Pakkanen voi vaikuttaa arjalta, mutta se aiheuttaa tuhoja ilmailuteollisuudessa. Grafeeni voi muuttaa tämän.

Joka vuosi pakkanen tulee ja luo kauniin ja rauhallisen maiseman. Tämä ohut jääkerros muodostuu kiinteälle pinnalle, kuten maahan, kun lämpötila laskee jäännön tasolle tai sen alle.

Kun ilmassa on enemmän vesihöyryä kuin se voi sisältää tietyssä lämpötilassa, muodostuu pakkanen.

Vaikka pakkanen on kaunis, se on myös potentiaalisesti vaarallinen. Se ei ole vain päänsärkyä liukkaiden pintojen raapimisessa, vaan se johtaa myös muihin vakaviin ongelmiin, kuten heikentyneisiin ajoneuvojen antureihin, pakastimien ja jääkaappien energiatehokkuuden laskuun, lisääntyneeseen painoon voimalinjoissa, joka voi aiheuttaa sähkökatkoja ja vahinkoa arvokkaille kasvi- ja kukkapuutarhoille.

Tämä ei ole kaikkea. Pakkanen vaikuttaa myös lentokoneisiin, hidastaen lentonopeutta, heikentäen ohjattavuutta ja epävakautta, mikä voi johtaa lento-onnettomuuksiin. Se häiritsee myös lentokoneiden lähtöjä muuttamalla siipien aerodynaamisia ominaisuuksia, mikä tekee lennosta vaarallista tai jopa mahdotonta.

Vaikka Tony Stark Iron Man -elokuvassa voi käyttää jään muodostumista hyödykseen ja vastustajaa vastaan, tämä ei ole mahdollista meidän normaaleissa elämässämme.

Tarvitsemme tehokkaan ratkaisun tähän satojen miljardien dollarin ongelmaan, ja Northwestern-yliopiston insinöörit ovat löytäneet yhden. He ovat kehittäneet strategian, joka estää pakkasen muodostumisen ensinnäkin.

Pakkasen esto pitkäksi aikaa

Mitä on ratkaisu? No, yksi tärkeimmistä osista, jonka NU-insinöörit ovat löytäneet, liittyy grafeeniin.

Grafeeni on puhtaasta hiilestä valmistettu materiaali, joka on yksi tärkeimmistä ja neljänneksi runsaimmista luonnon alkuaineista.

Tämä materiaali on erityisesti tunnettu keveydestään. Yhden atomikerroksen paksuinen grafeeni on ohuin tunnettu yhdiste. Se on myös hyvin kestävä, noin 100-300 kertaa voimakkaampi kuin teräs. Joustavuutensa ansiosta grafeeni on paras sähkönjohtaja ja tunnetaan yhdenmukaisesta valon absorbtiosta.

Nämä ominaisuudet antavat grafeenille lupaavia sovelluksia alueilla, kuten komposiiteissa, elektroniikassa, antureissa ja kuvantamisessa, energiassa, tietoliikenteessä ja biolääketieteellisissä tekniikoissa.

Northwestern-yliopiston tutkijat käyttävät nyt tätä materiaalia pakkasen torjumiseen. Erityisesti he käyttävät grafeenidioksidia (GO), yhdistettä, joka on ehdotettu yli sadan vuoden takaisesta ajasta ja jota on käytetty viime vuosina potentiaalisena lähtöaineena grafeenin massatuotannossa.

Tämä hiiliin perustuva nanomateriaali, joka on tunnettu paljon ennen grafeenia, valmistetaan luonnon grafiitin kemiallisella oksidoinnilla voimakkaiden oksidien avulla.

Uudessa tutkimuksessa insinöörit löysivät, että pinnan tekstuuriin muuttaminen ja siihen lisääminen ohut kerros GO:ta estää täysin pakkasen muodostumisen pinnoilla viikon ajan, mahdollisesti jopa pidempään.

Grafeenidioksidi houkuttelee ja lukitsee vesisumun – vettä kaasumaisessa muodossa – rakenteensa sisään, estäen veden jäähtymisen. Yhdistettynä makrotekstuuriin se johtaa pitkään ylikylläisyyden jaksoon.

Tämä viikon mittainen pakkasen esto on tuhat kertaa pitempi kuin mitä saavutetaan olemassa olevilla edistyneillä pakkasenestopinnoilla. Uusi pinnan suunnittelu, joka on skaalattavissa, on myös vastustuskykyinen naarmuille, halkeamille ja saastumiselle.

Tämän teksturoidun pinnan sisällyttäminen infrastruktuuriin voi auttaa yrityksiä ja hallituksia säästämään miljardeja dollareita vuosittain energiatehokkuuden parantamisessa ja huoltokustannusten välttämisessä, tutkijoiden arvion mukaan.
Tutkimuksen johtaja Kyoo-Chul Kenneth Park, joka on apulaisprofessori mekaniikan insinööritieteessä McCormick School of Engineering -yliopistossa, sanoi:

“Ei-toivottu pakkasen kertyminen on suuri huolenaihe teollisuuden, asuin- ja hallituksen aloilla.”

Tämä rahoitusvuonna yliopisto sai ennätykselliset 1,05 miljardia dollaria tutkimusrahoitukseen, joka on 5 prosentin kasvu edellisestä vuodesta.

Park viittasi siihen, kuinka Texasin sähkökriisi vuonna 2021 aiheutti 195 miljardin dollarin vahingot, jotka johtuivat suoraan jään, pakkasen ja äärimmäisen kylmän sään vaikutuksesta yli 5 päivää, vaikuttaen 4,5 miljoonaan talouteen.

“On siis tärkeää kehittää pakkasenestotekniikoita, jotka ovat kestäviä pitkän ajan ympäristöolosuhteissa.”

– Park, joka on International Institute for Nanotechnologyin ja Paula M. Trienensin kestävän kehityksen ja energian instituutin henkilöstöliittynyt.

Kuitenkin meidän tarvitsee ei vain pakkasenestotekniikoita, vaan myös sellaisia, jotka ovat helppoja valmistaa ja toteuttaa. Tutkijat loivat hybridin pakkasenestomenetelmän, joka on kestävä, skaalattavissa, helppo valmistaa 3D-tulostuksella ja voi estää pakkasta useiden viikkojen ajan.

Lehtien geometrian yhdistäminen GO:n hygroskooppisiin ominaisuuksiin

Uusi tutkimus perustuu aiempaan työhön Parkin tiimiltä vuodelta 2020, jolloin he löysivät, että pinnan tekstuuriin muuttaminen vähentää pakkasen muodostumista jopa 60 %. Lisäksi tekstuureja, joissa on millimetri-asteisia huippuja ja laaksoja, havaittiin vähentävän pakkasen muodostumista jopa 80 %.

Tässä löydöksessä insinöörit ottivat vaikutteita minttulehtien geometriasta. Kuten Park selitti tuolloin, lehtien kupolien alueet näkevät enemmän eteenpäin muodostumista kuin (suonten) alueet, jotka saavat “paljon vähemmän pakkasta”.

Vaikka tämä on huomattu jo kauan, ei ole ollut selitystä sille, miksi ja miten tämä tapahtuu. Hän sanoi:

“Löysimme, että se on geometria – ei materiaali – joka ohjaa tätä.”

Lehtien aaltoileva geometria tarkoittaa, että pakkanen muodostuu huippuja, joilla kondensaatio on lisääntynyt, mutta harvoin laaksoissa, joissa kondensaatio on heikentynyt. Veden tiivistyminen laaksoissa on vähäistä, ja se haihtuu, johtaen pakkasen estoon.

Mielenkiintoista kyllä, vaikka pinnamateriaali houkuttelee vettä, sama tulos havaitaan: vesi haihtuu laaksoista, kun se on alle jäännön pisteessä.

Tutkijat löysivät optimaalisen pinnan tekstuuriin, joka oli pinta, jossa oli millimetrien korkeudella olevia huippuja ja laaksoja, joissa oli 40-60 asteen kulma.

Ohut pakkasen muoto, joka muodostuu pinnan huipuille, voidaan sulattaa huomattavasti vähemmällä energialla ja poistaa tarve pinnan pinnoitteille tai nesteille, joilla on alempi jäännön piste.

Tutkijoiden mukaan uusi pinnan suunnittelu, joka on skaalattavissa, on myös vastustuskykyinen naarmuille, halkeamille ja saastumiselle.

Infrastruktuurin suojaaminen karuista olosuhteista

Kylmät ilmasto tulee mukana lämpimien peittojen, kuuman kaakaon ja juhlaisten tunteiden kanssa. Mutta samalla se tuo omat ongelmat, erityisesti terveydelliset ongelmat ja infrastruktuurivahingot.

Jään ja lumen kertyminen voi vaikuttaa aluksiin, auton tuulilasiin, voimalinjoihin, tuulivoimaloihin ja lentokoneisiin. Siksi tutkijat ovat etsineet ratkaisuja näihin ongelmiin.

Pinnat, jotka voivat lieventää jään kasvua, ovat saaneet paljon huomiota, kuten viimeisimmässä tutkimuksessa, kustannustehokkaana vaihtoehtona.

Kuten mainitsimme aiemmin, Drexelin yliopiston insinöörit kehittivät itsekuumentavan betonin, joka poistaa lumen ja jään itsestään, ilman että kukaan tarvitsee raapia, lapioida tai suolata, mikä voi vahingoittaa pinnoita kolmen vuoden ajan.

Tutkijat käyttivät matalan lämpötilan faasinmuutosmateriaalia (PCM) eli parafiinia itsekuumentavassa betonissa. Kun lämpötila laskee noin 0 °C:een tai 32 °F, materiaali vapauttaa lämpöä ja muuttuu nestemäisestä kiinteäksi, johtaen hitaaseen jään sulatukseen.

Kanadalaiset tutkijat kehittivät pinnan, joka torjuu lumen itsestään yhdistämällä lämmöneristeen ja superhydrofobisuuden ominaisuudet. Ryhmä totesi, että silika-aerogeli minimoi lumen sulamisen ja esti tarttuvan jään muodostumisen, kun taas superhydrofobisuus vähensi kosketusalan ja torjui rajapintaisia sulamisvesipisaroita, mikä edelleen laski lumen tarttumisvoimakkuutta.

Kiinalaiset tutkijat keskittyivät superhydrofobisiin pinnoissa, joilla on erinomaiset jäänestävät ja vedenpitävät suorituskykyt matalissa lämpötiloissa. Nämä pinnat, toisin kuin laajasti tutkitut superhydrofobiset pinnat, etenkin niiden potentiaalisilla sovelluksilla ilmailuteollisuudessa, eivät ole yhtä tunnettuja.

Tutkijat loivat tällaiset pinnat etsimällä neliönmuotoisia mikropilareita monikerroksisille hiili nanoputkille (MWCNT) / poly(dimetyylisiloksaani) (PDMS) -kalvoille, joista tuloksena oli kolminkertainen jäänestävyys, joka säilyy aktiivisena jopa -40 °C:ssa.

Tutkijat uskovat, että tämä avaa uusia mahdollisuuksia bionisille älykkäille monitoimimateriaaleille jäänestävissä sovelluksissa.

Erillinen tutkimus liukkaasta nesteellä täytetyistä huokosista pinnoista (SLIPSs), joita käytetään passiivisena lähestymistapana vähentämään jään aiheuttamia katastrofeja, osoitti, että tiettyjen ominaisuuksien on oltava avainkeystä kestävyydelle. Pienet huokoset (noin 100 nm), jotka aiheuttavat voimakasta kapillaaripainetta nesteelle, ja korkea huokoskuorisuus (66 %), joka tarjoaa suuren neste-neste kosketusosuuden, ovat erityisesti hyödyllisiä kestävälle jäänestävyydelle.

Kaikkien vuodenaikojen älykkäät katopinnoitteet ovat myös yksi ratkaisu, joka pitää rakennukset lämpiminä talvella ja viileinä kesällä. Tämä pinnoite ei vaadi sähköä tai kaasua; se käyttää TARC:ia eli lämpötilan mukaan muuttuvaa säteilykerrointa, joka sammuttaa lämpösäteilyn talvella automaattisesti, jotta energiaa ei haaskata.

Lisäksi infrastruktuurin parantamiseen ja ympäristön suojelemiseen liittyvät edistysaskeleet, kuten sopeutuvat kattotiilet, joissa on säteilykyky, joka reagoi eri lämpötiloihin.

Yritykset, joissa on syytä odottaa

Nyt tarkastelemme yrityksiä, jotka voivat hyötyä pakkasenestoteknologioiden kehittymisestä sekä niistä, jotka auttavat edistämään tätä alaa.

Ilmailuteollisuuden alalla Lockheed Martin on yksi suosittu nimi, ja pakkasenkestävät pinnat voivat parantaa sekä sotilas- että kaupallisten lentokoneiden suorituskykyä ja kestävyyttä. 129,26 miljardin dollarin markkina-arvoinen yritys, jonka osakkeet kaupataan tällä hetkellä 545,35 dollarilla, on noussut 20,32 % tänä vuonna. Sillä on EPS (TTM) 27,65, P/E (TTM) 19,73 ja osinkotuotto 2,42 %.

Boeing on toinen ilmailuteollisuuden yritys, joka panostaa voimakkaasti jäänpoistoteknologioiden kehittämiseen lentoturvalle ja tehokkuudelle. Tämän 95 miljardin dollarin yrityksen osakkeet kaupataan tällä hetkellä 155,33 dollarilla, laskien 40,69 % tänä vuonna.

Yritykset kuten 3M ovat myös tärkeitä materiaaliteknologian kehittäjienä. Tämän 69 miljardin dollarin markkina-arvoisen yrityksen osakkeet ovat nousseet 16,37 % tänä vuonna ja kaupataan 127,22 dollarilla, EPS:llä (TTM) 7,63 ja P/E:llä (TTM) 16,68, ja se maksaa osinkoa 2,20 %.

1. Raytheon Technologies (RTX )

Northwestern-yliopiston grafeenidioksiditekniikka voi auttaa tätä ilmailu- ja puolustusteknologiayritystä parantamaan turvallista toimintaa kylmissä olosuhteissa. Raytheon on 158 miljardin dollarin markkina-arvoinen yritys, jonka osakkeet kaupataan 118,75 dollarilla, nousseet 41,13 %, ja sillä on EPS (TTM) 3,52, P/E (TTM) 33,78 ja osinkotuotto 2,12 %.

Vuoden 2024 kolmannen neljänneksen osalta myynti ilmoitettiin olevan 20,1 miljardia dollaria, nousua edellisestä vuodesta, ja tilauskanta oli 221 miljardia dollaria. Tämä tilauskanta sisälsi 131 miljardia dollaria kaupallisissa ja 90 miljardia dollaria puolustussektoreissa. Vapaa rahavirta neljänneksen lopussa oli 2 miljardia dollaria, ja 1,1 miljardia dollaria pääomaa palautettiin osakkeenomistajille.

2. Proto Labs (PRLB )

Näiden uusien teknologioiden nopeaan markkinoille saattamiseen tarvitaan nopeaa tuotantoa. Ja siinä Proto Labs voi auttaa. Se käyttää 3D-tulostusta, injektiovalua ja CNC-juottamista osien valmistamiseen. Tämän 955,6 miljoonan dollarin markkina-arvoisen yrityksen osakkeet kaupataan 38,75 dollarilla, laskien 2,46 %, ja sillä on EPS (TTM) 0,94 ja P/E (TTM) 40,30.

Vuoden 2024 kolmannen neljänneksen osalta se ilmoitti 125,6 miljoonan dollarin liikevaihdon, mikä oli 3,9 % laskua edellisestä vuodesta. Nettovoitto oli 7,2 miljoonaa dollaria, ja EBITDA oli 17,5 miljoonaa dollaria. Se palveli 22 511 asiakasviittauksella tuona aikana. Yritys kuitenkin tuotti neljän vuoden korkeimman neljänneksen operatiivisen rahavirtansa. Toimitusjohtaja Dan Schumacher sanoi, että “tämä on todiste Protolabsin mallin kannattavuudesta mikä tahansa makrotalouden tilanne.”

Johtopäätös

Northwestern-yliopiston tutkijoiden viimeisin löytö pakkasen merkittävän vähentämiseksi millä tahansa pinnalla pitää merkittävää potentiaalia tehdäkseen ihmisten elämästä sileämpää vähentämällä lentokoneiden peruutuksia, jotka voidaan maassa jättää vain ohuen pakkasen vuoksi, ja vähentämällä voimakkaiden jäänpoistojen käyttöä.

Kestävänä pakkasenestovälineenä hybridinen makrotekstuuri-GO-pinta voi myös auttaa vähentämään energiaa ja kustannuksia jään sulattamiseen. Tällä tavoin se voi löytää vahvan sovelluksen teollisuusaloilla, jotka vaativat pitkää passiivista pakkasenestoaika, kuten ilmailu, voimansiirto ja liikenne.

Yleisesti ottaen tällaiset edistysaskeleet pakkasenestoteknologiassa voivat auttaa tarjoamaan kestäviä ja kestäviä ratkaisuja sääoloihin liittyviin haasteisiin, joita koetaan joka vuosi, mikä auttaa rakentamaan tehokkaampaa ja kestävämpää infrastruktuuria ja johtaa merkittäviin taloudellisiin vaikutuksiin.

Lue lisää itsekuumentavasta betonista.