Il gelo può sembrare banale, ma provoca danni nel settore aerospaziale. Il grafene potrebbe cambiare questa situazione.

Ogni anno, la brina arriva e crea scenari belli e sereni. Questo sottile strato di ghiaccio si forma su una superficie solida, come il terreno, quando la temperatura scende al punto di congelamento o al di sotto.

Quando l’aria contiene più vapore acqueo di quanto possa trattenere a una certa temperatura, si forma la brina.

Sebbene sia bella, la brina è anche potenzialmente pericolosa. Non solo può essere un fastidio rimuovere le superfici scivolose, ma provoca anche altri problemi seri, come sensori dei veicoli compromessi, ridotta efficienza energetica di frigoriferi e congelatori, peso aggiuntivo sulle linee elettriche che può causare blackout e danni al tuo prezioso orto e giardino di fiori.

Non è tutto. La brina influisce negativamente sugli aeromobili riducendo la velocità di stallo, diminuendo l’efficienza di controllo e destabilizzando il beccheggio, il che può portare a incidenti. Inoltre interferisce con i decollo degli aerei alterando le caratteristiche aerodinamiche delle ali, rendendo i voli pericolosi o addirittura impossibili.

Mentre Tony Stark in Iron Man può usare l’accumulo di ghiaccio sul suo costume a suo vantaggio contro il suo avversario, ciò non è semplicemente possibile per noi nella vita quotidiana.

Ciò di cui abbiamo bisogno è una soluzione efficace a questo problema da centinaia di miliardi di dollari, e gli ingegneri della Northwestern University ne hanno trovata una. Hanno sviluppato una strategia che impedisce alla brina di formarsi fin dall’inizio.

Raggiungere regioni senza gelo per lunghi periodi di tempo

Allora, qual è la soluzione? Bene, uno dei componenti principali della soluzione scoperta dagli ingegneri della NU ruota attorno al grafene.

Estratto dalla grafite, il grafene è costituito da carbonio puro, uno degli elementi naturali più importanti e il quarto più abbondante.

Questo materiale è particolarmente noto per la sua leggerezza. Con uno spessore di un solo atomo, il grafene è il composto più sottile conosciuto. È anche molto resistente, circa 100-300 volte più forte dell’acciaio. Oltre alla sua flessibilità, il grafene è il miglior conduttore di elettricità ed è rinomato per la sua assorbimento uniforme della luce.

Tutte queste caratteristiche conferiscono al grafene promettenti applicazioni in settori come i compositi, l’elettronica, i sensori e l’imaging, l’energia, le telecomunicazioni e le tecnologie biomediche.

I ricercatori della Northwestern University stanno ora usando questo materiale per affrontare la brina. In particolare, stanno usando l’ossido di grafene (GO), un composto proposto più di un secolo e mezzo fa e che negli ultimi anni è stato utilizzato come possibile materia prima per la produzione di massa di grafene.

Questo nanomateriale a base di carbonio, noto molto prima del grafene, è prodotto mediante l’ossidazione chimica della grafite naturale con forti ossidanti.

Nel nuovo studio, gli ingegneri hanno scoperto che modificare la texture di una superficie e poi aggiungere uno strato sottile di GO impedisce completamente la formazione di brina sulle superfici per una settimana, potenzialmente anche più a lungo.

Ciò che fa l’ossido di grafene è attirare e poi intrappolare il vapore acqueo — acqua in forma gassosa — all’interno della sua struttura, impedendo efficacemente che l’acqua congeli. Quando combinato con una superficie macrotesturizzata, porta a un periodo prolungato di alta supersaturazione.

Questa prevenzione della brina della durata di una settimana è mille volte più lunga di quanto ottenuto dalle attuali superfici anti-brina avanzate. Inoltre, il nuovo design della superficie, scalabile, è anche resistente a graffi, crepe e contaminazioni.

Incorporare questa superficie testurizzata nelle infrastrutture può aiutare aziende e governi a risparmiare miliardi di dollari annualmente nelle inefficienze energetiche ed evitare costi di manutenzione, stimano i ricercatori. Secondo il capo dello studio Kyoo-Chul Kenneth Park, professore assistente di ingegneria meccanica alla McCormick School of Engineering della NU:

“L’accumulo indesiderato di brina è una preoccupazione importante nei settori industriale, residenziale e governativo.”

Quest’anno fiscale, l’università ha ottenuto un record di 1,05 miliardi di dollari in finanziamenti per la ricerca, un aumento del 5% rispetto all’anno precedente.

Park ha sottolineato come la crisi energetica del 2021 in Texas abbia causato danni per ben 195 miliardi di dollari, risultato diretto di ghiaccio, brina e condizioni di freddo estremo per oltre 5 giorni, colpendo 4,5 milioni di famiglie.

“Pertanto, è fondamentale sviluppare tecniche anti-brina, robuste per lunghi periodi di tempo in condizioni ambientali estreme.”

– Park, affiliato della facoltà dell’International Institute for Nanotechnology e del Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Tuttavia, non abbiamo bisogno solo di tecniche anti-brina, ma anche di quelle facili da fabbricare e implementare. Con questo in mente, i ricercatori hanno creato il loro metodo ibrido anti-brina, che è durevole, scalabile, facile da fabbricare tramite stampa 3D e può prevenire la brina per settimane.

Combinare la geometria delle foglie con le proprietà igroscopiche del GO

Il nuovo studio si basa effettivamente sul lavoro precedente del team di Park del 2020, durante il quale hanno scoperto che modificare la texture riduce la formazione di brina fino al 60%. Nel frattempo, aggiungere texture su scala millimetrica — serie ottimizzate e frastagliate di picchi e valli osservate in natura — a una superficie può ridurre la formazione di brina fino all’80%.

Per questa scoperta, gli ingegneri presero ispirazione dalla geometria delle foglie di menta. Come spiegò Park all’epoca, le regioni convesse di una foglia vedono più formazione di brina rispetto alle regioni concave (venature), che in realtà ricevono “molto meno brina”.

Mentre questo è stato notato da molto tempo, non c’è stata alcuna spiegazione sul perché e come ciò avvenga. Ha detto:

“Abbiamo scoperto che è la geometria — non il materiale — a controllare questo.”

La geometria ondulata delle foglie fa sì che la brina si formi sui picchi dove la condensazione è aumentata, ma raramente nelle valli, dove la condensazione è soppressa. Qualsiasi piccola quantità di acqua condensata nelle valli delle superfici ondulate evapora, creando un’area priva di brina.

Curiosamente, anche usando un materiale di superficie che attira l’acqua, lo stesso risultato è osservato: l’acqua evapora dalle valli quando è sotto il punto di congelamento.

Usando queste informazioni, il team ha trovato la texture superficiale ottimale, una superficie contenente picchi e valli alti millimetri con angoli di soli 40-60 gradi tra di loro.

La sottile linea di brina che ancora si forma sui picchi di questa superficie può essere scongelata con notevolmente meno energia e elimina la necessità di utilizzare rivestimenti superficiali o liquidi con punti di congelamento più bassi.

“La zona senza brina avvia il processo di scongelamento. Quindi ridurrebbe i materiali e l’energia utilizzati per risolvere i problemi di brina.”

– Park

Nel nuovo studio, il team ha introdotto l’ossido di grafene (GO) nella miscela, che viene aggiunto alle valli piatte per ridurre completamente la formazione di brina, anche nelle valli.

Il GO è stato scelto per le sue eccezionali proprietà igroscopiche, ovvero la capacità del materiale di attrarre e trattenere molecole d’acqua tramite assorbimento. Il tasso di assorbimento del vapore acqueo del GO è 2 volte quello del gel di silice. Inoltre, il GO ha la capacità intrinseca di sopprimere il congelamento delle molecole d’acqua intercalate attraverso effetti di nanoconfinamento.

La nuova superficie ha anche piccoli rigonfiamenti, con una distanza picco-picco di 5 mm. Uno strato sottile di GO, spesso solo 600 micron, è rivestito sulle valli tra i picchi. Secondo Park:

“L’ossido di grafene attira il vapore acqueo e poi confina le molecole d’acqua all’interno della sua struttura. Quindi, lo strato di ossido di grafene agisce come un contenitore per impedire al vapore acqueo di congelare.”

Aggiungere l’ossido di grafene alla superficie macrotesturizzata ha aiutato la superficie a resistere alla brina ad alta supersaturazione per un lungo periodo, rendendo così la superficie ibrida sperimentale “una zona stabile, duratura e priva di brina”.

Puoi guardare una dimostrazione di questa tecnica su YouTube qui, pubblicata sul canale ufficiale della NU:

Mostra come la brina si forma sui picchi a forma di nido d’ape della superficie mentre le valli piatte rimangono prive di brina. Nel video, la superficie a destra ha un sottile rivestimento di GO.

Per dimostrare la superiorità del loro metodo, il team di Park lo ha confrontato con altre superfici anti-brina avanzate.

Rispetto a una resistenza al 100% alla formazione di brina per 150 ore, le superfici super idrorepellenti e impregnate di lubrificante sono state in grado di resistere solo al 5-36% della formazione di brina, e solo per 5 ore. Poi c’è la questione della suscettibilità di altre superfici anti-brina a danni da graffi o contaminazione, “che degrada le prestazioni della superficie nel tempo”.

La superficie ibrida macrotesturizzata-ossido di grafene di Park, d’altra parte, è robusta contro tali danni e, di conseguenza, prolunga la vita della superficie.

Al momento, non esiste un approccio “taglia unica” disponibile sul mercato a causa delle esigenze specifiche di diverse applicazioni. Per esempio, gli aeroplani hanno bisogno solo di pochi secondi di resistenza alla brina rispetto alle linee elettriche, che operano costantemente in ambienti freddi e possono necessitare di giorni o settimane di resistenza alla brina.

La nuova tecnica, secondo i ricercatori, può essere usata per progettare le ali degli aeroplani così come le linee elettriche con adesione al ghiaccio ridotta, al fine di ridurre significativamente i costi di manutenzione annuali. Il metodo può inoltre aiutare a prevenire inefficienze energetiche e favorire il funzionamento sicuro delle infrastrutture in ambienti freddi.

Proteggere l’infrastruttura da climi rigidi

I climi freddi portano con sé il comfort di coperte calde, cioccolata calda e sensazioni festive. Ma allo stesso tempo, comportano una serie di problemi, in particolare sotto forma di problemi di salute e danni alle infrastrutture.

L’accumulo di ghiaccio e neve può compromettere le prestazioni e la sicurezza di navi, parabrezza delle auto, linee elettriche, turbine eoliche e aeroplani. Per questo i ricercatori hanno cercato di affrontare questi problemi.

Le superfici che possono mitigare la crescita del ghiaccio, in particolare, hanno suscitato molto interesse, come abbiamo visto anche nello studio più recente, come alternativa conveniente.

Come abbiamo condiviso all’inizio di quest’anno, i ricercatori del College of Engineering della Drexel hanno ideato un cemento auto-riscaldante che rimuove la neve e la pioggia gelata da solo, senza che sia necessario raschiare, spalare o spargere sale, che danneggia le superfici per tre anni.

Per estendere la vita operativa delle strade e altre infrastrutture e risparmiare sui costi di manutenzione, i ricercatori hanno usato un materiale a cambiamento di fase a bassa temperatura (PCM) paraffina liquida per questo cemento auto-riscaldante. Quando la temperatura scende a ∼0°C o 32°F, il materiale rilascia calore e passa dallo stato liquido a quello solido, provocando lo scioglimento graduale del ghiaccio.

Poi, un team di ricercatori in Canada sviluppò una superficie che respinge la neve da sola combinando le caratteristiche di isolamento termico e superidrofobicità. Il gruppo ha scoperto che l’aerogel di silice minimizzava lo scioglimento della neve e impediva la formazione di uno strato di ghiaccio adesivo, mentre la superidrofobicità riduceva l’area di contatto e respingeva le gocce d’acqua di fusione interfaciali, riducendo ulteriormente la resistenza di adesione della neve.

In un altro studio, i ricercatori cinesi si sono concentrati su superfici superidrofobiche con eccellenti prestazioni anti-ghiaccio e idrorepellenti a basse temperature. Queste superfici, a differenza delle ampiamente studiate superfici superidrofobiche — in particolare per le loro potenziali applicazioni aerospaziali — non sono così ben documentate.

Per creare tali superfici, i ricercatori hanno inciso array di micropillari quadrati su film di nanotubi di carbonio multi-walled (MWCNT)/polidimetilsilossano (PDMS), ottenendo una tripla anti-ghiaccio che rimane attiva anche a −40 °C.

I ricercatori credono che ciò apra nuove possibilità per materiali bionici intelligenti e multifunzionali nelle applicazioni anti-ghiaccio.

Uno studio separato sulle superfici porose impregnate di liquido scivoloso (SLIPS), ampiamente usato come approccio passivo efficace per ridurre i disastri da ghiaccio, ha scoperto che alcune caratteristiche sono fondamentali per la durata. Piccoli pori (circa 100 nm), che esercitano una forte pressione capillare sul lubrificante, e alta porosità (66%), che fornisce un ampio rapporto di contatto lubrificante-liquido, sono particolarmente vantaggiosi per SLIPS anti-ghiaccio durevoli.

Il rivestimento intelligente per tetti tutto l’anno è un altro prodotto che mantiene gli edifici caldi in inverno e freschi in estate. Questo rivestimento non richiede elettricità o gas; utilizza TARC, o rivestimento radiativo adattivo alla temperatura, che spegne automaticamente il raffreddamento radiativo in inverno per garantire che non vi siano sprechi di energia.

Oltre a mirare alle superfici, altri progressi nell’ottimizzazione delle infrastrutture, risparmiando sui costi di manutenzione e proteggendo l’ambiente, includono tegole per tetti adattive, che presentano un interruttore radiativo per rispondere a diverse temperature.

Aziende da considerare

Ora, esamineremo le aziende che possono beneficiare dello sviluppo delle tecnologie anti-brina così come quelle che stanno contribuendo a far progredire questo settore.

Nel settore aerospaziale, Lockheed Martin (LMT ) è un nome popolare, e le superfici resistenti al gelo possono aiutare a migliorare le prestazioni e la durata sia dei suoi aerei militari che commerciali. Le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di 129,26 miliardi di dollari sono attualmente scambiate a 545,35 dollari, in rialzo del 20,32% quest’anno. Ha un EPS (TTM) di 27,65, un P/E (TTM) di 19,73 e un rendimento da dividendo del 2,42%.

Boeing (BA ) è un altro del settore aerospaziale che investe molto in tecnologie di sghiacciamento per migliorare la sicurezza e l’efficienza. Tuttavia, le azioni di questa società da 95 miliardi di dollari sono attualmente scambiate a 155,33 dollari, in calo del 40,69% YTD a causa dei suoi aerei che si stanno deteriorando e whistleblowers che muoiono.

Le aziende come 3M (MMM ) svolgono anche un ruolo importante grazie al loro coinvolgimento nelle innovazioni dei materiali. Le azioni di questa società con una capitalizzazione di mercato di 69 miliardi di dollari sono in rialzo del 16,37% YTD, scambiate a 127,22 dollari con un EPS (TTM) di 7,63 e un P/E (TTM) di 16,68, offrendo un rendimento da dividendo del 2,20%.

1. Raytheon Technologies (RTX )

La tecnica basata su ossido di grafene della NU può aiutare questo fornitore di tecnologia per l’aviazione e la difesa a migliorare le operazioni sicure in ambienti freddi. Raytheon è una società con una capitalizzazione di mercato di 158 miliardi di dollari le cui azioni sono scambiate a 118,75 dollari, in rialzo del 41,13%, con un EPS (TTM) di 3,52, un P/E (TTM) di 33,78 e un rendimento da dividendo del 2,12%.

Per il Q3 2024, le vendite sono state segnalate a 20,1 miliardi di dollari, in aumento del 6% rispetto all’anno precedente, mentre il backlog era di 221 miliardi di dollari. Questo backlog comprendeva 131 miliardi di dollari nel segmento commerciale e 90 miliardi di dollari in quello della difesa. Il flusso di cassa libero alla fine del trimestre era di 2 miliardi di dollari, mentre 1,1 miliardi di dollari di capitale sono stati restituiti agli azionisti.

2. Proto Labs (PRLB )

Affinché queste nuove tecnologie arrivino rapidamente sul mercato, devono essere prodotte altrettanto velocemente. Ed è qui che aziende come Proto Labs possono aiutare. Utilizza stampa 3D, modellazione a iniezione e lavorazione CNC per produrre parti. Questa società con una capitalizzazione di mercato di 955,6 milioni di dollari, le cui azioni sono scambiate a 38,75 dollari, è in calo del 2,46% con un EPS (TTM) di 0,94 e un P/E (TTM) di 40,30.

Per il Q3 2024, ha segnalato 125,6 milioni di dollari di fatturato, con una diminuzione del 3,9% rispetto al Q3 dell’anno scorso. L’utile netto è stato di 7,2 milioni di dollari, mentre l’EBITDA è stato di 17,5 milioni di dollari. Ha servito 22.511 contatti clienti durante questo periodo. Tuttavia, la società ha generato il più alto flusso di cassa operativo trimestrale in quattro anni, che il CEO Dan Schumacher ha detto essere “una testimonianza della redditività del modello di Protolabs rispetto a qualsiasi contesto macro”.

Conclusione

L’ultima scoperta dei ricercatori della Northwestern University, che riduce significativamente la formazione di brina su qualsiasi superficie, ha un notevole potenziale per rendere la vita delle persone più fluida, riducendo il numero di voli cancellati, che possono essere bloccati anche da un leggero strato di brina, e diminuendo l’uso di potenti prodotti chimici sghiaccianti.

Come strumento anti-brina robusto, la superficie ibrida macrotesturizzata-GO può ulteriormente contribuire a ridurre la quantità di energia e i costi necessari per lo sghiacciamento. In questo modo, può trovare ampie applicazioni in settori che richiedono lunghi periodi di anti-brina passiva, tra cui l’aerospazio, la distribuzione di energia e i trasporti.

Nel complesso, tali progressi nella tecnologia anti-brina possono contribuire a fornire soluzioni durevoli e sostenibili alle sfide legate al clima che si verificano ogni anno, contribuendo così a costruire infrastrutture più efficienti e resilienti e avendo un impatto economico significativo.

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