霜は些細に見えるかもしれませんが、航空宇宙分野に甚大な被害をもたらします。グラフェンがこれを変える可能性があります。

毎年、霜が降り、美しく静かな風景を作り出します。この薄い氷の層は、温度が氷点下になると、地面などの固体表面に形成されます。

空気中の水蒸気量が特定の温度で保持できる量を超えると、霜が形成されます。

美しい一方で、霜は潜在的に危険です。滑りやすい表面を削り取るのが面倒なだけでなく、車両のセンサーの機能低下、冷蔵庫や冷凍庫のエネルギー効率低下、電線への重量増加による停電や貴重な野菜や花壇への被害など、他の深刻な問題も引き起こします。

それだけではありません。霜は航空機の失速速度を上昇させ、制御効率を低下させ、ピッチを不安定にし、墜落につながる可能性があります。また、翼の空力特性を変化させ、離陸を妨げ、飛行を危険または不可能にします。

『アイアンマン』のトニー・スタークがスーツに付着した氷を有利に利用できるかもしれませんが、私たちの日常生活でそれを実現することは不可能です。

この何千億ドル規模の問題に対する効果的な解決策が必要であり、ノースウェスタン大学のエンジニアが解決策を見つけました。彼らは霜の形成自体を防ぐ戦略を開発しました。

長期間にわたる霜のない領域の実現

では、解決策は何でしょうか？ノースウェスタン大学のエンジニアが発見した解決策の主要な要素の一つはグラフェンに関係しています。

グラファイトから抽出されたグラフェンは純粋な炭素で構成されており、最も重要な元素の一つであり、自然界で4番目に豊富な元素です。

この材料は特に軽量で知られています。原子1層の厚さだけで、グラフェンは既知の中で最も薄い化合物です。また、非常に頑丈で、鋼の約100〜300倍の強度があります。柔軟性に加えて、グラフェンは電気伝導性が最高で、光の均一な吸収でも評価されています。

これらすべての特性により、グラフェンは複合材料、エレクトロニクス、センサー・イメージング、エネルギー、通信、バイオ医療技術などの分野で有望な応用が期待されています。

ノースウェスタン大学の研究者は現在、この材料を霜対策に利用しています。具体的には、1世紀半前に提案され、近年はグラフェン大量生産の出発材料として使用されている酸化グラフェン（GO）を使用しています。

グラフェンよりも以前に知られているこの炭素系ナノ材料は、強力な酸化剤による天然グラファイトの化学酸化で製造されます。

新しい研究で、エンジニアは表面のテクスチャを変え、薄いGO層を追加することで、表面上の霜の形成を1週間、場合によってはそれ以上完全に防止できることを発見しました。

酸化グラフェンは水蒸気（気体の水）を引き寄せて構造内に閉じ込めることで、実質的に水の凍結を防ぎます。マクロテクスチャ表面と組み合わせると、高い過飽和状態が長時間続きます。

この1週間の霜防止は、既存の高度な防霜表面が達成できるものの千倍以上の期間です。さらに、スケーラブルな新しい表面設計は、傷、ひび割れ、汚染にも耐性があります。

このテクスチャ化された表面をインフラに組み込むことで、企業や政府はエネルギー効率の低下による年間数十億ドルの節約と保守コストの回避が可能になると研究者は推定しています。ノースウェスタン大学マッコーミック工学部機械工学助教授で本研究のリーダーであるKyoo‑Chul Kenneth Parkによれば：

“不要な霜の蓄積は、産業、住宅、政府部門全体で大きな懸念事項です。”

本会計年度、同大学は記録的な10億5,000万ドルの研究資金を確保し、前年から5％増加しました。

パークは、2021年のテキサス州の電力危機が、氷、霜、極端な低温が5日以上続いた直接的な結果として、1950億ドルもの被害をもたらし、450万世帯に影響を与えたことを指摘しました。

“したがって、極端な環境条件下で長期間にわたり堅牢な防霜技術を開発することが重要です。”

– パーク（国際ナノテクノロジー研究所およびポーラ・M・トリエネンス持続可能性・エネルギー研究所の教員）

しかし、必要なのは防霜技術だけでなく、製造が容易で実装しやすいものでもあります。その観点から、研究者は耐久性があり、スケーラブルで、3Dプリンティングで容易に製造でき、数週間にわたり霜の付着を防げるハイブリッド防霜手法を開発しました。

葉の形状とGOの吸湿特性の組み合わせ

この新しい研究は、2020年のパークチームの先行研究に基づいており、テクスチャを変えることで霜の形成を最大60％削減できることが分かっていました。一方、自然に見られるようなミリメートルスケールの最適化されたギザギザの山と谷のテクスチャを表面に加えることで、霜の形成を最大80％削減できます。

この発見のために、エンジニアはミントの葉の形状からインスピレーションを得ました。パークは当時、葉の凸部は凹部（葉脈）よりも多く霜が付着し、実際に「はるかに少ない霜」になると説明しました。

これは長い間観察されてきましたが、なぜそうなるのかという説明はありませんでした。彼は次のように述べました：

“私たちは、これを支配しているのは材料ではなく形状だと発見しました。”

葉の波打つ形状は、凹部では凝縮が抑制され、山部で凝縮が促進されるため、霜は山部に形成されやすく、谷部ではほとんど形成されません。波状表面の谷部にある少量の凝縮水は蒸発し、霜のない領域が生まれます。

興味深いことに、水を引き寄せる表面材料を使用しても、同様の結果が観察されます。凍結点以下では、谷部の水が蒸発します。

この情報を基に、チームは最適な表面テクスチャを見つけました。それは、ミリメートル高さの山と谷があり、間の角度が40〜60度の表面です。

この表面の山部にまだ形成される薄い霜は、はるかに少ないエネルギーで除霜でき、低霜点のコーティングや液体を使用する必要がなくなります。

“無霜領域が除霜プロセスを開始します。したがって、霜問題の解決に使用される材料とエネルギーを削減できます。”

– パーク

新しい研究では、チームは混合物に酸化グラフェン（GO）を導入し、平坦な谷部に追加して、谷部でも霜の形成を完全に抑制しました。

GOは、材料が吸収によって水分子を引き寄せ保持する優れた吸湿特性のために選ばれました。GOの水蒸気吸収率はシリカゲルの2倍です。また、ナノ閉鎖効果により、層間に挿入された水分子の凍結を抑制する固有の能力があります。

新しい表面には、山間距離が5mmの小さな突起もあります。厚さ600マイクロメートルの薄いGO層が山と山の間の谷にコーティングされています。パークによれば：

“酸化グラフェンは水蒸気を引き寄せ、構造内に水分子を閉じ込めます。したがって、酸化グラフェン層は水蒸気の凍結を防ぐ容器のように機能します。”

マクロテクスチャ表面に酸化グラフェンを添加することで、表面は高過飽和状態でも長時間霜に耐え、実験的ハイブリッド表面は「安定した長期的な無霜ゾーン」になりました。

この技術のデモンストレーションは、公式NUチャンネルに掲載されたYouTubeでご覧いただけます：

動画は、表面のハニカム形状の山部に霜が形成され、平坦な谷部は霜が付かない様子を示しています。右側の表面は薄いGOコートが施されています。

手法の優位性を示すために、パークチームは他の高度な防霜表面と比較しました。

150時間で100％の霜形成抵抗を示すのに対し、超撥水および潤滑剤注入表面は霜形成の5〜36％しか抵抗できず、しかも5時間だけでした。また、他の防霜表面は擦り傷や汚染による損傷に対して脆弱であり、”時間とともに表面性能が低下する”という問題があります。

一方、パークのハイブリッドマクロテクスチャ‑酸化グラフェン表面はこのような損傷に対して堅牢であり、表面の寿命を延長します。

現在、市場には異なる用途の特定のニーズに応える「万能」アプローチはありません。例えば、航空機は数秒の霜抵抗で十分ですが、電線は常に寒冷環境で稼働し、数日から数週間の霜抵抗が必要です。

研究者によれば、この新技術は航空機の翼や電線の設計に利用でき、氷の付着を減らすことで年間の保守コストを大幅に削減できます。また、エネルギー効率の低下を防ぎ、寒冷環境でのインフラの安全な運用を支援します。

過酷な気候からインフラを守る

寒冷な気候は、暖かい毛布やホットチョコレート、祝祭的な雰囲気といった快適さをもたらしますが、同時に特に健康問題やインフラ損傷という独自の課題ももたらします。

氷や雪の蓄積は、船舶、車のフロントガラス、電線、風力タービン、航空機の性能と安全性を損なう可能性があります。そのため、研究者はこれらの問題に取り組んできました。

特に氷の成長を抑制できる表面は、最新の研究でも見られるように、コスト効果の高い代替手段として大きな関心を集めています。

今年初めに共有したように、ドレクセル工学部の研究者は、除雪や凍結雨を自ら除去できる自己加熱コンクリートを開発しました。これにより、削ったり、雪かきしたり、塩を撒いたりする必要がなく、3年間表面に悪影響を与えることがありません。

道路やその他インフラの稼働寿命を延ばし、保守費用を削減するために、研究者は低温相変化材料（PCM）である液体パラフィンをこの自己加熱コンクリートに使用しました。温度が約0°C（32°F）になると、材料は熱を放出し液体から固体に変化し、氷が徐々に溶けます。

続いて、カナダの研究チームは開発し、断熱性と超疎水性を組み合わせた自己除雪表面を作りました。シリカエアロゲルは雪の溶解を最小限に抑え、付着氷層の形成を防ぎ、超疎水性は接触面積を減らし、界面の融水滴をはじくことで雪の付着強度をさらに低下させました。

別の研究では、中国の研究者が注目し、低温で優れた防氷・撥水性能を持つ超疎水性表面を開発しました。これらの表面は、航空宇宙分野での潜在的応用が期待される広く研究されている超疎水性表面とは異なり、報告が少ないです。

研究者は、マルチウォールドカーボンナノチューブ（MWCNT）/ポリ（ジメチルシロキサン）（PDMS）フィルムに正方形のマイクロピラー配列をエッチングし、−40°Cでも活性化された三重の氷撥水性を実現しました。

研究者は、これが氷撥水用途におけるバイオニックなスマート多機能材料の新たな可能性を開くと考えています。

滑りやすい液体注入多孔質表面（SLIPS）に関する別の研究では、耐久性に重要な特徴があることが分かりました。小さな孔（約100nm）は潤滑剤に強い毛細管圧を与え、高い多孔率（66％）は潤滑剤と液体の接触面積を大きくし、耐久性のある防氷SLIPSに特に有益です。

オールシーズン対応のスマート屋根コーティングは、冬は建物を暖かく、夏は涼しく保ちます。このコーティングは電気やガスを必要とせず、TARC（温度適応放射コーティング）を使用し、冬には放射冷却を自動的にオフにしてエネルギー無駄を防ぎます。

表面だけでなく、メンテナンスコスト削減と環境保護を実現するインフラ改善の他の進展として、温度に応じて放射スイッチを備えた適応型屋根タイルがあります。

注目すべき企業

ここでは、防霜技術の開発から恩恵を受ける企業と、この分野の進展に貢献している企業を見ていきます。

航空宇宙分野では、ロッキード・マーティン (LMT ) は有名な企業で、霜耐性表面は同社の軍事機と民間機の性能と耐久性を向上させるのに役立ちます。この企業は1,292.6億ドルの時価総額を持ち、株価は現在545.35ドルで、今年は20.32％上昇しています。EPS（TTM）は27.65、P/E（TTM）は19.73、配当利回りは2.42％です。

ボーイング (BA ) も航空宇宙分野の企業で、除氷技術への投資を大幅に行い、安全性と効率性を向上させています。しかし、この950億ドル規模の企業の株価は現在155.33ドルで、年初来40.69％下落しています。その原因は、同社の航空機が故障し、内部告発者が死亡したことにあります。

3M (MMM ) も材料イノベーションに関与している重要な企業です。この690億ドル規模の企業の株価は現在127.22ドルで、年初来16.37％上昇しています。EPS（TTM）は7.63、P/E（TTM）は16.68、配当利回りは2.20％です。

1. レイセオン・テクノロジーズ

NUの酸化グラフェン技術は、この航空・防衛テクノロジー企業が寒冷環境での安全な運用を向上させるのに役立ちます。レイセオンは時価総額1,580億ドルの企業で、株価は118.75ドル（41.13％上昇）で、EPS（TTM）は3.52、P/E（TTM）は33.78、配当利回りは2.12％です。

2024年第3四半期の売上高は報告され、201億ドルで前年比6％増加しました。受注残は2,210億ドルで、うち商業部門が1,310億ドル、防衛部門が900億ドルです。四半期末のフリーキャッシュフローは20億ドルで、資本の11億ドルが株主に還元されました。

2. プロト・ラボス

これらの新技術を市場に迅速に投入するには、同様に速く製造する必要があります。その点で、プロト・ラボスのような企業が役立ちます。同社は3Dプリンティング、射出成形、CNC加工を利用して部品を製造しています。この時価総額9億5,560万ドルの企業は株価38.75ドルで、2.46％下落していますが、EPS（TTM）は0.94、P/E（TTM）は40.30です。

2024年第3四半期には、同社は報告し、売上高は1億2,560万ドルで、前年同期比3.9％減少しました。純利益は720万ドル、EBITDAは1,750万ドルでした。この期間に22,511件の顧客取引を行いました。しかし、同社は過去4年間で最高の四半期営業キャッシュフローを記録し、CEOのダン・シュマッカーは「どんなマクロ環境でもプロトラボスのモデルの収益性を示す証拠だ」と述べました。

結論

ノースウェスタン大学の研究者による、あらゆる表面での霜形成を大幅に削減する最新の発見は、わずかな霜層で欠航するフライト数を減らし、強力な除氷剤の使用を削減することで、人々の生活をより円滑にする大きな可能性を秘めています。

堅牢な防霜ツールとして、ハイブリッドマクロテクスチャ‑GO表面は除霜に必要なエネルギーとコストをさらに削減できます。このように、航空宇宙、電力配電、輸送など、長時間の受動的防霜が求められる産業での応用が期待されます。

全体として、このような防霜技術の進歩は、毎年経験する気象関連の課題に対し、耐久性と持続可能性を備えたソリューションを提供し、結果としてより効率的でレジリエントなインフラの構築に寄与し、重要な経済的影響をもたらします。

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