Don Sıradan Görünebilir, Ancak Havacılık Sektöründe Felaket Yaratıyor. Grafen Bunu Değiştirebilir.

Her yıl, don gelir ve güzel ve huzurlu bir manzara yaratır. Bu ince buz tabakası, sıcaklık donma seviyelerine ya da altına düştüğünde zemine benzer katı bir yüzeyde oluşur.

Hava, belirli bir sıcaklıkta tutabileceğinden daha fazla su buharına sahip olduğunda don oluşur.

Güzel olmasına rağmen, don aynı zamanda potansiyel olarak tehlikelidir. Kaygan yüzeyleri kazıma zahmeti yaratmakla kalmaz, aynı zamanda araç sensörlerinin bozulması, buzdolabı ve dondurucuların enerji verimliliğinin azalması, enerji hatlarına eklenen ağırlık nedeniyle kesintilere ve değerli sebze ve çiçek bahçenize zarar vermeye yol açar.

Bu hepsi değil. Don ayrıca uçakları hız kaybı, kontrol verimliliğinin azalması ve pitch dengesizliğiyle olumsuz etkiler; bu da kazalara yol açabilir. Ayrıca kanatların aerodinamik özelliklerini değiştirerek uçak kalkışlarını engeller, uçuşları tehlikeli ya da imkânsız hâle getirir.

Iron Man’deki Tony Stark, kıyafetindeki buz birikimini kendi lehine ve rakibine karşı kullanabilse de, bu bizim günlük hayatımızda mümkün değildir.

Bu yüzlerce milyar dolarlık soruna etkili bir çözüm gerekir ve Northwestern Üniversitesi mühendisleri bir çözüm buldu. Donun ilk aşamada oluşmasını engelleyen bir strateji geliştirdiler.

Uzun Süreli Don-Serbest Bölgeler Elde Etmek

Peki, çözüm nedir? Northwestern mühendislerinin keşfettiği çözümün ana bileşenlerinden biri grafen etrafında dönüyor.

Grafitten elde edilen grafen, saf karbondan oluşur; en önemli elementlerden biri ve doğada dördüncü en bol bulunan elementtir.

Bu malzeme özellikle hafif olmasıyla bilinir. Tek bir atom kalınlığında olan grafen, bilinen en ince bileşiktir. Ayrıca oldukça dayanıklıdır; çelikten yaklaşık 100-300 kat daha güçlüdür. Esnekliğinin yanı sıra, grafen en iyi elektrik iletkenidir ve ışığın eşit şekilde absorpsiyonu ile tanınır.

Tüm bu özellikler, grafeni kompozitler, elektronik, sensör ve görüntüleme, enerji, telekomünikasyon ve biyomedikal teknolojiler gibi alanlarda umut verici uygulamalara sahip kılar.

Northwestern Üniversitesi araştırmacıları artık bu malzemeyi donla mücadele için kullanıyor. Özellikle, bir buçuk yüzyıl önce önerilen ve son yıllarda grafenin kitlesel üretimi için potansiyel bir başlangıç malzemesi olarak kullanılan grafen oksit (GO) kullanıyorlar.

Grafenden çok önce bilinen bu karbon bazlı nanomalzeme, doğal grafitin güçlü oksidanlarla kimyasal oksidasyonu yoluyla üretilir.

Yeni çalışmada, mühendisler bir yüzeyin dokusunu değiştirip üzerine ince bir GO tabakası eklemenin, yüzeylerde bir hafta boyunca, hatta daha uzun süre don oluşumunu tamamen engellediğini buldular.

Grafen oksit, su buharını (gaz halinde su) yapısına çeker ve hapseder; böylece suyun donmasını etkili bir şekilde önler. Makrotür yüzeyle birleştirildiğinde, yüksek süpersatürasyonlu uzun bir dönem sağlar.

Bu haftalık don önleme, mevcut gelişmiş anti-don yüzeylerinin sağladığından bin kat daha uzun bir süredir. Ayrıca ölçeklenebilir yeni yüzey tasarımı, çizilmelere, çatlaklara ve kontaminasyona da dayanıklıdır.

Bu dokulu yüzeyin altyapıya entegre edilmesi, şirketlerin ve hükümetlerin enerji verimsizliklerinden yılda milyarlarca dolar tasarruf etmelerine ve bakım maliyetlerinden kaçınmalarına yardımcı olabilir, araştırmacılar tahmin ediyor. Northwestern Üniversitesi McCormick Mühendislik Okulu’nda makine mühendisliği yardımcı doçenti olan Kyoo-Chul Kenneth Park’a göre:

“İstenmeyen don birikimi, endüstriyel, konut ve hükümet sektörlerinde büyük bir endişe kaynağıdır.”

Bu mali yılda, üniversite araştırma fonlamasında 1,05 milyar dolar rekor bir tutar elde etti; bu, geçen yıla göre %5 artış demektir.

Park, 2021’de Teksas’ta yaşanan enerji krizinin, buz, don ve aşırı soğuk koşullarının 5 günden fazla sürmesi nedeniyle 195 milyar dolar zarara yol açtığını ve 4,5 milyon haneyi etkilediğini belirtti.

“Bu nedenle, aşırı çevre koşullarında uzun süre dayanıklı anti-don teknikleri geliştirmek kritik önemdedir.”

– Park, Uluslararası Nanoteknoloji Enstitüsü ve Paula M. Trienens Sürdürülebilirlik ve Enerji Enstitüsü’nde fakülte üyesi

Ancak sadece anti-don tekniklerine değil, aynı zamanda kolay üretilebilen ve uygulanabilen tekniklere de ihtiyacımız var. Bu düşünceyle, araştırmacılar dayanıklı, ölçeklenebilir, 3D baskı ile kolayca üretilebilen ve haftalarca don oluşumunu engelleyebilen hibrit bir anti-don yöntemi geliştirdiler.

Yaprakların Geometrisini GO’nun Higroskopik Özellikleriyle Birleştirmek

Yeni çalışma, aslında Park ekibinin 2020’deki önceki çalışmasına dayanıyor; o çalışmada doku değiştirmenin don oluşumunu %60’a kadar azalttığını bulmuşlardı. Öte yandan, milimetre ölçeğinde, doğada gözlemlenen keskin tepe ve vadiler gibi optimize edilmiş doku eklemek, don oluşumunu %80’e kadar düşürebilir.

Bu keşif için mühendisler nane yapraklarının geometrisinden ilham aldılar. Park o zaman şöyle açıklamıştı: bir yaprağın dışbükey bölgeleri, içbükey (damarlar) bölgelere göre daha fazla ön yüzey oluşturur ve bu bölgeler “çok daha az don” alır.

Bu uzun süredir fark edilse de, neden ve nasıl olduğunu açıklayan bir neden bulunmamıştı. O şöyle dedi:

“Bu durumu kontrol edenin malzeme değil, geometri olduğunu bulduk.”

Yaprakların dalgalı geometrisi, donun tepelere, yani yoğunlaşmanın arttığı bölgelere, ancak vadilere, yani yoğunlaşmanın bastırıldığı bölgelere nadiren oluştuğu anlamına gelir. Dalgalı yüzeylerin vadilerindeki az miktarda yoğunlaşmış su buharlaşır ve don-olmayan bir alan ortaya çıkar.

İlginç bir şekilde, suyu çeken bir yüzey malzemesi kullanılsa bile aynı sonuç gözlemlenir: su, donma noktasının altında vadilerden buharlaşır.

Bu bilgiyi kullanarak ekip, optimum yüzey dokusunu buldu; bu, milimetre yüksekliğinde tepe ve vadiler içeren ve aralarındaki açıların sadece 40-60 derece olduğu bir yüzeydi.

Bu yüzeyin tepelerinde hâlâ oluşan ince don çizgisi, çok daha az enerjiyle eritilebilir ve daha düşük donma noktalarına sahip yüzey kaplamaları ya da sıvıların kullanılmasına gerek kalmaz.

“Don-olmayan bölge, eritme sürecini başlatır. Böylece don sorunlarını çözmek için kullanılan malzeme ve enerji miktarı azalır.”

– Park

Yeni çalışmada ekip, karışıma grafen oksit (GO) ekledi; bu, vadilere eklenerek don oluşumunu tamamen, hatta vadilerde bile azaltır.

GO, olağanüstü higroskopik özellikleri nedeniyle seçildi; bu, malzemenin su moleküllerini çekme ve tutma yeteneğidir. GO’nun su buharı absorpsiyon hızı, silika jelinkinin iki katıdır. Ayrıca GO, nanokonfinman etkileriyle gömülü su moleküllerinin donmasını baskılayabilen içsel bir yeteneğe sahiptir.

Yeni yüzey ayrıca 5 mm aralıklarla küçük çıkıntılara sahiptir. GO’nun sadece 600 mikron kalınlığında ince bir tabakası, tepeler arasındaki vadilere kaplanır. Park’a göre:

“Grafen oksit su buharını çeker ve ardından su moleküllerini yapısına hapseder. Böylece, grafen oksit tabakası su buharının donmasını önleyen bir kap gibi davranır.”

Makrotür yüzeye grafen oksit eklemek, yüzeyin yüksek süpersatürasyonda uzun bir süre don direncini artırdı ve deneysel hibrit yüzeyi “kararlı, uzun ömürlü, don-olmayan bir bölge” haline getirdi.

Bu tekniğin bir gösterimini YouTube’da izleyebilirsiniz; resmi NU kanalında yayınlanmıştır:

Yüzeyin bal peteği şeklindeki tepelerinde donun nasıl oluştuğunu, düz vadilerin ise don-olmayan kaldığını gösterir. Videoda, sağdaki yüzey ince bir GO kaplamasına sahiptir.

Yöntemlerinin üstünlüğünü göstermek için Park ekibi, bunu diğer gelişmiş anti-don yüzeyleriyle karşılaştırdı.

%100 don oluşum direncine sahip 150 saatlik bir referansa kıyasla, süper su itici ve yağlayıcı enjekte edilmiş yüzeyler sadece %5-36 arasında don oluşumunu 5 saat boyunca engelleyebildi. Ayrıca diğer anti-don yüzeylerinin çizilme veya kontaminasyondan kaynaklanan hasara karşı duyarlılığı, “zamanla yüzey performansını düşürür”.

Park’ın hibrit makrotür-grafen oksit yüzeyi ise bu tür hasarlara karşı dayanıklıdır ve bu sayede yüzeyin ömrünü uzatır.

Şu anda, farklı uygulamaların özel ihtiyaçları nedeniyle piyasada tek bir çözüm bulunmamaktadır. Örneğin, uçaklar sadece saniyeler süren don direncine ihtiyaç duyarken, enerji hatları soğuk ortamda sürekli çalıştığı için günler ya da haftalar süren don direncine ihtiyaç duyar.

Araştırmacılara göre yeni teknik, uçak kanatları ve enerji hatları gibi tasarımlarda buz yapışmasını azaltarak yıllık bakım maliyetlerini önemli ölçüde düşürmek için kullanılabilir. Bu yöntem ayrıca enerji verimsizliklerini önlemeye ve soğuk ortamda altyapının güvenli çalışmasına yardımcı olur.

Zorlu İklimlerde Altyapıyı Koruma

Soğuk iklimler, sıcak battaniyeler, sıcak çikolatalar ve kutlama duygularının rahatlığını getirir. Ancak aynı zamanda, özellikle sağlık sorunları ve altyapı hasarı şeklinde kendi sorunlarını da beraberinde getirir.

Buz ve kar birikimi, gemi, araba ön camları, enerji hatları, rüzgar türbinleri ve uçakların performansını ve güvenliğini tehlikeye atabilir. Bu yüzden araştırmacılar bu sorunları çözmeye çalışıyor.

Özellikle buz büyümesini azaltabilen yüzeyler, son çalışmada da gördüğümüz gibi, maliyet-etkin bir alternatif olarak büyük ilgi görüyor.

Bu yılın başında paylaştığımız gibi, Drexel Mühendislik Fakültesi araştırmacıları, kendi kendine kar ve donmuş yağmuru temizleyen, üç yıl boyunca yüzeyleri olumsuz etkileyen kazma, kepçe veya tuzlama ihtiyacını ortadan kaldıran kendi kendine ısıtan beton geliştirdi.

Yolların ve diğer altyapıların işletme ömrünü uzatmak ve bakım maliyetlerini azaltmak için araştırmacılar, düşük sıcaklıkta faz değişim malzemesi (PCM) sıvı parafin kullandı. Sıcaklık ~0°C ya da 32°F’e düştüğünde, malzeme ısı yayar ve sıvıdan katı hâle geçerek buzun yavaşça erimesini sağlar.

Ardından, Kanada’daki bir araştırma ekibi, termal yalıtım ve süperhidrofobik özellikleri birleştirerek kendi kendine karı iten bir yüzey geliştirdi. Grup, silika aerogel’in kar erimesini en aza indirdiğini ve yapışkan buz tabakasının oluşumunu önlediğini, süperhidrofobikliğin temas alanını azalttığını ve ara yüz su damlacıklarını iterek kar yapışma gücünü daha da düşürdüğünü buldu.

Başka bir çalışmada, Çinli araştırmacılar, düşük sıcaklıklarda mükemmel anti-icing ve su itici performans gösteren süperhidrofobik yüzeylere odaklandı. Bu yüzeyler, özellikle uzay uygulamaları için potansiyel taşıyan süperhidrofobik yüzeyler, geniş çapta rapor edilmemiştir.

Bu tür yüzeyleri oluşturmak için araştırmacılar, çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT)/polidimetilsiloksan (PDMS) filmlere kare mikropillar dizileri kazıyarak, -40°C’de bile aktif kalan üçlü buz-anti özellik elde ettiler.

Araştırmacılar, bunun buz-anti uygulamalarda biyonik akıllı çok işlevli malzemeler için yeni olasılıklar açtığını düşünüyor.

Kaygan sıvı ile doldurulmuş gözenekli yüzeyler (SLIPS) üzerine ayrı bir çalışma, buzlanma felaketlerini azaltmak için etkili pasif bir yaklaşım olarak yaygın şekilde kullanılıyor ve dayanıklılık için belirli özelliklerin kritik olduğunu buldu. Küçük gözenekler (yaklaşık 100 nm), yağlayıcı üzerinde güçlü kapiler basınç uygular ve yüksek gözeneklilik (%66), büyük bir yağlayıcı-sıvı temas oranı sağlar; bu özellikler dayanıklı anti-icing SLIPS için özellikle faydalıdır.

Tüm mevsim akıllı çatı kaplaması, binaları kışın sıcak, yazın serin tutan bir diğer çözümdür. Bu kaplama herhangi bir elektrik ya da gaz gerektirmez; TARC, yani sıcaklığa uyumlu radyatif kaplama, kışın radyatif soğumayı otomatik olarak kapatarak enerji israfını önler.

Yüzeyleri hedef almanın yanı sıra, altyapı iyileştirmelerinde bakım maliyetlerini azaltıp çevreyi koruyan adaptif çatı kiremitleri gibi yenilikler de geliştirilmiştir; bu kiremitler, farklı sıcaklıklara yanıt veren bir radyatif anahtara sahiptir.

İncelenecek Şirketler

Şimdi, anti-don teknolojilerinin gelişiminden faydalanabilecek ve bu alana katkı sağlayan şirketlere bir göz atalım.

Havacılık sektöründe, Lockheed Martin (LMT ) popüler bir isimdir ve don- dirençli yüzeyler hem askeri hem de ticari uçaklarının performansını ve dayanıklılığını artırabilir. 129,26 milyar dolar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri şu anda 545,35 dolar işlem görmekte, bu yıl %20,32 artış göstermiştir. EPS (TTM) 27,65, P/E (TTM) 19,73 ve temettü getirisi %2,42’dir.

Boeing (BA ) başka bir havacılık şirketidir ve buz çözme teknolojilerine yoğun yatırım yaparak güvenlik ve verimliliği artırmaktadır. Ancak bu 95 milyar dolar değerindeki şirketin hisseleri şu anda 155,33 dolar işlem görmekte, YTD %40,69 düşüş göstermektedir; çünkü uçakları parçalanıyor ve ihbarcılar ölüyor.

3M (MMM ) gibi şirketler, malzeme yeniliklerindeki rolleri nedeniyle önemli bir konuma sahiptir. Bu 69 milyar dolar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri %16,37 YTD artış göstererek 127,22 dolardan işlem görmekte, EPS (TTM) 7,63 ve P/E (TTM) 16,68 iken temettü getirisi %2,20’dir.

1. Raytheon Technologies

NU’n grafen oksit temelli tekniği, bu havacılık ve savunma teknoloji sağlayıcısının soğuk ortamlarda güvenli operasyonlarını iyileştirebilir. Raytheon, 158 milyar dolar piyasa değerine sahip bir şirket olup hisseleri 118,75 dolar işlem görmekte, %41,13 artış göstermekte ve EPS (TTM) 3,52, P/E (TTM) 33,78 ve temettü getirisi %2,12’dir.

2024 üçüncü çeyrek için satışların rapor edildiği 20,1 milyar dolar olduğu, bir önceki yıla göre %6 artış gösterdi; sipariş birikimi ise 221 milyar dolar. Bu birikim, ticari segmentte 131 milyar dolar ve savunma segmentinde 90 milyar dolar içeriyor. Çeyrek sonunda serbest nakit akışı 2 milyar dolar iken, 1,1 milyar dolar sermaye hissedarlara geri döndü.

2. Proto Labs

Bu yeni teknolojilerin pazara hızlıca girebilmesi için üretim de aynı hızda olmalı. İşte bu noktada Proto Labs (PRLB ) gibi şirketler devreye giriyor. 3D baskı, enjeksiyon modelleme ve CNC işleme kullanarak parçalar üretiyor. 955,6 milyon dolar piyasa değerine sahip bu şirketin hisseleri 38,75 dolar işlem görmekte, %2,46 düşüşte ve EPS (TTM) 0,94, P/E (TTM) 40,30’dur.

2024 üçüncü çeyrek için rapor edilen gelir 125,6 milyon dolar olup, geçen yılın üçüncü çeyreğine göre %3,9 azalmıştır. Net gelir 7,2 milyon dolar, EBITDA 17,5 milyon dolar olmuştur. Bu dönemde 22.511 müşteri teması gerçekleştirilmiştir. Şirket, dört yıl içinde en yüksek çeyrek işletme nakit akışını elde etmiş; CEO Dan Schumacher, bunun “Protolabs modelinin kârlılığının herhangi bir makro ortamda bir kanıtı” olduğunu söyledi.

Sonuç

Northwestern Üniversitesi araştırmacılarının herhangi bir yüzeyde don oluşumunu önemli ölçüde azaltan son keşfi, insanların hayatlarını daha sorunsuz hâle getirme potansiyeline sahiptir; hafif bir don tabakası nedeniyle iptal edilen uçuş sayısını azaltarak ve güçlü buz çözme kimyasallarının kullanımını düşürerek.

Sağlam bir anti-don aracı olarak, hibrit makrotür-GO yüzeyi, buz çözme için gereken enerji ve maliyeti daha da azaltabilir. Böylece, uzun pasif anti-don süresi gerektiren havacılık, enerji dağıtımı ve ulaşım gibi sektörlerde güçlü bir uygulama bulabilir.

Genel olarak, anti-don teknolojisindeki bu tür ilerlemeler, her yıl yaşanan hava koşullarıyla ilgili zorluklara dayanıklı ve sürdürülebilir çözümler sunabilir; bu da daha verimli ve dayanıklı altyapı inşa etmeye yardımcı olur ve önemli bir ekonomik etki yaratır.

Kendi kendine ısıtan beton hakkında tüm bilgileri öğrenmek için buraya tıklayın.