Vorst lijkt alledaags, maar veroorzaakt chaos in de luchtvaartsector. Graphene kan dit veranderen.

Elk jaar komt vorst en creëert prachtige en serene landschappen. Deze dunne ijslaag vormt zich op een vaste ondergrond, zoals de grond, wanneer de temperatuur tot het vriespunt of lager daalt.

Wanneer de lucht meer waterdamp bevat dan het bij een bepaalde temperatuur kan vasthouden, ontstaat er vorst.

Hoewel het mooi is, kan vorst ook gevaarlijk zijn. Het kan niet alleen een hoofdpijn zijn om gladde oppervlakken te schrapen, maar leidt ook tot andere ernstige problemen zoals verminderde werking van voertuigsensoren, een lagere energie‑efficiëntie van koelkasten en vriezers, extra gewicht op stroomkabels dat kan leiden tot uitval en schade aan uw kostbare groente‑ en bloementuin.

Dit is nog niet alles. Vorst heeft ook een negatieve invloed op vliegtuigen door de stroomsnelheid te verminderen, de controle‑efficiëntie te verlagen en de pitch te destabiliseren, wat kan leiden tot crashes. Het verstoort bovendien de start van vliegtuigen door de aerodynamische eigenschappen van de vleugels te veranderen, waardoor vluchten gevaarlijk of zelfs onmogelijk worden.

Hoewel Tony Stark in Iron Man het ijsopslag op zijn pak in zijn voordeel kan gebruiken en tegen zijn tegenstander, is dit simpelweg niet mogelijk voor ons in het gewone leven.

Wat we nodig hebben is een effectieve oplossing voor dit miljarden‑dollar probleem, en ingenieurs van Northwestern University hebben er een gevonden. Zij hebben een strategie ontwikkeld die voorkomt dat vorst zich überhaupt vormt.

Bereiken van vorstvrije gebieden voor lange periodes

Dus, wat is de oplossing? Een van de belangrijkste componenten van de oplossing die NU‑ingenieurs hebben ontdekt draait om graphene.

Afkomstig van grafiet, bestaat graphene uit zuiver koolstof, een van de belangrijkste en vierde meest voorkomende natuurlijke elementen.

Dit materiaal staat vooral bekend om zijn lichtgewicht. Met slechts één atoom dik is graphene de dunste bekende verbinding. Het is bovendien behoorlijk sterk, ongeveer 100‑300 × sterker dan staal. Naast zijn flexibiliteit is graphene de beste geleider van elektriciteit en staat het bekend om zijn uniforme absorptie van licht.

Al deze eigenschappen geven graphene veelbelovende toepassingen in gebieden zoals composieten, elektronica, sensoren en beeldvorming, energie, telecommunicatie en biomedische technologieën.

Onderzoekers van Northwestern University gebruiken dit materiaal nu om vorst aan te pakken. Specifiek gebruiken ze graphene‑oxide (GO), een verbinding die meer dan anderhalve eeuw geleden werd voorgesteld en de afgelopen jaren is gebruikt als een potentieel startmateriaal voor de massaproductie van graphene.

Dit op koolstof gebaseerde nanomateriaal, dat veel eerder dan graphene bekend was, wordt geproduceerd door chemische oxidatie van natuurlijk grafiet met sterke oxidanten.

In de nieuwe studie ontdekten de ingenieurs dat het veranderen van de textuur van een oppervlak en vervolgens het toevoegen van een dunne laag GO de vorming van vorst op oppervlakken volledig voorkomt gedurende een week, mogelijk zelfs langer.

Wat graphene‑oxide doet, is dat het waterdamp – water in gasvorm – aantrekt en vervolgens vasthoudt binnen zijn structuur, waardoor het water niet kan bevriezen. Wanneer het wordt gecombineerd met een macro‑textuur oppervlak, leidt dit tot een langdurige periode van hoge supersaturatie.

Deze weeklange vorstpreventie is duizend keer langer dan wat wordt bereikt door de bestaande, geavanceerde anti‑vorst oppervlakken. Bovendien is het nieuwe, schaalbare oppervlak ook bestand tegen krassen, scheuren en verontreiniging.

Het integreren van dit getextureerde oppervlak in infrastructuur kan bedrijven en overheden helpen miljarden dollars per jaar te besparen op energie‑inefficiënties en onderhoudskosten te vermijden, schatten de onderzoekers. Volgens studie‑leider Kyoo‑Chul Kenneth Park, assistent‑professor mechanische techniek aan de McCormick School of Engineering van NU:

“Ongewenste vorstaccumulatie is een groot probleem in de industriële, residentiële en overheidssectoren.”

Dit fiscale jaar heeft de universiteit een record van $1,05 mrd aan onderzoeksfinanciering veiliggesteld, een stijging van 5 % ten opzichte van vorig jaar.

Park verwees naar hoe de stroomcrisis van 2021 in Texas een schade van maar liefst $195 mrd veroorzaakte, direct het gevolg van ijs, vorst en extreme koudecondities gedurende meer dan 5 dagen, die 4,5 miljoen huishoudens troffen.

“Daarom is het cruciaal anti‑vorst technieken te ontwikkelen die robuust zijn voor lange periodes onder extreme omgevingscondities.”

– Park, een faculteitsmedewerker van het International Institute for Nanotechnology en het Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

We hebben echter niet alleen anti‑vorst technieken nodig, maar ook die gemakkelijk te fabriceren en te implementeren zijn. Met dat in gedachten hebben de onderzoekers hun hybride anti‑vorst methode gecreëerd, die duurzaam, schaalbaar, gemakkelijk te fabriceren via 3D‑printen, en wekenlang vorst kan weerstaan.

De geometrie van bladeren combineren met de hygroscopische eigenschappen van GO

De nieuwe studie bouwt eigenlijk voort op het eerdere werk van Park’s team in 2020, waarin ze ontdekten dat het veranderen van de textuur de vorstvorming met tot wel 60 % vermindert. Ondertussen kan het toevoegen van texturen op millimeterschaal — geoptimaliseerde, gekartelde series van pieken en dalen zoals in de natuur — een oppervlak de vorming van vorst met tot 80 % verminderen.

Voor deze ontdekking haalde de ingenieurs inspiratie uit de geometrie van muntbladeren. Zoals Park destijds uitlegde, zien de convexen delen van een blad meer vorstvorming dan de concave (ader) gebieden, die eigenlijk “veel minder vorst” krijgen.

Hoewel dit al lange tijd is opgemerkt, was er geen verklaring waarom en hoe dit gebeurt. Hij zei:

“We hebben ontdekt dat het de geometrie is — niet het materiaal — die dit bepaalt.”

De golvende geometrie van bladeren betekent dat vorst zich vormt op de pieken waar condensatie wordt versterkt, maar zelden in de dalen, waar condensatie wordt onderdrukt. Hoe klein ook de hoeveelheid gecondenseerd water in de dalen van golvende oppervlakken is, verdampt het, wat leidt tot een vorstvrij gebied.

Interessant genoeg wordt hetzelfde resultaat waargenomen zelfs bij een oppervlak dat water aantrekt: water verdampt uit de dalen wanneer de temperatuur onder het vriespunt ligt.

Met deze informatie vond het team de optimale oppervlaktextuur, een oppervlak met millimeter‑hoge pieken en dalen met slechts 40‑60‑graden hoeken ertussen.

De dunne vorstlijn die nog steeds op de pieken van dit oppervlak vormt, kan met aanzienlijk minder energie worden ontdooid en maakt het gebruik van oppervlaktecoatings of vloeistoffen met lagere vorstpunten overbodig.

“Het vorstvrije gebied initieert het ontdooiproces. Dus het zou de materialen en energie die nodig zijn om vorstproblemen op te lossen, verminderen.”

– Park

In de nieuwe studie introduceerde het team graphene‑oxide (GO) in het mengsel, dat wordt toegevoegd aan vlakke dalen om de vorstvorming volledig te verminderen, zelfs in de dalen.

GO werd gekozen vanwege zijn uitzonderlijke hygroscopische eigenschappen, het vermogen van het materiaal om watermoleculen aan te trekken en vast te houden via absorptie. De waterdampabsorptiesnelheid van GO is 2 × die van silicagel. Vervolgens heeft GO het intrinsieke vermogen om het bevriezen van geïntercaleerde watermoleculen te onderdrukken door nanoconfinement‑effecten.

Het nieuwe oppervlak heeft ook kleine bobbels, met een piek‑tot‑piek afstand van 5 mm. Een dunne laag GO, slechts 600 micron dik, wordt aangebracht op de dalen tussen de pieken. Volgens Park:

“Graphene‑oxide trekt waterdamp aan en vervolgens houdt het watermoleculen binnen zijn structuur vast. Dus, de graphene‑oxide laag fungeert als een container om te voorkomen dat waterdamp bevriest.”

Het toevoegen van graphene‑oxide aan het macro‑textuur oppervlak hielp het oppervlak om vorst te weerstaan bij hoge supersaturatie gedurende een lange periode, waardoor het experimentele hybride oppervlak een “stabiele, langdurige, vorstvrije zone” werd.

U kunt een demonstratie van deze techniek op YouTube bekijken, die is geplaatst op het officiële NU‑kanaal:

Het toont hoe vorst zich vormt op de honingraat‑vormige pieken van het oppervlak terwijl de vlakke dalen vorstvrij blijven. In de video heeft het oppervlak rechts een dunne laag GO.

Om de superioriteit van hun methode te demonstreren, vergeleek het Park‑team het met andere geavanceerde anti‑vorst oppervlakken.

Vergeleken met 100 % vorstvormingresistentie gedurende 150 uur, konden super waterafstotende en met smeermiddel doordrenkte oppervlakken slechts 5‑36 % van de vorstvorming weerstaan, en dat slechts gedurende 5 uur. Daarnaast is er de kwestie van de gevoeligheid van andere anti‑vorst oppervlakken voor schade door krassen of verontreiniging, “wat de oppervlakte‑prestaties na verloop van tijd degradeert.”

Het hybride macro‑textuur‑graphene‑oxide oppervlak van Park daarentegen is robuust tegen dergelijke schade en verlengt daardoor de levensduur van het oppervlak.

Op dit moment is er geen ‘one-size-fits-all’ benadering beschikbaar op de markt vanwege de specifieke behoeften van verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, vliegtuigen hebben slechts enkele seconden vorstresistentie nodig, in vergelijking met stroomleidingen, die continu in koude omgevingen opereren en dagen of weken vorstresistentie kunnen vereisen.

De nieuwe techniek kan volgens de onderzoekers worden gebruikt om vliegtuigvleugels en stroomleidingen te ontwerpen met verminderde ijsadhesie, om zo de jaarlijkse onderhoudskosten aanzienlijk te verlagen. De methode kan bovendien helpen energie‑inefficiënties te voorkomen en bijdragen aan de veilige werking van infrastructuur in koude omgevingen.

De infrastructuur beschermen tegen barre klimaten

Koude klimaten brengen het comfort van warme dekens, warme chocolademelk en feestelijke gevoelens met zich mee. Maar tegelijkertijd brengen ze hun eigen reeks problemen, met name in de vorm van gezondheidsproblemen en infrastructuurschade.

De ophoping van ijs en sneeuw kan de prestaties en veiligheid van schepen, autoruiten, stroomleidingen, windturbines en vliegtuigen aantasten. Daarom zoeken onderzoekers naar oplossingen voor deze problemen.

Oppervlakken die ijsgroei kunnen beperken, krijgen met name veel aandacht, zoals we ook zagen in de nieuwste studie, als een kosteneffectief alternatief.

Zoals we eerder dit jaar deelden, hebben onderzoekers van het College of Engineering van Drexel zelfverwarmend beton ontwikkeld dat sneeuw en ijzel zelfstandig opruimt, zonder dat iemand hoeft te schrapen, te harken of te zouten, wat de oppervlakken drie jaar negatief beïnvloedt.

Om de operationele levensduur van wegen en andere infrastructuur te verlengen en geld te besparen op onderhoud, gebruikten onderzoekers een laagtemperatuur-faseovergangsmateriaal (PCM) vloeibare paraffine voor dit zelfverwarmende beton. Wanneer de temperatuur daalt tot ≈0 °C of 32 °F, geeft het materiaal warmte af en verandert van vloeistof naar vaste stof, wat leidt tot geleidelijke smelting van het ijs.

Vervolgens ontwikkelde een onderzoeksteam in Canada een oppervlak dat sneeuw zelfstandig afstoot door de eigenschappen van thermische isolatie en superhydrofobiciteit te combineren. De groep ontdekte dat silica‑aerogel het smelten van sneeuw minimaliseert en de vorming van een hechtend ijslaag voorkomt, terwijl superhydrofobiciteit het contactoppervlak verkleint en interfaciale smeltwaterdruppels afstoot, waardoor de sneeuwadhesiekracht verder wordt verlaagd.

In een andere studie richtten Chinese onderzoekers zich op superhydrofobe oppervlakken met uitstekende anti‑bevriezings- en waterafstotende prestaties bij lage temperaturen. Deze oppervlakken, in tegenstelling tot veel bestudeerde superhydrofobe oppervlakken — met name voor hun potentiële luchtvaarttoepassingen — zijn minder goed gerapporteerd.

Om dergelijke oppervlakken te creëren, etsden de onderzoekers vierkante micropilaar‑arrays op multi-walled carbon nanotube (MWCNT)/poly(dimethylsiloxane) (PDMS) films, wat resulteerde in drievoudige ijs‑afstotendheid die zelfs bij −40 °C geactiveerd blijft.

Onderzoekers geloven dat dit nieuwe mogelijkheden opent voor bionische slimme multifunctionele materialen in ijs‑afstotende toepassingen.

Een apart onderzoek naar slippery liquid‑infused porous surfaces (SLIPSs), die veel worden gebruikt als een effectieve passieve aanpak om bevriezingsrampen te verminderen, vond dat bepaalde kenmerken cruciaal zijn voor duurzaamheid. Kleine poriën (ongeveer 100 nm), die een sterke capillaire druk op het smeermiddel uitoefenen, en een hoge porositeit (66 %), die een groot contactoppervlak tussen smeermiddel en vloeistof biedt, zijn bijzonder gunstig voor duurzame anti‑icing SLIPS.

All‑season smart‑roof coating is een andere oplossing die gebouwen warm houdt in de winter en koel in de zomer. Deze coating vereist geen elektriciteit of gas; het maakt gebruik van TARC, of temperature‑adaptive radiative coating, die de radiatieve koeling in de winter automatisch uitschakelt om energieverspilling te voorkomen.

Naast het richten op oppervlakken omvatten andere vooruitgangen in infrastructuurverbetering, die onderhoudskosten besparen en het milieu beschermen, adaptieve dakpannen, die een radiatieve schakelaar hebben om op verschillende temperaturen te reageren.

Bedrijven om in de gaten te houden

In de luchtvaartsector is Lockheed Martin (LMT ) een bekende naam, en vorstbestendige oppervlakken kunnen helpen de prestaties en duurzaamheid van zowel hun militaire als commerciële vliegtuigen te verbeteren. Het bedrijf met een marktkapitalisatie van $129,26 mrd heeft aandelen die momenteel handelen op $545,35, een stijging van 20,32 % dit jaar. Het heeft een EPS (TTM) van 27,65, een P/E (TTM) van 19,73, en een dividendrendement van 2,42 %.

Boeing (BA ) is een andere speler uit de luchtvaartsector die ook zwaar investeert in de-icing technologieën om veiligheid en efficiëntie te verbeteren. Echter, dit $95 mrd bedrijf heeft momenteel aandelen die handelen op $155,33, een daling van 40,69 % YTD vanwege zijn vliegtuigen die uit elkaar vallen en klokkenluiders die sterven.

Bedrijven zoals 3M (MMM ) spelen ook een belangrijke rol vanwege hun betrokkenheid bij materiaalinnovaties. Dit $69 mrd marktkapitalisatie bedrijf heeft aandelen die met 16,37 % YTD stijgen en handelen op $127,22 met een EPS (TTM) van 7,63 en een P/E (TTM) van 16,68 terwijl het een dividendrendement van 2,20 % uitkeert.

1. Raytheon Technologies (RTX )

De op graphene‑oxide gebaseerde techniek van NU kan deze luchtvaart‑ en defensietechnologie‑leverancier helpen veiligere operaties in koude omgevingen te realiseren. Raytheon is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $158 mrd waarvan de aandelen handelen op $118,75, een stijging van 41,13 %, met een EPS (TTM) van 3,52, een P/E (TTM) van 33,78, en een dividendrendement van 2,12 %.

Voor Q3 2024 werden de verkopen gerapporteerd op $20,1 mrd, een stijging van 6 % ten opzichte van het voorgaande jaar, terwijl de backlog $221 mrd bedroeg. Deze backlog omvatte $131 mrd in de commerciële en $90 mrd in de defensiesegmenten. De vrije kasstroom aan het einde van het kwartaal bedroeg $2 mrd, terwijl $1,1 mrd aan kapitaal werd teruggegeven aan aandeelhouders.

2. Proto Labs (PRLB )

Om deze nieuwe technologieën snel op de markt te krijgen, moeten ze even snel geproduceerd worden. En daar kunnen bedrijven zoals Proto Labs bij helpen. Het maakt gebruik van 3D‑printen, injectiemodellering en CNC‑bewerking om onderdelen te vervaardigen. Dit $955,6 mln marktkapitalisatie bedrijf, waarvan de aandelen handelen op $38,75, daalt 2,46 % en heeft een EPS (TTM) van 0,94 en een P/E (TTM) van 40,30.

Voor Q3 2024 rapporteerde het $125,6 mln aan omzet, een daling van 3,9 % ten opzichte van Q3 vorig jaar. De nettowinst bedroeg $7,2 miljoen, terwijl de EBITDA $17,5 miljoen was. Het bediende 22.511 klantcontacten gedurende deze periode. Het bedrijf genereerde echter wel de hoogste operationele kasstroom in een kwartaal in vier jaar, wat CEO Dan Schumacher zei “een bewijs is van de winstgevendheid van het Protolabs‑model, ongeacht de macro‑omgeving”.

Conclusie

De nieuwste ontdekking van onderzoekers van Northwestern University om de vorming van vorst op elk oppervlak aanzienlijk te verminderen, heeft een groot potentieel om het leven van mensen soepeler te maken door het aantal geannuleerde vluchten te verlagen, die al door de kleinste vorstlaag kunnen worden stilgelegd, en het gebruik van sterke ontdooimiddelen te verminderen.

Als een robuuste anti‑vorst tool kan het hybride macro‑textuur‑GO oppervlak bovendien helpen de hoeveelheid energie en kosten die nodig zijn voor ontdooien te verminderen. Op deze manier kan het sterk worden toegepast in sectoren die lange passieve anti‑vorst tijden vereisen, waaronder de luchtvaart, stroomdistributie en transport.

Over het geheel genomen kunnen dergelijke vooruitgangen in anti‑vorst technologie duurzame en robuuste oplossingen bieden voor weergerelateerde uitdagingen die elk jaar worden ervaren, wat op zijn beurt helpt om efficiëntere en veerkrachtigere infrastructuur te bouwen en een aanzienlijke economische impact heeft.

Klik hier om alles te leren over zelfverwarmend beton.