Frost kan verka vardagligt, men det orsakar förödelse inom flygsektorn. Grafen kan förändra detta.

Varje år kommer frost och skapar vacker och fridfull scen. Detta tunna islag bildas på en fast yta som marken när temperaturen sjunker till fryspunkten eller lägre.

När luften har mer vattenånga än den kan hålla vid en viss temperatur bildas frost.

Trots sin skönhet kan frost också vara potentiellt farlig. Den kan inte bara vara ett huvudvärk att skrapa bort från hala ytor, utan den leder också till andra allvarliga problem som försämrade fordonssensorer, minskad energieffektivitet i kylskåp och frysar, extra vikt på kraftledningar som kan orsaka strömavbrott och skada din dyrbara grönsaks- och blomstergård.

Det är inte allt. Frost påverkar även flygplan negativt genom att minska stallhastigheten, minska kontrollens effektivitet och destabilisera pitch, vilket kan leda till krascher. Den stör dessutom flygplanens start genom att förändra vingarnas aerodynamiska egenskaper, vilket gör flygningar farliga eller till och med omöjliga.

Medan Tony Stark i Iron Man kanske kan använda isuppbyggnaden på sin dräkt till sin fördel och mot sin motståndare, är detta helt enkelt inte möjligt för oss i våra vanliga liv.

Vad vi behöver är en effektiv lösning på detta problem som kostar hundratals miljarder dollar, och ingenjörer från Northwestern University har hittat en. De har utvecklat en strategi som förhindrar att frost bildas från början.

Uppnå frostfria områden under långa perioder

Så, vad är lösningen? En av huvudkomponenterna i lösningen som NU-ingenjörer har upptäckt kretsar kring grafen.

Extraherad från grafit består grafen av rent kol, ett av de viktigaste och det fjärde mest förekommande naturliga grundämnet.

Detta material är särskilt känt för sin lättvikt. Med bara en atom tjock är grafen den tunnaste kända föreningen. Det är också mycket starkt, cirka 100–300 gånger starkare än stål. Förutom sin flexibilitet är grafen den bästa ledaren av elektricitet och är berömd för sin jämna ljusabsorption.

Alla dessa egenskaper ger grafen lovande tillämpningar inom områden som kompositer, elektronik, sensorer och avbildning, energi, telekommunikation och biomedicinska teknologier.

Forskare vid Northwestern University använder nu detta material för att bekämpa frost. Specifikt använder de grafenoxid (GO), en förening som föreslogs för över en och en halv århundrade sedan och som de senaste åren har använts som en potentiell startmaterial för massproduktion av grafen.

Detta kolbaserade nanomaterial, känt långt före grafen, produceras genom kemisk oxidation av naturlig grafit med starka oxidationsmedel.

I den nya studien fann ingenjörerna att förändring av en ytas struktur och sedan tillsats av ett tunt lager GO helt förhindrar frostbildning på ytor i en vecka, möjligen ännu längre.

Vad grafenoxid gör är att den attraherar och sedan fångar vattenånga – vatten i gasform – inom sin struktur, vilket effektivt förhindrar att vattnet fryser. När den kombineras med en makrostrukturerad yta leder det till en förlängd period av hög supersaturation.

Den veckolånga frostförebyggandet är tusen gånger längre än vad som uppnås med befintliga avancerade anti-frostytor. Dessutom är den nya ytdesignen, som är skalbar, också motståndskraftig mot repor, sprickor och föroreningar.

Att integrera denna strukturerade yta i infrastruktur kan hjälpa företag och regeringar att spara miljarder dollar årligen på energiförluster och undvika underhållskostnader, uppskattar forskarna. Enligt studieleder Kyoo-Chul Kenneth Park, som är biträdande professor i maskinteknik vid McCormick School of Engineering på NU:

“Oönskad frostackumulering är en stor oro inom industriella, bostads- och offentliga sektorer.”

Detta räkenskapsår säkrade universitetet en rekordfinansiering på 1,05 miljarder dollar för forskning, en ökning med 5 % från föregående år.

Park pekade på hur elkrisen 2021 i Texas kostade enorma 195 miljarder dollar i skador, vilket var en direkt följd av is, frost och extrema kyla i mer än fem dagar, och påverkade 4,5 miljoner hushåll.

“Därför är det kritiskt att utveckla anti-frosttekniker som är robusta under långa perioder i extrema miljöförhållanden.”

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

Dock behöver vi inte bara anti-frosttekniker utan även sådana som är enkla att tillverka och implementera. Med detta i åtanke skapade forskarna sin hybrida anti-frostmetod, som är hållbar, skalbar, lätt att tillverka via 3D-utskrift och kan hålla frost borta i veckor.

Kombinera bladens geometri med GOs hygroskopiska egenskaper

Den nya studien bygger faktiskt vidare på tidigare arbete från Parks team år 2020, där de fann att förändring av strukturen minskar frostbildning med upp till 60 %. Samtidigt kan tillsats av strukturer i millimeterskala – optimerade, taggiga serier av toppar och dalar som observeras i naturen – på en yta minska frostbildning med upp till 80 %.

För denna upptäckt hämtade ingenjörerna inspiration från geometrin hos myntablad. Som Park förklarade då, ser de konvexa områdena på ett blad mer frontbildning än de konkava (ådrorna) områdena, som faktiskt får “mycket mindre frost”.

Han sade:

“Vi fann att det är geometrin – inte materialet – som styr detta.”

Den vågiga geometrin på blad innebär att frost bildas på topparna där kondensation förstärks men sällan i dalarna, där kondensation undertrycks. Den lilla mängd kondenserat vatten i dalarna på vågiga ytor avdunstar, vilket leder till ett frostfritt område.

Intressant nog, även med ett ytmaterial som attraherar vatten, observeras samma resultat: vatten avdunstar från dalarna när det är under fryspunkten.

Med denna information gick teamet vidare för att hitta den optimala ytstrukturen, som var en yta med millimetertallrika toppar och dalar med endast 40–60 graders vinklar emellan.

Den tunna linjen av frost som fortfarande bildas på ytan’s toppar kan avfrostandes med avsevärt mindre energi och eliminerar behovet av att använda ytbeläggningar eller vätskor med lägre fryspunkter.

“Det frostfria området initierar avfrostandeprocessen. Så det skulle minska material och energi som används för att lösa frostproblem.”

– Park

I den nya studien introducerade teamet grafenoxid (GO) i blandningen, som tillsätts till plana dalar för att helt minska frostbildning, även i dalarna.

GO valdes på grund av sina exceptionella hygroskopiska egenskaper, vilket är materialets förmåga att attrahera och hålla vattenmolekyler genom absorption. Vattenångaabsorptionshastigheten för GO är 2 gånger den för silica gel. Dessutom har GO den inneboende förmågan att undertrycka frysning av interkalerade vattenmolekyler genom nanokonfineringseffekter.

Den nya ytan har också små bumpar, med ett topp-till-topp avstånd på 5 mm. Ett tunt lager GO, som bara är 600 mikron tjockt, är belagt på dalarna mellan topparna. Enligt Park:

“Grafenoxid attraherar vattenånga och sedan begränsar vattenmolekyler inom sin struktur. Så fungerar grafenoxidlagret som en behållare för att förhindra att vattenånga fryser.”

Tillsats av grafenoxid till makrostruktursytan hjälpte ytan att motstå frost vid hög supersaturation under en lång period, vilket i sin tur gjorde den experimentella hybrida ytan “en stabil, långvarig, frostfri zon”.

Du kan se en demonstration av denna teknik på YouTube här, som är uppladdad på den officiella NU-kanalen:

Den visar hur frost bildas på ytan’s bikakformade toppar medan de plana dalarna förblir frostfria. I videon har ytan till höger ett tunt lager GO.

För att demonstrera överlägsenheten i deras metod jämförde Park-teamet den med andra avancerade anti-frostytor.

Jämfört med 100 % frostbildningsresistens i 150 timmar, kunde supervattenavstötande och smörjmedelsinfunderade ytor bara motstå 5–36 % av frostbildning, och det bara i 5 timmar. Dessutom finns frågan om andra anti-frostytors mottaglighet för skador från repor eller föroreningar, “vilket försämrar ytprestanda över tid.”

Parks hybrida makrostruktur-grafenoxid-yta, å andra sidan, är robust mot sådana skador och förlänger därmed ytans livslängd.

För närvarande finns ingen “one-size-fits-all”-lösning på marknaden på grund av de specifika behoven i olika tillämpningar. Till exempel behöver flygplan bara sekunder av frostresistens jämfört med kraftledningar, som kontinuerligt verkar i kalla miljöer och kan behöva dagar eller veckor av frostresistens.

Den nya tekniken, enligt forskarna, kan användas för att designa flygplansvingar såväl som kraftledningar med minskad isadhesion för att avsevärt minska årliga underhållskostnader. Metoden kan dessutom hjälpa till att förhindra energiförluster och underlätta säker drift av infrastruktur i kalla miljöer.

Skydda infrastrukturen från hårda klimat

Kalla klimat kommer med mysigheten av varma filtar, varm choklad och festliga känslor. Men samtidigt medför de sina egna problem, särskilt i form av hälsoproblem och infrastrukturskador.

Uppbyggnaden av is och snö kan kompromettera prestanda och säkerhet för fartyg, bilrutor, kraftledningar, vindkraftverk och flygplan. Därför har forskare försökt lösa dessa problem.

Ytor som kan minska isväxt har särskilt fått mycket intresse, som vi också såg i den senaste studien, som ett kostnadseffektivt alternativ.

Som vi delade tidigare i år, har forskare från Drexels College of Engineering också utvecklat självuppvärmande betong som rensar snö samt frysningsregn på egen hand, utan att någon behöver skrapa, skyffla eller salta, vilket negativt påverkar ytor i tre år.

För att förlänga den operativa livslängden för vägar och annan infrastruktur samt spara pengar på underhåll, använde forskarna lågtemperatur fasändringsmaterial (PCM) flytande paraffin för denna självuppvärmande betong. När temperaturen sjunker till ∼0°C eller 32°F, frigör materialet värme och övergår från vätska till fast, vilket resulterar i gradvis smältning av isen.

Därefter utvecklade ett team av forskare i Kanada en yta som avvisar snö på egen hand genom att kombinera egenskaperna av termisk isolering och superhydrofobicitet. Gruppen fann att silikaerogel minimerade snösmältning och förhindrade bildning av ett adhesivt islager, medan superhydrofobicitet minskade kontaktområdet och avvisade interfaciala smältvattendroppar, vilket ytterligare minskade snöadhesionens styrka.

I en annan studie fokuserade kinesiska forskare på superhydrofoba ytor med utmärkta anti-isk- och vattenavstötande prestanda vid låga temperaturer. Dessa ytor, till skillnad från de välstuderade superhydrofoba ytorna – särskilt för deras potentiella flygapplikationer – är inte lika välrapporterade.

För att skapa sådana ytor etsade forskarna kvadratiska mikropelarlayout på flerskikts kolnanorör (MWCNT)/poly(dimetylsiloxan) (PDMS)-filmer, vilket resulterade i trippel is-fobiskhet som förblir aktiv även vid −40 °C.

Forskare tror att detta öppnar nya möjligheter för bioniska smarta multifunktionella material i is-fobiska tillämpningar.

En separat studie om glidande vätskeinfunderade porösa ytor (SLIPS), som ofta används som ett effektivt passivt tillvägagångssätt för att minska iskatastrofer, fann att vissa egenskaper är nyckeln för hållbarhet. Små porer (ungefär 100 nm) som utövar stark kapillärtryck på smörjmedlet, och hög porositet (66 %) som ger ett stort smörjmedel-vätska kontaktförhållande, är särskilt fördelaktiga för hållbara anti-isk SLIPS.

All-season smart-roof coating är en annan som håller byggnader varma under vintern och svala under sommaren. Denna beläggning kräver ingen elektricitet eller gas; den använder TARC, eller temperaturadaptiv strålningsbeläggning, som automatiskt stänger av strålningskylning på vintern för att säkerställa att ingen energi slösas.

Förutom att rikta in sig på ytor, innebär andra framsteg inom infrastrukturförbättring som sparar underhållskostnader och skyddar miljön adaptiva takplattor, som har en strålningsbrytare för att svara på olika temperaturer.

Företag att titta på

Nu ska vi titta på företag som kan dra nytta av utvecklingen av anti-frostteknologier samt de som hjälper till att driva fram detta område.

Inom flygsektorn är Lockheed Martin (LMT ) ett populärt namn, och frostresistenta ytor kan hjälpa till att förbättra prestanda och hållbarhet för både deras militära och kommersiella flygplan. Företaget med ett börsvärde på 129,26 miljarder dollar handlas för närvarande till $545,35, upp 20,32 % i år. Det har ett EPS (TTM) på 27,65, ett P/E (TTM) på 19,73 och en utdelningsavkastning på 2,42 %.

Boeing (BA ) är ett annat företag inom flygsektorn som också investerar kraftigt i avfrostningstekniker för att förbättra säkerhet och effektivitet. Dock handlas detta företag med ett börsvärde på 95 miljarder dollar för närvarande till $155,33, ner 40,69 % YTD på grund av att deras flygplan faller sönder och visselblåsare dör.

Företag som 3M (MMM ) spelar också en viktig roll på grund av deras engagemang i materialinnovationer. Detta företag med ett börsvärde på 69 miljarder dollar har sina aktier upp 16,37 % YTD och handlas till $127,22 med ett EPS (TTM) på 7,63 och ett P/E (TTM) på 16,68 samt en utdelningsavkastning på 2,20 %.

1. Raytheon Technologies

Den grafenoxidbaserade tekniken från NU kan hjälpa denna leverantör av flyg- och försvarsteknik att förbättra säkra operationer i kalla miljöer. Raytheon är ett företag med ett börsvärde på 158 miljarder dollar vars aktier handlas till $118,75, upp 41,13 %, med ett EPS (TTM) på 3,52, ett P/E (TTM) på 33,78 och en utdelningsavkastning på 2,12 %.

För Q3 2024 rapporterades försäljningen vara $20,1 miljarder, upp 6 % från föregående år, medan orderstocken var $221 miljarder. Denna orderstock inkluderade $131 miljarder i kommersiella och $90 miljarder i försvarssegment. Fritt kassaflöde i slutet av kvartalet var $2 miljarder, medan $1,1 miljarder i kapital återfördes till aktieägarna.

2. Proto Labs

För att dessa nya teknologier snabbt ska komma ut på marknaden måste de produceras lika snabbt. Och det är där företag som Proto Labs (PRLB ) kan hjälpa till. Det använder 3D-utskrift, injektionsmodellering och CNC-bearbetning för att tillverka delar. Detta företag med ett börsvärde på 955,6 miljoner dollar, vars aktier handlas till $38,75, är ner 2,46 % och har ett EPS (TTM) på 0,94 samt ett P/E (TTM) på 40,30.

För Q3 2024 rapporterade den $125,6 miljoner i intäkter, vilket var en minskning med 3,9 % från Q3 föregående år. Nettoresultatet var $7,2 miljoner, medan EBITDA var $17,5 miljoner. Den betjänade 22 511 kundkontakter under denna period. Företaget genererade dock sitt högsta kvartalsvisa operativa kassaflöde på fyra år, vilket VD Dan Schumacher sade “är ett bevis på lönsamheten i Protolabs modell oavsett makroekonomisk bakgrund”.

Slutsats

Den senaste upptäckten av forskare vid Northwestern University som avsevärt minskar frostbildning på vilken yta som helst har stor potential att göra människors liv smidigare genom att minska antalet inställda flyg, som kan hållas på marken av den minsta frostlagret, samt minska användningen av starka avfrostningskemikalier.

Som ett robust anti-frostverktyg kan den hybrida makrostruktur-GO-ytan ytterligare hjälpa till att minska mängden energi och kostnad som behövs för avfrostning. På så sätt kan den hitta starka tillämpningar i industrier som kräver långa passiva anti-frosttider, inklusive flygsektorn, kraftdistribution och transport.

Sammanfattningsvis kan sådana framsteg inom anti-frostteknik hjälpa till att erbjuda hållbara och beständiga lösningar på väderrelaterade utmaningar som upplevs varje år, vilket i sin tur hjälper till att bygga mer effektiv och motståndskraftig infrastruktur och har en betydande ekonomisk inverkan.

Klicka här för att lära dig allt om självuppvärmande betong.