Maaaring Mukhang Karaniwan ang Frost, Ngunit Nagdudulot Ito ng Malawak na Pinsala sa Sektor ng Aerospace. Maaaring Baguhin Ito ng Graphene.

Ang frost, o hamog na nagyelo, ay patong ng mga kristal ng yelo sa malamig na ibabaw. Maaari itong mabuo kapag direktang nagiging yelo ang singaw ng tubig sa ibabaw na mas malamig kaysa sa punto ng pagyeyelo.

Mahalaga rito ang temperatura ng ibabaw at ang dami ng singaw ng tubig sa hangin. Kapag sapat ang singaw upang maging supersaturated kaugnay ng yelo sa malamig na ibabaw, maaaring mamuo ang frost.

Bagaman maganda itong tingnan, maaaring maging mapanganib ang frost. Mahirap itong alisin sa madudulas na ibabaw, maaari nitong takpan ang mga sensor ng sasakyan, bawasan ang kahusayan ng refrigerator at freezer, pabigatin ang mga linya ng kuryente at makapinsala sa mga halaman.

Sa eroplano, binabago ng frost ang hugis at katangian ng ibabaw ng pakpak. Maaari nitong bawasan ang puwersang pag-angat, dagdagan ang paglaban ng hangin at pahinain ang kontrol, kaya mahalaga ang wastong pag-alis at pag-iwas sa yelo bago at habang lumilipad.

Sa pelikulang Iron Man, nagamit ni Tony Stark ang pagyeyelo ng kaniyang kasuotan para sa kanyang kalamangan laban sa kalaban. Sa tunay na buhay, kailangan ng praktikal na paraan upang maiwasan ang panganib ng yelo.

Nag-aaral ang mga inhinyero ng Northwestern University ng bagong paraan upang mapigilan ang frost sa mga piling bahagi ng isang dinisenyong ibabaw. Magandang resulta ito sa eksperimento, ngunit hindi pa pangkalahatang solusyon para sa lahat ng kagamitan o kondisyon.

Mga Bahaging Nananatiling Walang Frost sa Matagal na Pagsubok

Isang mahalagang sangkap ng pamamaraan ang materyal na kaugnay ng graphene.

Ang graphene ay isang sapin ng mga carbon atom na nakaayos sa dalawang dimensiyon. Ang carbon ang ikaapat na pinakamaraming elemento sa uniberso; hindi ito ranggo ng kasaganaan sa balat ng Daigdig.

Isang atom lamang ang kapal ng graphene, kaya kabilang ito sa mga pinakamanipis na materyal. Mataas ang lakas nito kaugnay ng timbang at mahusay itong maghatid ng kuryente at init, ngunit nag-iiba ang aktuwal na katangian ayon sa kalidad, anyo at paraan ng pagsukat. Hindi ito ang pinakamakapal na compound.

Dahil sa mga katangiang ito, pinag-aaralan ang graphene para sa mga composite, elektronika, sensor, imbakan ng enerhiya, telekomunikasyon at teknolohiyang pangkalusugan.

Graphene oxide (GO), na may mga pangkat na naglalaman ng oxygen, ang ginamit sa pag-aaral sa frost. Iba ang mga katangian nito sa purong graphene. Matagal nang kilala ang graphite oxide, at ginagamit din ang GO bilang panimulang materyal sa ilang paraan ng paggawa ng graphene.

Karaniwang ginagawa ang GO sa pamamagitan ng kemikal na oksidasyon ng grapayt. Ang mga pangkat na may oxygen ay tumutulong sa pag-akit at paghawak nito ng tubig.

Sa bagong pag-aaral, pinagsama ang teksturang may maliliit na tuktok at lambak sa patong ng GO. Nananatiling walang frost ang mga patag na bahaging may GO nang mahigit 150 oras sa tinukoy na mga kondisyon ng pagsubok; maaari pa ring mamuo ang frost sa mga tuktok.

Inaakit at ikinukulong ng GO ang mga molekula ng tubig sa loob ng istruktura nito. Kasabay nito, binabago ng heometriya ang pagdaloy ng singaw upang mapababa ang lokal na supersaturation sa mga lambak. Ang kombinasyong ito ang nagpapabagal sa pagbuo ng frost doon.

Iniulat ng mga mananaliksik ang mas matagal na pag-iwas sa frost kaysa sa mga paghahambing na ibabaw na sinubukan nila. Nakayanan din ng disenyo ang mga pagsubok na may gasgas, bitak at kontaminasyon. Nakadepende ang resulta sa heometriya, materyal at kondisyon ng kapaligiran.

Posibleng makatulong ang pamamaraang ito sa pagbawas ng enerhiya at gastos sa pagpapanatili kapag napatunayang angkop sa tunay na kagamitan. Ang mga inaasahang pagtitipid ay hindi pa nasusukat na resulta ng malawakang paggamit. Pinangunahan ang pag-aaral ni Kyoo-Chul Kenneth Park, katulong na propesor ng inhinyeriyang mekanikal sa Northwestern:

“Ang hindi kanais-nais na pag-ipon ng frost ay isang malaking alalahanin sa mga industriyal, residensyal, at pamahalaang sektor.”

Sa taong pananalapi 2024, iniulat ng Northwestern ang rekord na $1.05 bilyong pondo para sa pananaliksik, halos 5% na mas mataas kaysa sa nakaraang taon.

Bilang halimbawa ng panganib ng matinding lamig, binanggit ang krisis sa Texas noong 2021. Ang iniulat na pagtatayang $195 bilyong pinsala ay para sa mas malawak na sakuna sa taglamig, hindi sa frost lamang. Milyun-milyong sambahayan ang nawalan ng kuryente sa magkakaibang tagal.

“Kaya’t napakahalaga na bumuo ng mga anti-frosting na teknik, na matibay para sa mahabang panahon sa matinding kondisyon ng kapaligiran.”

— Park, kaugnay na kasapi ng International Institute for Nanotechnology at Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Mahalaga ring maging praktikal ang paggawa ng mga ibabaw na lumalaban sa frost. Ginamit ng mga mananaliksik ang 3D printing para sa heometriya at GO para sa paghawak ng tubig. Ang ipinakitang resulta ay mahigit 150 oras sa mga piling patag na bahagi, hindi ilang linggong pag-iwas sa yelo sa buong ibabaw.

Heometriya ng Dahon at Kakayahan ng GO na Humawak ng Tubig

Bumuo ang pag-aaral sa naunang pananaliksik ng koponan tungkol sa heometriya ng ibabaw. Sa mga naunang eksperimento, mas kaunti ang frost sa mga lambak kaysa sa mga tuktok. Ang iniulat na pagbawas ay para sa mga sinubukang disenyo at kondisyon, hindi pangkalahatang porsiyento para sa lahat ng ibabaw.

Para sa naunang disenyo, ang mga inhinyero ay kumuha ng inspirasyon sa heometriya ng mga dahon ng mint. Mas maraming frost ang nakita sa matambok na bahagi kaysa sa malukong na bahagi ng dahon.

Bagaman ito ay napansin na nang matagal, walang paliwanag kung bakit at paano ito nangyayari. Sabi niya:

“Natuklasan naming ito ay ang heometriya—hindi ang materyal—ang kumokontrol dito.”

Mas malakas ang pagdating at pag-ipon ng singaw sa mga tuktok. Sa mga lambak, pinipigilan ng kalapit na frost at ng heometriya ang lokal na pag-ipon ng tubig, kaya maaaring sumingaw ang maliliit na patak sa halip na maging yelo.

Nakita ang ganitong lokal na epekto kahit sa materyal na umaakit ng tubig. Hindi ibig sabihin nito na hindi kailanman magyeyelo ang naturang materyal sa ibang kondisyon.

Sinuri ng koponan ang mga tuktok at lambak na may sukat na milimetro, kabilang ang mga anggulong humigit-kumulang 40–60 digri. Ang anggulo ay paglalarawan ng hugis, hindi distansiya ng pagitan ng mga tuktok.

Maaaring mas kaunting enerhiya ang kailangan upang alisin ang frost na nasa makikitid na tuktok kaysa sa isang ganap na natatakpang ibabaw. Kailangan pa ring suriin ang paggamit kasama ng mga umiiral na patong, likido o sistemang nag-aalis ng yelo.

“Ang rehiyong walang frost ay nagsisimula ng proseso ng pag-defrost. Kaya ito ay magbabawas ng mga materyales at enerhiya na ginagamit upang lutasin ang mga problema sa frost.”

– Park

Sa bagong pag-aaral, nilagyan ng GO ang mga patag na lambak. Sa mga sinubukang kondisyon, nanatiling walang frost ang mga bahaging iyon habang maaaring may frost sa mga tuktok.

Pinili ang GO dahil sa kakayahan nitong makaakit at humawak ng singaw ng tubig. Binanggit ng papel ang bilis ng pagsipsip ng singaw ng tubig na dalawang beses sa silica gel sa kaugnay na pananaliksik, at ang pagkulong ng mga molekula sa napakaliit na puwang na nakahahadlang sa pagbuo ng yelo.

May mga tuktok ang bagong ibabaw na 5 mm ang pagitan mula tuktok hanggang tuktok. Nilagyan ang mga lambak ng GO na humigit-kumulang 600 mikrometro ang kapal. Ayon kay Park:

“Ang graphene oxide ay umaakit ng singaw ng tubig at pagkatapos ay nililimitahan ang mga molekula ng tubig sa loob ng istruktura nito. Kaya, ang patong ng graphene oxide ay kumikilos tulad ng isang lalagyan upang pigilan ang pagyeyelo ng singaw ng tubig.”

Kapag pinagsama ang GO at ang dinisenyong heometriya, nakayanan ng mga patag na lambak ang matagal na pagsubok sa mataas na panlabas na supersaturation. Ang lokal na kondisyon sa lambak ang mahalagang bahagi ng mekanismo.

Maaari mong panoorin ang demonstrasyon ng teknik na ito sa YouTube dito, na naka-post sa opisyal na channel ng NU:

Ipinapakita nito kung paano nabubuo ang hamog na nagyelo sa mga nakaumbok na bahaging hugis pulot-pukyutan ng ibabaw, habang nananatiling walang yelo ang mga patag na lambak. Sa video, may manipis na patong ng GO ang ibabaw sa kanan.

Upang ipakita ang kahusayan ng kanilang pamamaraan, ikinumpara ng koponan ni Park ito sa iba pang advanced na anti-frosting na mga ibabaw.

Nanatiling walang frost ang buong target na patag na bahagi nang mahigit 150 oras. Sa mga paghahambing na ibabaw na lubhang nagtataboy ng tubig o may pampadulas, 5–36% lamang ng lugar ang nanatiling walang frost nang hanggang limang oras. Mga resulta ito sa mga tinukoy na pagsubok, hindi garantiya para sa lahat ng lagay ng panahon.

Napanatili rin ng hybrid na ibabaw ang mekanismo nito sa mga pagsubok na may gasgas, bitak at kontaminasyon. Ipinapakita nito ang tibay sa naturang pagsubok, ngunit hindi kawalan ng limitasyon o pangangailangan sa pagpapanatili.

Magkakaiba ang pangangailangan ng eroplano, linya ng kuryente at kagamitan sa pagpapalamig. Nakadepende ang kinakailangang tagal ng proteksiyon sa operasyon at kapaligiran; hindi sapat na ipalagay na ilang segundo lamang ang kailangan ng anumang eroplano.

Iminungkahi ng mga mananaliksik ang posibleng paggamit sa mga pakpak ng eroplano at linya ng kuryente upang mabawasan ang pagdikit ng yelo. Kailangan pa ng mga pagsubok sa kaligtasan, tibay, paggawa at aktuwal na operasyon bago ito maging praktikal na produkto.

Pagprotekta sa Imprastruktura mula sa Matinding Klima

Ang malamig na klima ay may kasamang ginhawa ng mainit na kumot, tsokolate, at masayang pakiramdam. Ngunit kasabay nito, nagdadala rin ito ng sariling mga problema, partikular sa anyo ng mga isyu sa kalusugan at pinsala sa imprastruktura.

Ang pagbuo ng yelo at niyebe ay maaaring magpahina sa pagganap at kaligtasan ng mga barko, salamin ng kotse, linya ng kuryente, turbina ng hangin, at eroplano. Kaya’t ang mga mananaliksik ay nagsusumikap na tugunan ang mga problemang ito.

Pinag-aaralan ang mga ibabaw na nakahahadlang sa pagbuo o pagdikit ng yelo bilang posibleng paraan upang mabawasan ang gastos. Kailangan pang patunayan ang kabuuang gastos at tibay sa bawat aplikasyon.

Noong 2024, iniulat ng Drexel ang mga pagsubok sa kongkretong may materyal na nag-iimbak at naglalabas ng init. Tatlong taon itong sinubukan sa labas upang masuri ang pagkatunaw ng niyebe at pagbuo ng yelo. Ang tatlong taon ay tagal ng pag-aaral, hindi takdang panahon ng pinsalang dulot ng asin.

Naglalabas ng nakaimbak na init ang liquid paraffin habang nagiging solid malapit sa temperatura ng pagyeyelo. Nakakatulong ito sa pagkatunaw ng niyebe sa ilang kondisyon. Upang maulit ang siklo, kailangan nitong muling sumipsip ng init at matunaw; hindi ito walang-hanggang pinagmumulan ng enerhiya.

Pagkatapos, ang isang koponan ng mga mananaliksik sa Canada ay nakabuo ng isang ibabaw na nagtataboy ng niyebe nang mag-isa sa pamamagitan ng pagsasama ng mga katangian ng thermal insulation at superhydrophobicity. Natuklasan ng grupo na ang silica aerogel ay nagbabawas ng pagkatunaw ng niyebe at pumipigil sa pagbuo ng adhesive na patong ng yelo, habang ang superhydrophobicity ay nagbabawas ng contact area at nagtataboy ng mga patak ng meltwater sa interfacial, na lalo pang nagpapababa ng lakas ng pagdikit ng niyebe.

Sa isa pang pag-aaral, ang mga mananaliksik na Tsino ay nagtutok sa mga ibabaw na lubhang nagtataboy ng tubig at nakahahadlang sa yelo kahit sa mababang temperatura. Layunin nilang mapanatili ang katangiang ito sa matinding lamig, na mas mahirap kaysa sa karaniwang pagsubok sa temperatura ng silid.

Gumawa sila ng parisukat na hanay ng mikroskopikong haligi sa mga pelikulang multiwalled carbon nanotube (MWCNT) at poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Iniulat ang pagganap laban sa yelo hanggang −40 °C sa mga kundisyon ng eksperimento.

Naniniwala ang mga mananaliksik na ito ay nagbubukas ng mga bagong posibilidad para sa bionic na matatalinong multifunctional na materyales sa mga ice-phobic na aplikasyon.

Sa isang hiwalay na pag-aaral sa slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS), ay sinuri ang tibay ng mga porosong ibabaw na pinupuno ng pampadulas. Sa nasabing disenyo, nakatulong ang maliliit na butas na humigit-kumulang 100 nm at porosidad na 66% sa pagpapanatili ng pampadulas. Hindi ito pangkalahatang pamantayan para sa lahat ng materyal na SLIPS.

Isa pang kaugnay na teknolohiya ang temperature-adaptive radiative coating (TARC). Binabago nito ang paglalabas ng init sa pamamagitan ng radyasyon ayon sa temperatura upang makatulong sa pagtitipid sa pag-init at pagpapalamig. Hindi nito ginagarantiyang walang mawawalang enerhiya o hindi na kailangan ng sistema ng pag-init.

Bukod sa pagtutok sa mga ibabaw, ang iba pang mga pag-unlad sa pagpapabuti ng imprastruktura habang nagtitipid sa gastusin sa pagpapanatili at pinoprotektahan ang kapaligiran ay kinabibilangan ng adaptive roof tiles, na may radiative switch upang tumugon sa iba’t ibang temperatura.

Mga Kumpanyang Dapat Tingnan

Maaaring magkaroon ng interes sa mga bagong materyal ang mga kumpanya sa aerospace at pagmamanupaktura. Ang mga sumusunod ay halimbawa ng kaugnay na industriya; hindi pinatutunayan ng pag-aaral na gumagamit o komersiyal na katuwang na sila ng bagong GO na ibabaw.

Sa sektor ng aerospace, ang Lockheed Martin (LMT ) ay kilala sa aerospace at depensa. Posibleng maging kapaki-pakinabang sa sektor na ito ang mas mahusay na paglaban sa yelo, ngunit hindi nito pinatutunayang gumagamit na ang Lockheed ng naturang disenyo. Sa makasaysayang datos na inilakip noong 2024, ang halagang pamilihan nito ay $129.26 bilyon, presyo $545.35, pagtaas mula simula ng taon 20.32%, EPS sa nakaraang 12 buwan 27.65, P/E 19.73 at dibidendo 2.42%. Hindi ito kasalukuyang sipi ng presyo.

Boeing (BA ) ay isa pang kompanya sa aerospace na may interes sa kaligtasan laban sa yelo. Sa datos ng artikulo noong 2024, ang halagang pamilihan nito ay $95 bilyon, presyo $155.33 at pagbaba mula simula ng taon 40.69%. Kabilang sa mga hiwalay na balitang binanggit ang mga insidente sa kaligtasan ng eroplano at mga ulat tungkol sa pagkamatay ng mga whistleblower. Hindi sapat ang mga balitang ito upang ipalagay ang tiyak na sanhi ng galaw ng presyo o ng mga pagkamatay.

Ang mga kumpanya tulad ng 3M (MMM ) ay may mga negosyo sa teknolohiya ng materyales. Ang mga bilang sa orihinal na artikulo noong 2024—halagang pamilihan na $69 bilyon, presyo $127.22, pagtaas mula simula ng taon 16.37%, EPS 7.63, P/E 16.68 at dibidendo 2.20%—ay makasaysayang datos. Hindi sila patunay ng paggamit sa bagong materyal.

1. RTX (dating Raytheon Technologies)

Maaaring maging kaugnay sa aerospace at depensa ang pag-unlad ng mga materyal na lumalaban sa yelo, ngunit hindi iniulat na gumagamit na ang RTX ng disenyo ng Northwestern. Ang datos sa artikulo noong 2024 ay halagang pamilihan na $158 bilyon, presyo $118.75, pagtaas mula simula ng taon 41.13%, EPS 3.52, P/E 33.78 at dibidendo 2.12%.

Para sa Q3 2024, iniulat na $20.1 bilyon ang adjusted sales, 6% na mas mataas kaysa sa nakaraang taon. Ang backlog ay $221 bilyon: $131 bilyon sa komersiyal at $90 bilyon sa depensa. Ang libreng daloy ng salapi sa quarter ay $2 bilyon, at $1.1 bilyon ang ibinalik sa mga shareholder. Daloy sa quarter ang mga ito, hindi balanse ng salapi sa huling araw.

2. Proto Labs

Kailangan ng mahusay na proseso ng paggawa upang mapalawak ang paggamit ng mga bagong teknolohiya. Kabilang sa mga kompanya sa digital na pagmamanupaktura ang Proto Labs (PRLB ). Nag-aalok ito ng 3D printing, paghuhulma sa pamamagitan ng pag-iniksiyon at CNC machining. Sa makasaysayang datos ng artikulo noong 2024, ang halagang pamilihan nito ay $955.6 milyon, presyo $38.75, pagbabago mula simula ng taon −2.46%, EPS 0.94 at P/E 40.30.

Para sa Q3 2024, iniulat na $125.6 milyon ang benta, 3.9% na mas mababa kaysa sa ikatlong quarter ng 2023. Ang netong tubo ay $7.2 milyon, EBITDA $17.5 milyon at adjusted EBITDA $21.9 milyon. Nagsilbi ito sa 22,511 natatanging customer contact. Si Dan Schumacher, punong opisyal sa pananalapi, ang nagkomento tungkol sa mataas na quarterly operating cash flow; si Rob Bodor ang presidente at CEO.

Konklusyon

Ipinakita ng pag-aaral ng Northwestern na maaaring manatiling walang frost ang mga piling bahagi ng isang dinisenyong ibabaw sa matagal na pagsubok. Posibleng makatulong ito sa mas mahusay na pag-alis ng yelo, ngunit kailangan pa ng karagdagang pagsubok bago masabing mababawasan nito ang mga kanseladong paglipad o paggamit ng kemikal sa aktuwal na operasyon.

May potensyal ang hybrid na ibabaw na makatipid sa enerhiya at pagpapanatili sa mga angkop na gamit. Kailangang suriin nang hiwalay ang bawat aplikasyon sa aerospace, pamamahagi ng kuryente at transportasyon.

Ang mga resulta ay mahalagang hakbang sa pananaliksik laban sa frost. Ang magiging epekto sa imprastruktura at ekonomiya ay nakasalalay sa pagganap sa tunay na kondisyon, tibay, kaligtasan at gastos sa paggawa.

I-click dito upang matutunan ang lahat tungkol sa self-heating concrete.