Från flygplansvingar till luftledningar till de gigantiska bladen på vindturbiner, en ansamling av is kan orsaka problem som sträcker sig från försämrad prestanda hela vägen till katastrofala misslyckanden. Men för att förhindra den uppbyggnaden krävs vanligtvis energikrävande värmesystem eller kemiska sprayer som är miljöskadliga. Nu, MIT-forskare har utvecklat en helt passiv, soldrivet sätt att bekämpa isuppbyggnad.

Systemet är anmärkningsvärt enkelt, baserat på ett treskiktsmaterial som kan appliceras eller till och med sprayas på de ytor som ska behandlas. Den samlar in solstrålning, omvandlar det till värme, och sprider den värmen runt så att smältningen inte bara begränsas till de områden som utsätts direkt för solljus. Och, en gång ansökt, det kräver ingen ytterligare åtgärd eller strömkälla. Den kan till och med göra sitt avisningsarbete på natten, med hjälp av artificiell belysning.

Det nya systemet beskrivs idag i tidskriften Vetenskapens framsteg , i en artikel av MIT docent i maskinteknik Kripa Varanasi och postdoktorerna Susmita Dash och Jolet de Ruiter.

"Isning är ett stort problem för flygplan, för vindkraftverk, kraftledningar, oljeplattformar till havs, och många andra ställen, " Varanasi säger. "De konventionella sätten att ta sig runt det är avisningssprayer eller genom uppvärmning, men de har problem."

Inspirerad av solen

De vanliga avisningssprayerna för flygplan och andra applikationer använder etylenglykol, en kemikalie som är miljöovänlig. Flygbolag gillar inte att använda aktiv uppvärmning, både av kostnads- och säkerhetsskäl. Varanasi och andra forskare har undersökt användningen av superhydrofoba ytor för att passivt förhindra isbildning, men dessa beläggningar kan försämras av frostbildning, som tenderar att fylla de mikroskopiska texturerna som ger ytan dess isavgivande egenskaper.

Som en alternativ undersökningslinje, Varanasi och hans team övervägde den energi som solen avger. De ville se, han säger, om "det finns ett sätt att fånga den värmen och använda den på ett passivt sätt." De fann att det fanns.

Det är inte nödvändigt att producera tillräckligt med värme för att smälta huvuddelen av isen som bildas, laget hittade. Allt som behövs är gränsskiktet, precis där isen möter ytan, att smälta tillräckligt för att skapa ett tunt lager vatten, vilket kommer att göra ytan tillräckligt halt så att all is bara glider direkt av. Detta är vad teamet har uppnått med det treskiktade materialet de har utvecklat.

Lager på lager

Det översta lagret är en absorbent, som fångar in inkommande solljus och omvandlar det till värme. Materialet som laget använde är mycket effektivt, absorberar 95 procent av det infallande solljuset, och förlorar bara 3 procent till återstrålning, säger Varanasi

I princip, det lagret skulle i sig kunna bidra till att förhindra frostbildning, men med två begränsningar:Det skulle bara fungera i områden direkt i solljus, och mycket av värmen skulle gå förlorad tillbaka in i substratmaterialet – flygplanets vinge eller elledning, till exempel — och skulle inte hjälpa till med avisningen.

Så, för att kompensera för lokaliseringen, teamet lade till ett spridarlager – ett mycket tunt lager av aluminium, bara 400 mikrometer tjock, som värms upp av absorbentskiktet ovanför och mycket effektivt sprider den värmen ut i sidled för att täcka hela ytan. Materialet valdes för att ha "termisk respons som är tillräckligt snabb så att uppvärmningen sker snabbare än frysningen, " säger Varanasi.

Till sist, det undre lagret är helt enkelt skumisolering, för att förhindra att någon av värmen slösas ner och hålla den där den behövs, vid ytan.

"Förutom passiv avisning, den fototermiska fällan håller sig vid en förhöjd temperatur, på så sätt förhindrar isbildning helt och hållet, " säger Dash.

De tre skikten, allt tillverkat av billigt kommersiellt tillgängligt material, binds sedan samman, och kan bindas till den yta som behöver skyddas. För vissa applikationer, materialen kan istället sprayas på en yta, ett lager i taget, säger forskarna.

Teamet genomförde omfattande tester, inklusive verklig utomhustestning av materialen och detaljerade laboratoriemätningar, för att bevisa systemets effektivitet.

Systemet kan till och med hitta bredare kommersiella användningsområden, såsom paneler för att förhindra isbildning på hustak, skolor, och andra byggnader, säger Varanasi. Teamet planerar att fortsätta arbetet med systemet, testa den för lång livslängd och för optimala appliceringsmetoder. Men det grundläggande systemet skulle i princip kunna tillämpas nästan omedelbart för vissa användningsområden, speciellt stationära applikationer, han säger.