Frost Mungkin Terlihat Sepele, Namun Menimbulkan Kerusakan Besar di Sektor Dirgantara. Graphene Mungkin Mengubah Hal Ini.

Setiap tahun, embun beku muncul dan menciptakan pemandangan yang indah serta tenang. Lapisan tipis es ini terbentuk pada permukaan padat seperti tanah ketika suhu turun ke tingkat beku atau di bawahnya.

Ketika udara mengandung lebih banyak uap air daripada yang dapat ditampung pada suhu tertentu, embun beku terbentuk.

Walaupun indah, embun beku juga berpotensi berbahaya. Tidak hanya menjadi sumber sakit kepala saat harus mengikis permukaan licin, tetapi juga menyebabkan masalah serius seperti sensor kendaraan yang terganggu, penurunan efisiensi energi kulkas dan freezer, penambahan beban pada saluran listrik yang dapat menyebabkan pemadaman dan kerusakan pada kebun sayur serta taman bunga Anda.

Itu belum semuanya. Embun beku juga berdampak negatif pada pesawat terbang dengan menurunkan kecepatan stall, mengurangi efisiensi kontrol, dan mendestabilisasi pitch, yang dapat menyebabkan kecelakaan. Selain itu, embun beku mengganggu lepas landas pesawat dengan mengubah karakteristik aerodinamika sayap, menjadikan penerbangan berbahaya atau bahkan tidak mungkin.

Walaupun Tony Stark dalam Iron Man mungkin dapat memanfaatkan penumpukan es pada kostumnya melawan lawannya, hal ini jelas tidak mungkin bagi kita dalam kehidupan sehari-hari.

Apa yang kita butuhkan adalah solusi efektif untuk masalah bernilai ratusan miliar dolar ini, dan insinyur dari Northwestern University telah menemukan satu. Mereka mengembangkan strategi yang mencegah pembentukan embun beku sejak awal.

Mencapai Daerah Bebas Embun Beku untuk Periode Waktu yang Lama

Jadi, apa solusinya? Salah satu komponen utama solusi yang ditemukan insinyur NU berkisar pada graphene.

Diekstraksi dari grafit, graphene terbuat dari karbon murni, salah satu unsur alami terpenting dan keempat terbanyak.

Material ini terkenal karena ringan. Dengan ketebalan hanya satu atom, graphene adalah senyawa paling tipis yang diketahui. Ia juga cukup kuat, sekitar 100‑300 kali lebih kuat daripada baja. Selain fleksibilitasnya, graphene adalah konduktor listrik terbaik dan terkenal karena penyerapan cahaya yang seragam.

Semua fitur ini memberi graphene aplikasi menjanjikan di bidang komposit, elektronik, sensor dan pencitraan, energi, telekomunikasi, serta teknologi biomedis.

Peneliti Northwestern University kini menggunakan material ini untuk mengatasi embun beku. Secara khusus, mereka menggunakan graphene oxide (GO), senyawa yang diusulkan lebih dari satu setengah abad lalu dan dalam beberapa tahun terakhir telah digunakan sebagai bahan awal potensial untuk produksi massal graphene.

Nanomaterial berbasis karbon ini, yang dikenal jauh sebelum graphene, diproduksi melalui oksidasi kimia grafit alami oleh oksidan kuat.

Dalam studi baru, para insinyur menemukan bahwa mengubah tekstur permukaan dan kemudian menambahkan lapisan tipis GO sepenuhnya mencegah pembentukan embun beku pada permukaan selama seminggu, bahkan mungkin lebih lama.

Apa yang dilakukan graphene oxide adalah menarik dan kemudian menjebak uap air—air dalam bentuk gas—di dalam strukturnya, secara efektif mencegah air membeku. Ketika digabungkan dengan permukaan bertekstur makro, hal ini menghasilkan periode supersaturasi tinggi yang berkepanjangan.

Pencegahan embun beku selama seminggu ini seribu kali lebih lama dibandingkan dengan permukaan anti‑frost canggih yang ada saat ini. Di atas itu, desain permukaan baru yang dapat diskalakan ini juga tahan terhadap goresan, retak, dan kontaminasi.

Mengintegrasikan permukaan bertekstur ini ke dalam infrastruktur dapat membantu perusahaan dan pemerintah menghemat miliaran dolar setiap tahun dari inefisiensi energi dan menghindari biaya pemeliharaan, menurut perkiraan peneliti. Menurut pemimpin studi Kyoo‑Chul Kenneth Park, yang merupakan asisten profesor teknik mesin di McCormick School of Engineering di NU:

“Akumulasi embun beku yang tidak diinginkan menjadi perhatian utama di sektor industri, residensial, dan pemerintah.”

Tahun fiskal ini, universitas memperoleh pendanaan riset sebesar $1,05 miliar, meningkat 5% dari tahun lalu.

Park menyoroti bagaimana krisis listrik tahun 2021 di Texas menimbulkan kerusakan sebesar $195 miliar, yang merupakan akibat langsung dari es, embun beku, dan kondisi dingin ekstrem selama lebih dari 5 hari, memengaruhi 4,5 juta rumah tangga.

“Oleh karena itu, sangat penting mengembangkan teknik anti‑frost yang tahan lama dalam kondisi lingkungan ekstrem.”

– Park, afiliasi fakultas International Institute for Nanotechnology dan Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Namun, kita tidak hanya membutuhkan teknik anti‑frost, tetapi juga yang mudah diproduksi dan diimplementasikan. Dengan pemikiran itu, para peneliti menciptakan metode hybrid anti‑frost mereka, yang tahan lama, dapat diproduksi secara skala, mudah diproduksi lewat pencetakan 3D, dan dapat menahan pembekuan selama berminggu‑minggu.

Menggabungkan Geometri Daun dengan Sifat Higroskopik GO

Studi baru ini sebenarnya membangun atas pekerjaan sebelumnya dari tim Park pada tahun 2020, di mana mereka menemukan bahwa mengubah tekstur dapat mengurangi pembentukan embun beku hingga 60%. Sementara itu, menambahkan tekstur skala milimeter—serangkaian puncak dan lembah bergerigi yang dioptimalkan seperti yang terlihat di alam—ke permukaan dapat menurunkan pembentukan embun beku hingga 80%.

Untuk penemuan ini, para insinyur mengambil inspirasi dari geometri daun mint. Seperti yang dijelaskan Park saat itu, daerah cembung daun mengalami pembentukan embun lebih banyak dibandingkan daerah cekung (urat), yang justru mendapatkan “jauh lebih sedikit embun”.

Walaupun fenomena ini telah lama diamati, belum ada penjelasan mengapa dan bagaimana hal ini terjadi. Ia berkata:

“Kami menemukan bahwa geometri—bukan material—yang mengendalikan hal ini.”

Geometri bergelombang daun berarti embun terbentuk pada puncak di mana kondensasi meningkat, tetapi jarang di lembah, di mana kondensasi ditekan. Sedikit air yang mengembun di lembah permukaan bergelombang menguap, menghasilkan area bebas embun.

Menariknya, bahkan dengan material permukaan yang menarik air, hasil yang sama tetap terlihat: air menguap dari lembah ketika suhu berada di bawah titik beku.

Dengan informasi ini, tim menemukan tekstur permukaan optimal, yaitu permukaan dengan puncak dan lembah setinggi milimeter dengan sudut antara 40‑60 derajat.

Garis tipis embun yang masih terbentuk pada puncak permukaan ini dapat dicairkan dengan energi jauh lebih sedikit dan menghilangkan kebutuhan penggunaan pelapis atau cairan dengan titik beku lebih rendah.

“Daerah tanpa embun memulai proses pencairan. Jadi hal ini akan mengurangi material dan energi yang digunakan untuk menyelesaikan masalah pembekuan.”

– Park

Dalam studi baru, tim menambahkan graphene oxide (GO) ke dalam campuran, yang diaplikasikan pada lembah datar untuk mengurangi pembentukan embun beku secara total, bahkan di lembah.

GO dipilih karena sifat higroskopiknya yang luar biasa, yaitu kemampuan material untuk menarik dan menahan molekul air melalui absorpsi. Laju absorpsi uap air GO adalah 2 kali lipat dibandingkan silica gel. Selain itu, GO memiliki kemampuan intrinsik untuk menekan pembekuan molekul air yang terinterkalsi melalui efek nanokonfinemen.

Permukaan baru juga memiliki tonjolan‑tonjolan kecil dengan jarak puncak‑ke‑puncak 5 mm. Lapisan tipis GO, hanya setebal 600 mikron, dilapisi pada lembah di antara puncak. Menurut Park:

“Graphene oxide menarik uap air dan kemudian menahan molekul air di dalam strukturnya. Jadi, lapisan graphene oxide berfungsi seperti wadah untuk mencegah uap air membeku.”

Penambahan graphene oxide pada permukaan bertekstur makro membantu permukaan menahan embun pada supersaturasi tinggi untuk jangka panjang, sehingga menjadikan permukaan hybrid eksperimental “zona bebas embun yang stabil dan tahan lama”.

Anda dapat menonton demonstrasi teknik ini di YouTube di sini, yang diposting di saluran resmi NU:

Video tersebut menunjukkan bagaimana embun terbentuk pada puncak berbentuk sarang lebah sementara lembah datar tetap bebas embun. Pada video, permukaan di sebelah kanan memiliki lapisan tipis GO.

Untuk menunjukkan keunggulan metode ini, tim Park membandingkannya dengan permukaan anti‑frost canggih lainnya.

Jika dibandingkan dengan resistensi pembentukan embun 100 % selama 150 jam, permukaan super‑water‑repellent dan yang diinfus pelumas hanya mampu menahan 5‑36 % pembentukan embun, dan itu hanya selama 5 jam. Selain itu, permukaan anti‑frost lain rentan terhadap kerusakan akibat goresan atau kontaminasi, “yang menurunkan kinerja permukaan seiring waktu”.

Permukaan hybrid makrotekstur‑graphene oxide milik Park, di sisi lain, tahan terhadap kerusakan semacam itu dan dengan demikian memperpanjang umur permukaan.

Saat ini belum ada pendekatan “satu ukuran untuk semua” di pasar karena kebutuhan spesifik aplikasi yang berbeda. Misalnya, pesawat hanya membutuhkan beberapa detik resistensi embun dibandingkan dengan saluran listrik, yang terus beroperasi di lingkungan dingin dan mungkin memerlukan hari atau minggu resistensi embun.

Teknik baru ini, menurut para peneliti, dapat digunakan untuk merancang sayap pesawat serta saluran listrik dengan adhesi es yang berkurang untuk secara signifikan menurunkan biaya pemeliharaan tahunan. Metode ini juga dapat membantu mencegah inefisiensi energi dan mendukung operasi infrastruktur yang aman di lingkungan dingin.

Melindungi Infrastruktur dari Iklim Ekstrem

Iklim dingin datang dengan kenyamanan selimut hangat, cokelat panas, dan perasaan meriah. Namun pada saat yang sama, ia membawa serangkaian masalah, terutama dalam bentuk masalah kesehatan dan kerusakan infrastruktur.

Penumpukan es dan salju dapat mengurangi kinerja dan keamanan kapal, kaca depan mobil, saluran listrik, turbin angin, dan pesawat terbang. Itulah mengapa peneliti berupaya mengatasi masalah ini.

Permukaan yang dapat mengurangi pertumbuhan es, khususnya, telah menarik banyak perhatian, seperti yang kami lihat dalam studi terbaru, sebagai alternatif yang hemat biaya.

Seperti yang kami bagikan awal tahun ini, peneliti dari College of Engineering Drexel juga menciptakan beton pemanas sendiri yang membersihkan salju serta hujan beku secara otomatis, tanpa memerlukan orang untuk mengikis, menyekop, atau menabur garam, yang dapat merusak permukaan selama tiga tahun.

Untuk memperpanjang umur operasional jalan raya dan infrastruktur lainnya serta menghemat biaya pemeliharaan, peneliti menggunakan material perubahan fase suhu rendah (PCM) parafin cair untuk beton pemanas ini. Ketika suhu turun ke sekitar 0 °C atau 32 °F, material melepaskan panas dan berubah dari cair menjadi padat, sehingga es mencair secara bertahap.

Kemudian, tim peneliti di Kanada mengembangkan permukaan yang menolak salju secara mandiri dengan menggabungkan sifat isolasi termal dan superhidrofobik. Kelompok tersebut menemukan bahwa aerogel silika meminimalkan pencairan salju dan mencegah pembentukan lapisan es adhesif, sementara superhidrofobik mengurangi area kontak dan menolak tetesan air leleh interfacial, lebih lanjut menurunkan kekuatan adhesi salju.

Dalam studi lain, peneliti China memfokuskan pada permukaan superhidrofobik dengan kinerja anti‑icing dan penolak air yang luar biasa pada suhu rendah. Permukaan ini, tidak seperti permukaan superhidrofobik yang banyak dipelajari—khususnya untuk potensi aplikasi dirgantara—tidak begitu banyak dilaporkan.

Untuk menciptakan permukaan tersebut, peneliti mengukir array mikropilar persegi pada film multi‑walled carbon nanotube (MWCNT)/poly(dimethylsiloxane) (PDMS), menghasilkan triple ice‑phobicity yang tetap aktif bahkan pada −40 °C.

Peneliti percaya hal ini membuka peluang baru bagi material bionik pintar multifungsi dalam aplikasi anti‑es.

Studi terpisah tentang permukaan berpori yang diinfus cairan licin (SLIPSs) yang banyak digunakan sebagai pendekatan pasif efektif untuk mengurangi bencana pembekuan, menemukan bahwa beberapa fitur penting untuk daya tahan. Pori‑pori kecil (sekitar 100 nm), yang memberikan tekanan kapiler kuat pada pelumas, dan porositas tinggi (66 %), yang menyediakan rasio kontak pelumas‑cairan besar, sangat menguntungkan untuk SLIPS anti‑icing yang tahan lama.

Pelapis atap pintar all‑season adalah satu lagi yang menjaga bangunan tetap hangat selama musim dingin dan sejuk selama musim panas. Pelapis ini tidak memerlukan listrik atau gas; ia menggunakan TARC, atau temperature‑adaptive radiative coating, yang mematikan pendinginan radiasi secara otomatis di musim dingin untuk memastikan tidak ada pemborosan energi.

Selain menargetkan permukaan, kemajuan lain dalam peningkatan infrastruktur sambil menghemat biaya pemeliharaan dan melindungi lingkungan melibatkan ubin atap adaptif, yang dilengkapi saklar radiasi untuk merespons suhu yang berbeda.

Perusahaan yang Perlu Diperhatikan

Sekarang, kami akan melihat perusahaan yang dapat memperoleh manfaat dari pengembangan teknologi anti‑frost serta yang membantu memajukan bidang ini.

Di sektor dirgantara, Lockheed Martin (LMT ) adalah nama yang populer, dan permukaan tahan embun beku dapat membantu meningkatkan kinerja serta daya tahan pesawat militer dan komersialnya. Perusahaan dengan kapitalisasi pasar $129,26 miliar ini saat ini diperdagangkan pada $545,35, naik 20,32 % tahun ini. Ia memiliki EPS (TTM) 27,65, P/E (TTM) 19,73, dan dividen yield 2,42 %.

Boeing (BA ) adalah perusahaan lain di sektor dirgantara yang juga banyak berinvestasi dalam teknologi de‑icing untuk meningkatkan keselamatan dan efisiensi. Namun, saham perusahaan $95 miliar ini saat ini diperdagangkan pada $155,33, turun 40,69 % YTD karena pesawatnya mengalami kerusakan dan whistleblower meninggal.

Perusahaan seperti 3M (MMM ) juga memainkan peran penting karena keterlibatannya dalam inovasi material. Perusahaan dengan kapitalisasi pasar $69 miliar ini sahamnya naik 16,37 % YTD dengan harga $127,22, EPS (TTM) 7,63, P/E (TTM) 16,68, serta dividen yield 2,20 %.

1. Raytheon Technologies (RTX )

Teknik berbasis graphene oxide dari NU dapat membantu penyedia teknologi penerbangan dan pertahanan ini meningkatkan operasi aman di lingkungan dingin. Raytheon adalah perusahaan dengan kapitalisasi pasar $158 miliar yang sahamnya diperdagangkan pada $118,75, naik 41,13 %, dengan EPS (TTM) 3,52, P/E (TTM) 33,78, dan dividen yield 2,12 %.

Untuk Q3 2024, penjualan dilaporkan sebesar $20,1 miliar, naik 6 % dari tahun sebelumnya, sementara backlog mencapai $221 miliar. Backlog ini mencakup $131 miliar di segmen komersial dan $90 miliar di segmen pertahanan. Arus kas bebas pada akhir kuartal adalah $2 miliar, sementara $1,1 miliar modal dikembalikan kepada pemegang saham.

2. Proto Labs (PRLB )

Agar teknologi baru ini dapat cepat masuk pasar, mereka harus diproduksi dengan cepat. Di sinilah perusahaan seperti Proto Labs dapat membantu. Mereka memanfaatkan pencetakan 3D, pemodelan injeksi, dan pemesinan CNC untuk memproduksi komponen. Perusahaan dengan kapitalisasi pasar $955,6 juta ini, yang sahamnya diperdagangkan pada $38,75, turun 2,46 % dengan EPS (TTM) 0,94 dan P/E (TTM) 40,30.

Untuk Q3 2024, mereka melaporkan pendapatan $125,6 juta, turun 3,9 % dibandingkan Q3 tahun lalu. Laba bersih sebesar $7,2 juta, sementara EBITDA $17,5 juta. Mereka melayani 22.511 kontak pelanggan selama periode ini. Perusahaan, bagaimanapun, mencatat arus kas operasi kuartalan tertinggi dalam empat tahun, yang menurut CEO Dan Schumacher “menunjukkan profitabilitas model Protolabs melawan latar belakang makro apa pun.”

Kesimpulan

Penemuan terbaru oleh peneliti Northwestern University yang secara signifikan mengurangi pembentukan embun beku pada permukaan apa pun memiliki potensi besar untuk membuat kehidupan manusia lebih lancar dengan mengurangi jumlah penerbangan yang dibatalkan karena lapisan embun tipis, serta mengurangi penggunaan bahan kimia de‑icing yang kuat.

Sebagai alat anti‑frost yang tangguh, permukaan hybrid makrotekstur‑GO dapat lebih lanjut membantu mengurangi energi dan biaya yang dibutuhkan untuk pencairan. Dengan cara ini, ia dapat menemukan aplikasi kuat di industri yang memerlukan waktu anti‑frost pasif yang lama, termasuk dirgantara, distribusi listrik, dan transportasi.

Secara keseluruhan, kemajuan seperti ini dalam teknologi anti‑frost dapat membantu menyediakan solusi tahan lama dan berkelanjutan untuk tantangan cuaca yang dialami setiap tahun, yang pada gilirannya membantu membangun infrastruktur yang lebih efisien dan tangguh serta memberikan dampak ekonomi yang signifikan.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang beton pemanas sendiri.