Frost kan virke trivielt, men den forårsaker kaos i luftfartssektoren. Graphen kan endre dette.

Hvert år kommer frosten og skaper vakre og rolige landskap. Dette tynne laget av is dannes på en fast overflate som bakken når temperaturen faller til frysepunktet eller lavere.

Når luften inneholder mer vanndamp enn den kan holde på ved en bestemt temperatur, dannes frost.

Selv om den er vakker, kan frost også være potensielt farlig. Ikke bare kan det være en hodepine å skrape av glatte overflater, men den fører også til andre alvorlige problemer som svekkede kjøretøysensorer, redusert energieffektivitet i kjøleskap og frysebokser, ekstra vekt på kraftlinjer som kan forårsake strømbrudd og skade din verdifulle grønnsaks- og blomsterhage.

Dette er ikke alt. Frost påvirker også fly negativt ved å redusere stallhastigheten, svekke kontrollens effektivitet og destabilisere pitch, noe som kan føre til krasj. Den forstyrrer også flytakeoff ved å endre vingens aerodynamiske egenskaper, noe som gjør flyvninger farlige eller til og med umulige.

Mens Tony Stark i Iron Man kanskje kan bruke isoppbyggingen på drakten til sin fordel mot motstanderen, er dette simpelthen ikke mulig for oss i våre vanlige liv.

Det vi trenger er en effektiv løsning på dette flere hundre milliarder dollar store problemet, og ingeniører fra Northwestern University har funnet en. De har utviklet en strategi som forhindrer at frost dannes i utgangspunktet.

Oppnå frostfrie områder over lange tidsperioder

Så, hva er løsningen? Vel, en av hovedkomponentene i løsningen som NU-ingeniører har oppdaget dreier seg om grafen.

Utvunnet fra grafitt, er grafen laget av rent karbon, ett av de viktigste og fjerde mest forekommende naturlige elementene.

Dette materialet er spesielt kjent for å være lett. Med kun én atomtykkelse er grafen det tynneste kjente stoffet. Det er også ganske sterkt, omtrent 100–300 ganger sterkere enn stål. I tillegg til sin fleksibilitet er grafen den beste lederen av elektrisitet og er kjent for sin jevne absorpsjon av lys.

Alle disse egenskapene gir grafen lovende anvendelser innen områder som kompositter, elektronikk, sensorer og bildeteknologi, energi, telekommunikasjon og biomedisinsk teknologi.

Forskere ved Northwestern University bruker nå dette materialet for å bekjempe frost. Spesielt bruker de grafenoksid (GO), en forbindelse foreslått for over ett og et halvt århundre siden og som har blitt brukt de siste årene som et potensielt startmateriale for masseproduksjon av grafen.

Dette karbonbaserte nanomaterialet, kjent lenge før grafen, produseres gjennom kjemisk oksidasjon av naturlig grafitt ved hjelp av sterke oksidanter.

I den nye studien fant ingeniørene at endring av teksturen på en overflate og deretter påføring av et tynt lag med GO fullstendig forhindrer dannelsen av frost på overflater i en uke, muligens enda lenger.

Hva grafenoksid gjør er at det tiltrekker og deretter fanger vanndamp – vann i gassform – innen sin struktur, og effektivt hindrer vannet i å fryse. Når det kombineres med en makroteksturert overflate, fører det til en forlengt periode med høy supersaturasjon.

Denne ukelange frostforebyggingen er tusen ganger lengre enn det som oppnås med eksisterende, avanserte anti-frostoverflater. I tillegg er det nye overflatedesignet, som er skalerbart, også motstandsdyktig mot riper, sprekker og forurensning.

Å integrere denne strukturerte overflaten i infrastruktur kan hjelpe selskaper og myndigheter med å spare milliarder av dollar årlig på energitap og unngå vedlikeholdskostnader, anslår forskerne. Ifølge studieleder Kyoo-Chul Kenneth Park, som er førsteamanuensis i maskinteknikk ved McCormick School of Engineering ved NU:

“Uønsket frostakkumulering er en stor bekymring på tvers av industrielle, bolig- og offentlige sektorer.”

Dette regnskapsåret sikret universitetet en rekord på 1,05 milliarder dollar i forskningsmidler, en økning på 5 % fra året før.

Park påpekte hvordan kraftkrisen i Texas i 2021 kostet enorme 195 milliarder dollar i skader, som var en direkte følge av is, frost og ekstreme kuldeforhold i over fem dager, og påvirket 4,5 millioner husholdninger.

“Derfor er det kritisk å utvikle anti-frostteknikker som er robuste over lange tidsperioder under ekstreme miljøforhold.”

– Park, en fakultetsmedlem ved International Institute for Nanotechnology og Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Imidlertid trenger vi ikke bare anti-frostteknikker, men også de som er enkle å fremstille og implementere. Med dette i tankene utviklet forskerne sin hybride anti-frostmetode, som er holdbar, skalerbar, enkel å fremstille via 3D‑printing, og kan hindre frost i flere uker.

Kombinere bladets geometri med GOs hygroskopiske egenskaper

Den nye studien bygger faktisk på tidligere arbeid fra Parks team i 2020, hvor de fant at endring av tekstur reduserer frostdannelse med opptil 60 %. Samtidig kan tilføring av teksturer i millimeter‑skala – optimaliserte, taggete serier av topper og daler som observert i naturen – på en overflate redusere frostdannelse med opptil 80 %.

For denne oppdagelsen tok ingeniørene inspirasjon fra geometrien til mynteblader. Som Park forklarte på den tiden, ser de konvekse områdene av et blad mer frostdannelse enn de konkave (årene) områdene, som faktisk får “mye mindre frost.”

Han sa:

“Vi fant at det er geometrien – ikke materialet – som styrer dette.”

Den bølgende geometrien til blader betyr at frost dannes på topper hvor kondensasjon er forsterket, men sjelden i dalene hvor kondensasjon er undertrykt. Den lille mengden kondensert vann i dalene på bølgende overflater fordamper, noe som fører til et frostfritt område.

Interessant nok, selv ved bruk av et overflatemateriale som tiltrekker vann, observeres det samme: vann fordamper fra dalene når temperaturen er under frysepunktet.

Med denne informasjonen fortsatte teamet med å finne den optimale overflateteksturen, som var en overflate med millimeterhøye topper og daler med kun 40–60 graders vinkler mellom dem.

Den tynne linjen av frost som fortsatt dannes på denne overflatens topper kan avfroste med betydelig mindre energi og fjerner behovet for å bruke overflatebelegg eller væsker med lavere frysepunkt.

“Den frostfrie regionen initierer avfrostingsprosessen. Så den vil redusere materialene og energien som brukes til å løse frostproblemer.”

– Park

I den nye studien introduserte teamet grafenoksid (GO) i blandingen, som tilsettes i flate daler for å redusere frostdannelse fullstendig, også i dalene.

GO ble valgt på grunn av sine eksepsjonelle hygroskopiske egenskaper, som er materialets evne til å tiltrekke og holde vannmolekyler gjennom absorpsjon. Absorpsjonsraten for vanndamp i GO er 2 ganger den for silikagel. Videre har GO den iboende evnen til å undertrykke frysing av interkalerte vannmolekyler gjennom nanokonfineringseffekter.

Den nye overflaten har også små bulker, med en topp‑til‑topp avstand på 5 mm. Et tynt lag med GO, som kun er 600 mikron tykt, er påført på dalene mellom toppene. Ifølge Park:

“Grafenoksid tiltrekker vanndamp og deretter innkapsler vannmolekyler innen sin struktur. Så fungerer grafenoksidlaget som en beholder for å hindre vanndamp i å fryse.”

Tilsetting av grafenoksid til den makroteksturerte overflaten hjalp overflaten med å motstå frost ved høy supersaturasjon over en lang periode, og gjorde den eksperimentelle hybride overflaten til en “stabil, langvarig, frostfri sone”.

Du kan se en demonstrasjon av denne teknikken på YouTube her, som er lagt ut på den offisielle NU-kanalen:

Den viser hvordan frost dannes på overflatens bikake‑formede topper mens de flate dalene forblir frostfrie. I videoen har overflaten til høyre et tynt lag med GO.

For å demonstrere overlegenheten til metoden, sammenlignet Parks team den med andre avanserte anti‑frostoverflater.

Sammenlignet med 100 % frostdanningsmotstand i 150 timer, var supervannavstøtende og smøremiddel‑infunderte overflater kun i stand til å motstå 5–36 % av frostdannelse, og det bare i 5 timer. Deretter er det spørsmålet om andre anti‑frostoverflater er utsatt for skade fra riper eller forurensning, “som forringer overflatens ytelse over tid.”

Parks hybride makrotekstur‑grafenoksid‑overflate er derimot robust mot slik skade og forlenger dermed overflatens levetid.

Foreløpig finnes det ingen “én størrelse passer alle”-tilnærming på markedet på grunn av de spesifikke behovene i ulike anvendelser. For eksempel trenger fly kun sekunder med frostmotstand sammenlignet med kraftlinjer, som kontinuerlig opererer i kalde miljøer og kan trenge dager eller uker med frostmotstand.

Den nye teknikken kan ifølge forskerne brukes til å designe flyvinger så vel som kraftlinjer med redusert isadhesjon for å redusere årlige vedlikeholdskostnader betydelig. Metoden kan også bidra til å forhindre energitap og støtte sikker drift av infrastruktur i kalde miljøer.

Beskytte infrastrukturen mot tøffe klima

Kalde klimaer kommer med koseligheten av varme tepper, varm sjokolade og festlige følelser. Men samtidig medfører de sine egne problemer, spesielt i form av helseproblemer og infrastrukturskader.

Opphopning av is og snø kan svekke ytelsen og sikkerheten til skip, bilvinduer, kraftlinjer, vindmøller og fly. Derfor har forskere forsøkt å løse disse problemene.

Overflater som kan dempe isvekst, spesielt, har fått mye oppmerksomhet, som vi også så i den siste studien, som et kostnadseffektivt alternativ.

Som vi delte tidligere i år, utviklet forskere fra Drexel’s College of Engineering også selvoppvarmende betong som fjerner snø og fryse regn på egen hånd, uten at noen må skrape, måke eller salte, noe som påvirker overflater negativt i tre år.

For å forlenge den operative levetiden til veier og annen infrastruktur og spare penger på vedlikehold, brukte forskerne lavtemperatur faseendringsmateriale (PCM) flytende parafin i denne selvoppvarmende betongen. Når temperaturen faller til ∼0 °C eller 32 °F, frigjør materialet varme og går fra væske til fast stoff, noe som fører til gradvis smelting av isen.

Deretter utviklet et forskerteam i Canada en overflate som avviser snø på egen hånd ved å kombinere egenskapene til termisk isolasjon og superhydrofobicitet. Gruppen fant at silikaerogel minimerte snøsmelting og hindret dannelse av klebrig islag, mens superhydrofobicitet reduserte kontaktområdet og avviste interfasemeltvannsdråper, noe som ytterligere reduserte snøadhesjonsstyrken.

I en annen studie fokuserte kinesiske forskere på superhydrofobiske overflater med utmerket anti‑is- og vannavstøtende ytelse ved lave temperaturer. Disse overflatene, i motsetning til de mye studerte superhydrofobiske overflatene – spesielt for deres potensielle luftfartsapplikasjoner – er ikke like godt rapportert.

For å lage slike overflater etsede forskerne kvadratiske mikropillarrangeringer på flerveggskarbonnanorør (MWCNT)/poly(dimetylsiloksan) (PDMS)-filmer, noe som resulterte i tredobbelt is‑fobiskhet som forblir aktiv selv ved −40 °C.

Forskerne mener dette åpner nye muligheter for bioniske smarte multifunksjonelle materialer i is‑fobiske applikasjoner.

En separat studie om glatte væske‑infunderte porøse overflater (SLIPSs), som er mye brukt som en effektiv passiv tilnærming for å redusere iskatastrofer, fant at visse egenskaper er nøkkelen til holdbarhet. Små porer (ca. 100 nm), som utøver sterkt kapillært trykk på smøremiddelet, og høy porøsitet (66 %), som gir et stort kontaktforhold mellom smøremiddel og væske, er spesielt gunstige for holdbare anti‑is‑SLIPS.

All‑season smart‑takbelegg er et annet som holder bygninger varme om vinteren og kjølige om sommeren. Dette belegget krever ingen elektrisitet eller gass; det bruker TARC, eller temperatur‑adaptivt strålingsbelegg, som automatisk slår av strålingskjøling om vinteren for å sikre at ingen energi går til spille.

I tillegg til å målrette overflater, innebærer andre fremskritt innen infrastrukturforbedring, som sparer vedlikeholdskostnader og beskytter miljøet, adaptive takfliser som har en strålingsbryter for å reagere på ulike temperaturer.

Selskaper å se på

Nå skal vi se på selskaper som kan dra nytte av utviklingen av anti‑frostteknologier, samt de som bidrar til å fremme dette feltet.

I luftfartssektoren er Lockheed Martin (LMT ) et populært navn, og frostresistente overflater kan bidra til å forbedre ytelsen og holdbarheten til både deres militære og kommersielle fly. Selskapet med en markedsverdi på 129,26 milliarder dollar har for tiden aksjer som handles til 545,35 dollar, opp 20,32 % i år. Det har en EPS (TTM) på 27,65, en P/E (TTM) på 19,73, og en utbytteavkastning på 2,42 %.

Boeing (BA ) er en annen aktør i luftfartssektoren som også investerer tungt i avisingsteknologier for å forbedre sikkerhet og effektivitet. Imidlertid handles dette selskapet med en markedsverdi på 95 milliarder dollar for tiden til 155,33 dollar, ned 40,69 % YTD på grunn av at flyene går i stykker og varsler som dør.

Selskaper som 3M (MMM ) spiller også en viktig rolle på grunn av deres engasjement i materialinnovasjon. Dette selskapet med en markedsverdi på 69 milliarder dollar har aksjer som er opp 16,37 % YTD og handles til 127,22 dollar med en EPS (TTM) på 7,63 og en P/E (TTM) på 16,68, mens det betaler en utbytteavkastning på 2,20 %.

1. Raytheon Technologies (RTX )

Den grafenoksid‑baserte teknikken fra NU kan hjelpe denne leverandøren av luftfarts‑ og forsvarsteknologi med å forbedre sikker drift i kalde miljøer. Raytheon er et selskap med en markedsverdi på 158 milliarder dollar, hvis aksjer handles til 118,75 dollar, opp 41,13 %, mens det har en EPS (TTM) på 3,52, en P/E (TTM) på 33,78, og en utbytteavkastning på 2,12 %.

For Q3 2024, sales were rapportert to be $20.1 billion, up 6% from the previous year, while the backlog was $221 billion. This backlog included $131bln in commercial and $90bln in defense segments. Free cash flow at the end of the quarter was $2bln, while $1.1bln of capital was returned to shareowners.

2. Proto Labs (PRLB )

For at disse nye teknologiene raskt skal komme inn på markedet, må de produseres like raskt. Og det er her selskaper som Proto Labs kan hjelpe. Den bruker 3D‑printing, injeksjonsforming og CNC‑maskinering for å produsere deler. Dette selskapet med en markedsverdi på 955,6 millioner dollar, hvis aksjer handles til 38,75 dollar, er ned 2,46 % mens det har en EPS (TTM) på 0,94 og en P/E (TTM) på 40,30.

For Q3 2024, it rapportert $125.6mln in revenue, which was a 3.9% decrease from Q3 last year. Net income came in at $7.2 million, while EBITDA was $17.5 million. It served 22,511 customer contacts during this period. The company, however, generated its highest quarterly operating cash flow in four years, which CEO Dan Schumacher said “is a testament to the profitability of Protolabs’ model against any macro backdrop.”

Konklusjon

Den siste oppdagelsen fra forskere ved Northwestern University som betydelig reduserer frostdannelse på enhver overflate har stort potensial for å gjøre folks liv enklere ved å redusere antall avlyste flyvninger, som kan bli grounded av det minste lag med frost, og redusere bruken av sterke avisingmidler.

Som et robust anti‑frostverktøy kan den hybride makrotekstur‑GO‑overflaten ytterligere bidra til å redusere mengden energi og kostnader som trengs for avising. På denne måten kan den finne sterk anvendelse i industrier som krever lange passive anti‑frosttider, inkludert luftfart, kraftdistribusjon og transport.

Alt i alt kan slike fremskritt innen anti‑frostteknologi bidra til å tilby holdbare og bærekraftige løsninger på værrelaterte utfordringer som oppleves hvert år, noe som igjen bidrar til å bygge mer effektiv og robust infrastruktur og har en betydelig økonomisk innvirkning.

Klikk her for å lære alt om selvoppvarmende betong.