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

Bawat taon, dumarating ang frost at lumilikha ng maganda at mapayapang tanawin. Ang manipis na patong ng yelo ay nabubuo sa matigas na ibabaw tulad ng lupa kapag ang temperatura ay bumababa sa antas ng pagyeyelo o mas mababa pa.

Kapag ang hangin ay may mas maraming singaw ng tubig kaysa kayang hawakan nito sa isang tiyak na temperatura, nabubuo ang frost.

Bagaman maganda, ang frost ay maaari ring maging mapanganib. Hindi lamang ito nakakaabala kapag kinakailangan tanggalin ang madulas na mga ibabaw, kundi nagdudulot din ito ng iba pang seryosong problema tulad ng nasirang sensor ng sasakyan, nabawasang kahusayan sa enerhiya ng mga refrigerator at freezer, dagdag na bigat sa mga linya ng kuryente na maaaring magdulot ng brownout at makasira sa iyong mahalagang taniman ng gulay at bulaklak.

Hindi pa iyan ang lahat. Ang frost ay negatibong nakakaapekto sa mga eroplano sa pamamagitan ng pagbagal ng bilis, pagbawas ng kahusayan ng kontrol, at pagdestabilisa ng pitch, na maaaring magdulot ng aksidente. Pinag-iinterferensiyahan din nito ang pag-alis ng eroplano sa pamamagitan ng pagbabago ng aerodynamic na katangian ng mga pakpak, na ginagawang mapanganib o imposible ang mga paglipad.

Bagaman si Tony Stark sa Iron Man ay maaaring magamit ang pagbuo ng yelo sa kanyang kasuotan para sa kanyang kalamangan laban sa kalaban, ito ay simpleng hindi posible para sa atin sa pangkaraniwang buhay.

Ang kailangan natin ay isang epektibong solusyon sa problemang ito na nagkakahalaga ng daang-bilyong dolyar, at nakahanap ng isa ang mga inhinyero mula sa Northwestern University. Nakabuo sila ng estratehiya na pumipigil sa pagbuo ng frost mula sa simula.

Pagkamit ng mga Rehiyong Walang Frost sa Mahabang Panahon

Kaya, ano nga ba ang solusyon? Isa sa mga pangunahing sangkap ng solusyon na natuklasan ng mga inhinyero ng NU ay nakatuon sa graphene.

Kinukuha mula sa grapayt, ang graphene ay gawa sa purong carbon, isa sa pinakamahalaga at ika-apat na pinaka-abundanteng natural na elemento.

Ang materyal na ito ay kilala sa pagiging magaan. Sa isang atomong kapal lamang, ang graphene ay ang pinakamakapal na kilalang compound. Ito rin ay napakatibay, humigit-kumulang 100-300 beses na mas matibay kaysa bakal. Bukod sa pagiging flexible, ang graphene ay ang pinakamahusay na konduktor ng kuryente at kilala sa pantay na pagsipsip ng liwanag.

Lahat ng katangiang ito ay nagbibigay sa graphene ng magagarang aplikasyon sa mga larangan tulad ng composites, electronics, sensors at imaging, enerhiya, telekomunikasyon, at biomedical na teknolohiya.

Ang mga mananaliksik ng Northwestern University ay ngayon gumagamit ng materyal na ito upang labanan ang frost. Partikular, gumagamit sila ng graphene oxide (GO), isang compound na iminungkahi mahigit isang siglo at kalahati na ang nakalilipas at kamakailan lamang ginagamit bilang potensyal na panimulang materyal para sa mass production ng graphene.

Ang carbon-based na nanomaterial na ito, na kilala bago pa man ang graphene, ay ginagawa sa pamamagitan ng kemikal na oksidasyon ng natural na grapayt gamit ang malalakas na oxidant.

Sa bagong pag-aaral, natuklasan ng mga inhinyero na ang pagbabago ng texture ng isang ibabaw at pagdaragdag ng manipis na patong ng GO ay ganap na pumipigil sa pagbuo ng frost sa mga ibabaw sa loob ng isang linggo, posibleng mas mahaba pa.

Ang ginagawa ng graphene oxide ay umaakit at pagkatapos ay hinuhuli ang singaw ng tubig—tubig sa anyong gas—sa loob ng istruktura nito, epektibong pumipigil sa pagyeyelo ng tubig. Kapag pinagsama sa macrotexture na ibabaw, nagdudulot ito ng mahabang panahon ng mataas na supersaturation.

Ang isang linggong pag-iwas sa frost ay libong beses na mas matagal kaysa sa nakamit ng kasalukuyang advanced na anti-frosting na mga ibabaw. Bukod pa rito, ang bagong disenyo ng ibabaw, na maaaring i-scale, ay matibay din laban sa gasgas, bitak, at kontaminasyon.

Ang pagsasama ng teksturang ibabaw na ito sa imprastruktura ay makakatulong sa mga kumpanya at pamahalaan na makatipid ng bilyong dolyar taun-taon sa mga hindi epektibong paggamit ng enerhiya at maiwasan ang gastusin sa pagpapanatili, ayon sa mga mananaliksik. Ayon kay Kyoo-Chul Kenneth Park, pinuno ng pag-aaral at assistant professor ng mechanical engineering sa McCormick School of Engineering sa NU:

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

Sa taong pananalapi na ito, nakakuha ang unibersidad ng rekord na $1.05 bilyon na pondo sa pananaliksik, tumaas ng 5% mula noong nakaraang taon.

Itinuro ni Park kung paano ang krisis sa kuryente noong 2021 sa Texas ay nagdulot ng napakalaking $195 bilyon na pinsala, na direktang resulta ng yelo, frost, at matinding lamig sa loob ng higit sa 5 araw, na nakaapekto sa 4.5 milyong sambahayan.

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

– Park, isang faculty affiliate ng International Institute for Nanotechnology at ng Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Gayunpaman, kailangan natin hindi lamang ng mga anti-frosting na teknik kundi pati na rin ng mga madaling gawin at ipatupad. Sa pag-iisip na ito, nilikha ng mga mananaliksik ang kanilang hybrid na anti-frosting na pamamaraan, na matibay, maaaring i-scale, madaling gawin gamit ang 3D printing, at kayang pigilan ang pagyeyelo ng ilang linggo.

Pagsasama ng Heometriya ng mga Dahon sa Hygroscopic na Katangian ng GO

Ang bagong pag-aaral ay talagang binuo mula sa nakaraang gawain ng koponan ni Park noong 2020, kung saan natuklasan nila na ang pagbabago ng texture ay nagpapababa ng pagbuo ng frost ng hanggang 60%. Samantala, ang pagdaragdag ng mga texture na may sukat na milimetro—optimisadong, matulis na serye ng mga tuktok at lambak na makikita sa kalikasan—sa isang ibabaw ay maaaring magpababa ng pagbuo ng frost ng hanggang 80%.

Para sa pagtuklas na ito, ang mga inhinyero ay kumukuha ng inspirasyon mula sa heometriya ng mga dahon ng mint. Ayon kay Park noong panahong iyon, ang mga convex na bahagi ng dahon ay nakakaranas ng mas maraming pagbuo ng frost kumpara sa mga concave (bisa) na bahagi, na talagang nakakakuha ng “mas kaunting frost.”

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.”

Ang alon-alon na heometriya ng mga dahon ay nangangahulugang ang frost ay nabubuo sa mga tuktok kung saan pinalalakas ang kondensasyon ngunit bihira sa mga lambak, kung saan pinipigil ang kondensasyon. Anumang maliit na dami ng kondensadong tubig sa mga lambak ng alon-alon na mga ibabaw ay nag-evaporate, na nagreresulta sa isang lugar na walang frost.

Kagiliw-giliw, kahit na gumagamit ng materyal na nakakaakit ng tubig, pareho pa rin ang resulta: ang tubig ay nag-evaporate mula sa mga lambak kapag nasa ibaba ng punto ng pagyeyelo.

Gamit ang impormasyong ito, naghanap ang koponan ng pinakamainam na texture ng ibabaw, na isang ibabaw na may mga tuktok at lambak na may taas na milimetro at may pagitan lamang ng 40-60-degree na anggulo.

Ang manipis na linya ng frost na patuloy na nabubuo sa mga tuktok ng ibabaw na ito ay maaaring matunaw gamit ang mas kaunting enerhiya at nag-aalis ng pangangailangan para sa mga coating o likido na may mas mababang punto ng pagyeyelo.

“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, ipinakilala ng koponan ang graphene oxide (GO) sa timpla, na idinadagdag sa mga patag na lambak upang ganap na mabawasan ang pagbuo ng frost, kahit sa mga lambak.

Pinili ang GO dahil sa natatanging hygroscopic na katangian nito, na kakayahan ng materyal na makaakit at humawak ng mga molekula ng tubig sa pamamagitan ng pagsipsip. Ang rate ng pagsipsip ng singaw ng tubig ng GO ay 2 beses kaysa sa silica gel. Bukod pa rito, may likas na kakayahan ang GO na pigilan ang pagyeyelo ng mga intercalated na molekula ng tubig sa pamamagitan ng mga epekto ng nanoconfinement.

Ang bagong ibabaw ay may maliliit na bukol din, na may distansya ng tuktok-sa-tuktok na 5 mm. Isang manipis na patong ng GO, na may kapal lamang na 600 microns, ay nilagyan sa mga lambak sa pagitan ng mga tuktok. 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.”

Ang pagdaragdag ng graphene oxide sa macrotexture na ibabaw ay tumulong sa ibabaw na labanan ang frost sa mataas na supersaturation sa mahabang panahon, na nagreresulta sa experimental na hybrid na ibabaw na “isang matatag, pangmatagalan, rehiyong walang frost.”

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

It shows how frost forms on the surface’s honeycomb-shaped peaks while the flat valleys remain frost-free. In the video, the surface on the right has a thin coat of GO.

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

Kung ikukumpara sa 100% na resistensya sa pagbuo ng frost sa loob ng 150 oras, ang mga super water-repellent at lubricant-infused na mga ibabaw ay nakayanan lamang na pigilan ang 5-36% ng pagbuo ng frost, at iyon lamang sa loob ng 5 oras. Mayroon ding isyu ng pagiging madaling masira ng iba pang anti-frosting na mga ibabaw mula sa gasgas o kontaminasyon, “na nagpapababa ng pagganap ng ibabaw sa paglipas ng panahon.”

Ang hybrid macrotexture-graphene oxide na ibabaw ni Park, sa kabilang banda, ay matibay laban sa ganitong pinsala at, dahil dito, pinahahaba ang buhay ng ibabaw.

Sa kasalukuyan, walang ‘isang sukat para sa lahat’ na pamamaraan na magagamit sa merkado dahil sa mga partikular na pangangailangan ng iba’t ibang aplikasyon. Halimbawa, ang mga eroplano ay nangangailangan lamang ng ilang segundo ng resistensya sa frost kumpara sa mga linya ng kuryente, na patuloy na gumagana sa malamig na kapaligiran at maaaring mangailangan ng araw o linggo ng resistensya sa frost.

Ayon sa mga mananaliksik, ang bagong teknik ay maaaring gamitin upang magdisenyo ng mga pakpak ng eroplano pati na rin ng mga linya ng kuryente na may nabawasang pagdikit ng yelo upang makabuluhang mabawasan ang taunang gastusin sa pagpapanatili. Ang pamamaraan ay makakatulong din na maiwasan ang hindi epektibong paggamit ng enerhiya at suportahan ang ligtas na operasyon ng imprastruktura sa malamig na kapaligiran.

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.

Ang mga ibabaw na maaaring mapigilan ang paglago ng yelo, partikular, ay nakakuha ng maraming interes, tulad ng nakita natin sa pinakabagong pag-aaral, bilang isang cost-effective na alternatibo.

Tulad ng aming ibinahagi noong unang bahagi ng taong ito, ang mga mananaliksik mula sa College of Engineering ng Drexel ay lumikha rin ng self-heating concrete na naglilinis ng niyebe pati na rin ng nagyeyelong ulan nang mag-isa, nang hindi kailangan ng sinuman na mag-ukit, mag-gapas, o maglagay ng asin, na negatibong nakakaapekto sa mga ibabaw sa loob ng tatlong taon.

Upang mapalawig ang operational na buhay ng mga kalsada at iba pang imprastruktura at makatipid sa kanilang pagpapanatili, gumamit ang mga mananaliksik ng low-temperature phase change material (PCM) na liquid paraffin para sa self-heating concrete na ito. Kapag bumaba ang temperatura sa ∼0°C o 32°F, naglalabas ang materyal ng init at nagiging solid mula sa liquid, na nagreresulta sa unti-unting pagkatunaw ng yelo.

Pagkatapos, isang koponan ng mga mananaliksik sa Canada 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 nagtutok sa mga superhydrophobic na ibabaw na may mahusay na anti-icing at water-repellent na pagganap sa mababang temperatura. Ang mga ibabaw na ito, hindi tulad ng malawak na pinag-aralang mga superhydrophobic na ibabaw—lalo na para sa kanilang potensyal na aplikasyon sa aerospace—ay hindi gaanong naiulat.

Upang lumikha ng ganitong mga ibabaw, nag-etch ang mga mananaliksik ng square micropillar arrays sa multiwalled carbon nanotube (MWCNT)/poly(dimethylsiloxane) (PDMS) na mga pelikula, na nagreresulta sa triple ice-phobicity na nananatiling aktibo kahit sa −40 °C.

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.

Isang hiwalay na pag-aaral sa slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPSs), na malawak na ginagamit bilang epektibong passive na paraan upang mabawasan ang mga sakuna dulot ng pagyeyelo, ay natuklasan na ang ilang katangian ay susi para sa tibay. Ang maliliit na butas (tinatayang 100 nm), na naglalapat ng malakas na capillary pressure sa lubricant, at mataas na porosity (66%), na nagbibigay ng malaking lubricant-liquid contact ratio, ay partikular na kapaki-pakinabang para sa matibay na anti-icing SLIPS.

Ang all-season smart-roof coating ay isa pang solusyon na nagpapanatiling mainit ang mga gusali tuwing taglamig at malamig tuwing tag-init. Ang coating na ito ay hindi nangangailangan ng kuryente o gas; gumagamit ito ng TARC, o temperature-adaptive radiative coating, na awtomatikong pinapatay ang radiative cooling sa taglamig upang matiyak na walang nasasayang na enerhiya.

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

Ngayon, titingnan natin ang mga kumpanya na maaaring makinabang mula sa pag-unlad ng anti-frost na teknolohiya pati na rin ang mga tumutulong sa pagpapalago ng larangang ito.

Sa sektor ng aerospace, ang Lockheed Martin (LMT ) ay isang kilalang pangalan, at ang mga frost-resistant na ibabaw ay makakatulong na mapabuti ang pagganap at tibay ng parehong militar at komersyal na eroplano nito. Ang kumpanyang may market cap na $129.26 bilyon ay kasalukuyang nagte-trade sa $545.35, tumaas ng 20.32% ngayong taon. Mayroon itong EPS (TTM) na 27.65, P/E (TTM) na 19.73, at dividend yield na 2.42%.

Boeing (BA ) ay isa pang kumpanya mula sa sektor ng aerospace na malaki ang pamumuhunan sa de-icing na teknolohiya upang mapabuti ang kaligtasan at kahusayan. Gayunpaman, ang $95 bilyon na kumpanyang ito ay kasalukuyang nagte-trade sa $155.33, bumaba ng 40.69% YTD dahil sa mga eroplano nitong nasisira at whistleblower na namamatay.

Ang mga kumpanya tulad ng 3M (MMM ) ay gumaganap din ng mahalagang papel dahil sa kanilang pakikilahok sa mga inobasyon sa materyales. Ang kumpanyang may market cap na $69 bilyon ay tumaas ng 16.37% YTD habang nagte-trade sa $127.22 na may EPS (TTM) na 7.63 at P/E (TTM) na 16.68 habang nagbabayad ng dividend yield na 2.20%.

1. Raytheon Technologies

Ang graphene oxide-based na teknik mula sa NU ay makakatulong sa tagapagbigay ng teknolohiyang panghimpapawid at depensa na ito na mapabuti ang ligtas na operasyon sa malamig na kapaligiran. Ang Raytheon ay isang kumpanya na may market cap na $158 bilyon na ang mga shares ay nagte-trade sa $118.75, tumaas ng 41.13%, habang may EPS (TTM) na 3.52, P/E (TTM) na 33.78, at dividend yield na 2.12%.

Para sa Q3 2024, ang benta ay iniulat na $20.1 bilyon, tumaas ng 6% mula sa nakaraang taon, habang ang backlog ay $221 bilyon. Ang backlog na ito ay kinabibilangan ng $131 bilyon sa komersyal at $90 bilyon sa depensa. Ang libreng cash flow sa katapusan ng quarter ay $2 bilyon, habang $1.1 bilyon na kapital ang ibinalik sa mga shareholders.

2. Proto Labs

Para sa mga bagong teknolohiyang ito na mabilis na makapasok sa merkado, kailangan silang gawin nang kasing bilis. At dito pumapasok ang mga kumpanyang tulad ng Proto Labs (PRLB ). Gumagamit ito ng 3D printing, injection modeling, at CNC machining upang gumawa ng mga bahagi. Ang kumpanyang ito na may market cap na $955.6 milyon, na ang mga shares ay nagte-trade sa $38.75, ay bumaba ng 2.46% habang may EPS (TTM) na 0.94 at P/E (TTM) na 40.30.

Para sa Q3 2024, ito ay iniulat na $125.6 milyon ang kita, na 3.9% na pagbaba mula sa Q3 ng nakaraang taon. Ang netong kita ay $7.2 milyon, habang ang EBITDA ay $17.5 milyon. Nagsilbi ito sa 22,511 na customer contacts sa panahong ito. Ang kumpanya, gayunpaman, ay nakalikha ng pinakamataas na quarterly operating cash flow sa apat na taon, na sinabi ng CEO na si Dan Schumacher na “isang patunay sa kakayahang kumita ng modelo ng Protolabs laban sa anumang macro na kalagayan.”

Konklusyon

Ang pinakabagong tuklas ng mga mananaliksik ng Northwestern University na makabuluhang mabawasan ang pagbuo ng frost sa anumang ibabaw ay may malaking potensyal na gawing mas maayos ang buhay ng mga tao sa pamamagitan ng pagbawas ng bilang ng mga kinanselang flight, na maaaring ma-ground dahil sa pinakamaliit na patong ng frost, at pagbawas ng paggamit ng malalakas na kemikal para sa de-icing.

Bilang isang matibay na anti-frosting na kasangkapan, ang hybrid macrotexture-GO na ibabaw ay makakatulong pang bawasan ang dami ng enerhiya at gastos na kailangan sa pag-defrost. Sa ganitong paraan, maaari itong magkaroon ng malakas na aplikasyon sa mga industriya na nangangailangan ng mahabang pasibong anti-frosting na panahon, kabilang ang aerospace, pamamahagi ng kuryente, at transportasyon.

Sa pangkalahatan, ang ganitong mga pag-unlad sa anti-frost na teknolohiya ay makakatulong magbigay ng matibay at napapanatiling solusyon sa mga hamon na dulot ng panahon na nararanasan taon-taon, na sa kalaunan ay tumutulong magtayo ng mas epektibo at matibay na imprastruktura at may malaking epekto sa ekonomiya.

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