkotuotto 2,20 %.

1. Raytheon Technologies

Northwesternin kehittämä grafeenioksidi‑pohjainen tekniikka voi auttaa tätä ilmailu‑ ja puolustusteknologian tarjoajaa parantamaan turvallista toimintaa kylmissä ympäristöissä. Raytheon on 158 miljardia dollaria markkina‑arvoinen yritys, jonka osakkeet käyvät hintaan 118,75 $, nousua 41,13 %, ja sillä on EPS (TTM) 3,52, P/E (TTM) 33,78 ja osinkotuotto 2,12 %.

Q3‑vuodelle 2024 myynti oli raportoitu 20,1 miljardia dollaria, 6 % enemmän kuin edellisvuonna, ja tilauskanta oli 221 miljardia dollaria. Tämä tilauskanta sisälsi 131 miljardia dollaria kaupallisessa segmentissä ja 90 miljardia dollaria puolustussegmentissä. Vapaa kassavirta neljänneksen lopussa oli 2 miljardia dollaria, ja 1,1 miljardia dollaria pääomaa palautettiin osakkeenomistajille.

2. Proto Labs

Jotta nämä uudet teknologiat pääsisivät nopeasti markkinoille, ne on tuotettava yhtä nopeasti. Tässä Proto Labs (PRLB ) -yritykset voivat auttaa. Se hyödyntää 3D‑tulostusta, ruiskupuristusta ja CNC‑koneistusta osien valmistukseen. Tämä 955,6 miljoonaa dollaria markkina‑arvoinen yritys, jonka osakkeet käyvät hintaan 38,75 $, on laskenut 2,46 % ja sillä on EPS (TTM) 0,94 sekä P/E (TTM) 40,30.

Q3‑vuodelle 2024 se raportoi 125,6 miljoonaa dollaria liikevaihtoa, mikä oli 3,9 % lasku edellisen vuoden Q3:sta. Nettotulos oli 7,2 miljoonaa dollaria, ja EBITDA 17,5 miljoonaa dollaria. Se palveli 22 511 asiakaskontaktia tänä aikana. Yritys kuitenkin tuotti neljän vuoden aikana suurimman neljännesvuosittaisen operatiivisen kassavirran, jonka toimitusjohtaja Dan Schumacher sanoi olevan “todistus Protolabs‑mallin kannattavuudesta kaikissa makrotaloudellisissa olosuhteissa”.

Conclusion

Northwesternin yliopiston tutkijoiden viimeisin löytö, joka vähentää merkittävästi pakkasen muodostumista millä tahansa pinnalla, tarjoaa merkittävää potentiaalia tehdä ihmisten elämästä sujuvampaa vähentämällä peruutettujen lentojen määrää, jotka voivat peruutua pienimmänkin pakkaskerroksen takia, sekä vähentämällä voimakkaiden sulatuskemikaalien käyttöä.

Vankkana anti‑pakkas‑työkaluna hybridimakrotekstuuri‑GO-pinta voi edelleen auttaa vähentämään sulatuksessa tarvittavan energian ja kustannusten määrää. Näin se voi löytää vahvan sovelluksen teollisuuksissa, jotka vaativat pitkiä passiivisia anti‑pakkas‑aikoja, kuten ilmailussa, sähkönjakelussa ja liikenteessä.

Kaiken kaikkiaan tällaiset anti‑pakkas‑teknologian edistysaskeleet voivat tarjota kestäviä ja ympäristöystävällisiä ratkaisuja vuodesta toiseen koettuihin sääolosuhteiden haasteisiin, mikä puolestaan auttaa rakentamaan tehokkaampaa ja kestävämpää infrastruktuuria ja vaikuttaa merkittävästi talouteen.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken itsekuumentuvasta betonista.