заглушки Frost может показаться обыденным явлением, но он сеет хаос в аэрокосмическом секторе. Графен может это изменить. - Securities.io
Свяжитесь с нами:

Наука о материалах

Мороз может показаться обыденным, но он сеет хаос в аэрокосмическом секторе. Графен может это изменить.

mm

опубликованный

 on

Securities.io поддерживает строгие редакционные стандарты и может получать компенсацию за просмотренные ссылки. Мы не являемся зарегистрированным инвестиционным консультантом, и это не инвестиционный совет. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашим раскрытие аффилированного лица.

Самолет взлетает с заснеженной взлетно-посадочной полосы

Каждый год наступает мороз и создает прекрасный и безмятежный пейзаж. Этот тонкий слой льда образуется на твердой поверхности, такой как земля, когда температура опускается до нуля или ниже.

Когда в воздухе содержится больше водяного пара, чем он способен удержать при определенной температуре, образуется иней.

Мороз, хоть и красивый, потенциально опасен. Он не только может стать головной болью при отскребании скользких поверхностей, но и может привести к другим серьезным проблемам, таким как нарушение работы датчиков транспортного средства, снижение энергоэффективности холодильников и морозильников, дополнительная нагрузка на линии электропередач, которая может привести к отключениям и повреждению вашего драгоценного огорода и цветника.

Это еще не все. Мороз также негативно влияет на самолет, снижая скорость сваливания, снижая эффективность управления и дестабилизируя тангаж, что может привести к крушениям. Он также мешает взлету самолета, изменяя аэродинамические характеристики крыльев, делая полеты опасными или даже невозможными.

В то время как Тони Старк в «Железном человеке» может использовать ледяные образования на своем костюме в его пользу и против его противника, для нас это просто невозможно достичь в нашей обычной жизни.

Нам нужно эффективное решение этой проблемы стоимостью в сотни миллиардов долларов, и инженеры из Северо-Западного университета нашли его. Они разработали стратегию, которая изначально предотвращает образование инея.

Достижение регионов, свободных от заморозков, на длительные периоды времени

Мороз

Итак, в чем решение? Ну, один из основных компонентов решения, которое обнаружили инженеры NU, вращается вокруг графена.

Графен, полученный из графита, состоит из чистого углерода — одного из важнейших и четвертого по распространенности природных элементов.

Этот материал особенно известен своей легкостью. Графен толщиной всего в один атом является самым тонким известным соединением. Он также довольно прочный, примерно в 100-300 раз прочнее стали. Помимо своей гибкости, графен является лучшим проводником электричества и славится равномерным поглощением света.

Все эти особенности открывают перед графеном перспективные возможности применения в таких областях, как композитные материалы, электроника, датчики и визуализация, энергетика, телекоммуникации и биомедицинские технологии.

Исследователи Северо-Западного университета теперь используют этот материал для борьбы с морозом. В частности, они используют оксид графена (GO), соединение, предложенное более полутора веков назад и использовавшееся в последние годы в качестве потенциального исходного материала для массового производства графена.

Этот наноматериал на основе углерода, известный задолго до графена, получают путем химического окисления природного графита сильными окислителями.

В новой проведенное исследованиеИнженеры обнаружили, что изменение текстуры поверхности и последующее нанесение тонкого слоя GO полностью предотвращает образование инея на поверхностях в течение недели, а возможно, и дольше.

Что делает оксид графена, так это то, что он притягивает и затем удерживает водяной пар — воду в газообразной форме — внутри своей структуры, эффективно предотвращая замерзание воды. В сочетании с макротекстурной поверхностью это приводит к длительному периоду высокого пересыщения.

Эта недельная защита от замерзания в тысячу раз дольше, чем та, которую обеспечивают существующие, усовершенствованные антиобледенительные поверхности. Вдобавок ко всему, новый дизайн поверхности, который масштабируется, также устойчив к царапинам, трещинам и загрязнению.

По оценкам исследователей, включение этой текстурированной поверхности в инфраструктуру может помочь компаниям и правительствам ежегодно экономить миллиарды долларов за счет неэффективного использования энергии и избегать расходов на техническое обслуживание. По словам руководителя исследования Кю-Чуля Кеннета Парка, доцента кафедры машиностроения в Школе инженерии Маккормика в НУ:

«Нежелательное накопление инея является серьезной проблемой в промышленном, жилом и государственном секторах».

В этом финансовом году университет получил рекордное финансирование исследований в размере 1.05 млрд долларов США, что на 5% больше, чем в прошлом году.

Пак указал на то, что энергетический кризис 2021 года в Техасе обошелся в колоссальные 195 миллиардов долларов ущерба, что стало прямым результатом обледенения, заморозков и экстремально низких температур, продолжавшихся более 5 дней, затронувших 4.5 миллиона домохозяйств.

«Поэтому крайне важно разработать методы защиты от обледенения, которые сохранят свою надежность в течение длительного времени в экстремальных условиях окружающей среды».

– Парк, преподаватель Международного института нанотехнологий и Института устойчивого развития и энергетики им. Паулы М. Триененс

Однако нам нужны не только методы защиты от обледенения, но и те, которые легко изготовить и внедрить. Имея это в виду, исследователи создали свой гибридный метод защиты от обледенения, который долговечен, масштабируем, прост в изготовлении с помощью 3D-печати и может предотвратить обледенение на несколько недель.

Сочетание геометрии листьев с гигроскопическими свойствами GO

Новое исследование фактически основывается на предыдущей работе команды Парка в 2020 году, в ходе которой они обнаружили, что изменение текстуры снижает образование инея на целых 60%. Между тем, добавление текстур миллиметрового масштаба — оптимизированных, зубчатых серий пиков и впадин, наблюдаемых в природе — к поверхности может снизить образование инея до 80%.

Для этого открытия инженеры черпал вдохновение из геометрии листьев мяты. Как объяснил тогда Пак, выпуклые области листа получают больше фронтального образования, чем вогнутые (прожилки), которые на самом деле получают «гораздо меньше мороза».

Хотя это было замечено уже давно, объяснений, почему и как это происходит, не было. Он сказал:

«Мы обнаружили, что этим управляет геометрия, а не материал».

Волнистая геометрия листьев означает, что иней образуется на вершинах, где конденсация усиливается, но редко в долинах, где конденсация подавляется. Любое небольшое количество конденсированной воды, находящееся в долинах волнистых поверхностей, испаряется, что приводит к образованию области, свободной от инея.

Интересно, что даже при использовании поверхностного материала, притягивающего воду, наблюдается тот же результат: вода испаряется из впадин при температуре ниже точки замерзания.

Используя эту информацию, команда нашла оптимальную текстуру поверхности, которая представляла собой поверхность, содержащую пики и впадины высотой в миллиметр, с углами между ними всего 40–60 градусов.

Тонкую линию инея, которая все еще образуется на выступах этой поверхности, можно разморозить, затратив значительно меньше энергии, и это устраняет необходимость использования поверхностных покрытий или жидкостей с более низкой температурой замерзания.

«Область без инея инициирует процесс размораживания. Таким образом, это позволит сократить количество материалов и энергии, используемых для решения проблем с инеем».

- Парк

В новом исследовании группа добавила в смесь оксид графена (GO), который добавляется в плоские впадины, чтобы полностью уменьшить образование инея, даже в впадинах.

GO был выбран из-за его исключительных гигроскопических свойств, то есть способности материала притягивать и удерживать молекулы воды посредством абсорбции. Скорость абсорбции водяного пара GO в 2 раза выше, чем у силикагеля. Кроме того, GO обладает внутренней способностью подавлять замерзание интеркалированных молекул воды посредством эффектов наноконфайнмента.

Новая поверхность также имеет крошечные выпуклости, имеющие расстояние от пика до пика 5 мм. Тонкий слой GO, толщина которого составляет всего 600 микрон, нанесен на впадины между пиками. По словам Парка:

«Оксид графена притягивает водяной пар, а затем удерживает молекулы воды внутри своей структуры. Таким образом, слой оксида графена действует как контейнер, предотвращая замерзание водяного пара».

Добавление оксида графена к поверхности макротекстуры помогло поверхности противостоять морозу при высоком пересыщении в течение длительного времени, в свою очередь, сделав экспериментальную гибридную поверхность «стабильной, долговечной зоной, свободной от инея».

Демонстрацию этой техники можно посмотреть на YouTube здесь, она размещена на официальном канале NU:

Новая поверхность предотвращает образование инея

 

На нем показано, как на сотовых пиках поверхности образуется иней, в то время как плоские долины остаются свободными от инея. На видео поверхность справа покрыта тонким слоем GO.

Чтобы продемонстрировать превосходство своего метода, команда Парка сравнила его с другими передовыми антиобледенительными поверхностями.

По сравнению со 100% устойчивостью к образованию инея в течение 150 часов, суперводоотталкивающие и пропитанные смазкой поверхности смогли противостоять только 5-36% образования инея, и то всего в течение 5 часов. Затем возникает вопрос восприимчивости других антиобледенительных поверхностей к повреждениям от царапин или загрязнений, «что ухудшает эксплуатационные характеристики поверхности с течением времени».

С другой стороны, гибридная макротекстурная поверхность оксида графена компании Park устойчива к таким повреждениям и, как следствие, продлевает срок службы поверхности.

На данный момент на рынке нет универсального подхода из-за специфических потребностей различных приложений. Например, самолетам нужно всего несколько секунд морозостойкости по сравнению с линиями электропередач, которые постоянно работают в холодных условиях и могут нуждаться в днях или неделях морозостойкости.

Новая технология, по словам исследователей, может быть использована для проектирования крыльев самолетов, а также линий электропередач с уменьшенным сцеплением со льдом, чтобы значительно сократить ежегодные расходы на техническое обслуживание. Метод может также помочь предотвратить неэффективность использования энергии и способствовать безопасной эксплуатации инфраструктуры в холодных условиях.

Защита инфраструктуры от суровых климатических условий

Холодный климат приносит с собой уют теплых одеял, горячего шоколада и праздничного настроения. Но в то же время он приносит и свои проблемы, особенно в виде проблем со здоровьем и ущерба инфраструктуре.

Накопление льда и снега может поставить под угрозу производительность и безопасность судов, автомобильных стекол, линий электропередач, ветряных турбин и самолетов. Вот почему исследователи ищут пути решения этих проблем.

В частности, как мы увидели в последнем исследовании, большой интерес вызывают поверхности, способные сдерживать нарастание льда, как экономически эффективная альтернатива.

Как мы уже сообщали ранее в этом году, исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя также изобрели самонагревающийся бетон, который самостоятельно очищает снег и ледяной дождь, не требуя от кого-либо его очистки, сгребания или посыпания солью, что негативно влияет на поверхности в течение трех лет.

Чтобы продлить срок службы дорог и другой инфраструктуры и сэкономить деньги на их обслуживании, исследователи использовали для этого саморазогревающегося бетона жидкий парафин с низкотемпературным фазовым переходом (PCM). Когда температура падает до ∼0°C или 32°F, материал выделяет тепло и переходит из жидкого состояния в твердое, что приводит к постепенному таянию льда.

Затем группа исследователей в Канаде развитый поверхность, которая сама по себе отталкивает снег, сочетая свойства теплоизоляции и супергидрофобности. Группа обнаружила, что аэрогель из диоксида кремния минимизирует таяние снега и предотвращает образование липкого слоя льда, в то время как супергидрофобность уменьшает площадь контакта и отталкивает поверхностные капли талой воды, еще больше снижая прочность сцепления снега.

В другом исследовании китайские исследователи внимание на супергидрофобных поверхностях с превосходными противообледенительными и водоотталкивающими свойствами при низких температурах. Эти поверхности, в отличие от широко изученных супергидрофобных поверхностей — особенно для их потенциального применения в аэрокосмической отрасли — не так хорошо освещены.

Для создания таких поверхностей исследователи протравили квадратные микростолбиковые массивы на пленках из многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT)/поли(диметилсилоксана) (PDMS), что привело к тройной льдофобности, которая остается активированной даже при температуре -40 °C.

Исследователи полагают, что это открывает новые возможности для создания бионических интеллектуальных многофункциональных материалов в условиях оледенения.

A отдельное исследование скользких пористых поверхностей, пропитанных жидкостью (SLIPS), широко используемый в качестве эффективного пассивного подхода для уменьшения бедствий, связанных с обледенением, обнаружил, что определенные характеристики являются ключевыми для долговечности. Небольшие поры (около 100 нм), которые оказывают сильное капиллярное давление на смазку, и высокая пористость (66%), которая обеспечивает большое соотношение контакта смазка-жидкость, особенно полезны для долговечных антиобледенительных SLIPS.

Всесезонное интеллектуальное кровельное покрытие — еще одно, которое сохраняет здания теплыми зимой и прохладными летом. Это покрытие не требует электричества или газа; оно использует TARC, или температурно-адаптивное излучающее покрытие, которое автоматически отключает излучающее охлаждение зимой, чтобы не было потерь энергии.

Помимо целевого использования поверхностей, другие достижения в улучшении инфраструктуры, позволяющие экономить затраты на обслуживание и защищать окружающую среду, включают адаптивную кровельную черепицу, которая оснащена переключателем излучения для реагирования на различные температуры.

Компании, на которые стоит обратить внимание

Теперь мы рассмотрим компании, которые могут получить выгоду от разработки противообледенительных технологий, а также те, которые способствуют развитию этой области.

В аэрокосмической сфере, Lockheed Martin (LMT -1.53%) — одно из популярных названий, и морозостойкие поверхности могут помочь улучшить производительность и долговечность как военных, так и коммерческих самолетов. Акции компании с рыночной капитализацией $129.26 млрд в настоящее время торгуются по $545.35, что на 20.32% выше в этом году. EPS (TTM) составляет 27.65, P/E (TTM) — 19.73, а дивидендная доходность — 2.42%.

Корпорация Локхид Мартин (LMT -1.53%)

Boeing (BA -1.13%) еще один из сектора аэрокосмической промышленности, который также вкладывает значительные средства в технологии противообледенительной обработки для повышения безопасности и эффективности. Однако акции этой компании стоимостью 95 млрд долларов в настоящее время торгуются по цене 155.33 доллара, что на 40.69% ниже с начала года из-за ее самолетов разваливается и осведомители умирают.

Компания Boeing (BA -1.13%)

Компании, подобные 3M (МММ -5.18%) также играют важную роль из-за их участия в инновационных материалах. Акции этой компании с рыночной капитализацией $69 млрд выросли на 16.37% с начала года, поскольку они торгуются по $127.22 с EPS (TTM) 7.63 и P/E (TTM) 16.68, выплачивая дивидендную доходность 2.20%.

Компания 3M (МММ -5.18%)

1. Рейтеон Технологии (Расширение RTX -0.05%)

Технология на основе оксида графена от NU может помочь этому поставщику авиационных и оборонных технологий улучшить безопасность операций в холодных условиях. Raytheon — компания с рыночной капитализацией $158 млрд, акции которой торгуются по $118.75, что на 41.13% выше, при EPS (TTM) 3.52, P/E (TTM) 33.78 и дивидендной доходностью 2.12%.

Корпорация RTX (Расширение RTX -0.05%)

В третьем квартале 3 года продажи составили сообщал составил $20.1 млрд, что на 6% больше, чем в предыдущем году, в то время как отставание составило $221 млрд. Это отставание включало $131 млрд в коммерческом и $90 млрд в оборонном сегментах. Свободный денежный поток на конец квартала составил $2 млрд, в то время как $1.1 млрд капитала было возвращено акционерам.

2. Прото лаборатории (ПРЛБ -1.27%)

Чтобы эти новые технологии быстро вышли на рынок, их нужно производить так же быстро. И вот тут-то такие компании, как Proto Labs, могут помочь. Они используют 3D-печать, литьевое моделирование и обработку на станках с ЧПУ для производства деталей. Эта компания с рыночной капитализацией $955.6 млн, чьи акции торгуются по $38.75, упала на 2.46%, имея EPS (TTM) 0.94 и P/E (TTM) 40.30.

Прото Лабс, Инк. (ПРЛБ -1.27%)

В третьем квартале 3 г. сообщал Выручка составила 125.6 млн долларов, что на 3.9% меньше, чем в третьем квартале прошлого года. Чистая прибыль составила 3 млн долларов, а EBITDA — 7.2 млн долларов. За этот период компания обслужила 17.5 22,511 клиентов. Однако компания сгенерировала самый высокий квартальный операционный денежный поток за четыре года, что, по словам генерального директора Дэна Шумахера, «является свидетельством прибыльности модели Protolabs на любом макроэкономическом фоне».

Вывод

Последнее открытие исследователей Северо-Западного университета, позволяющее существенно снизить образование инея на любой поверхности, имеет значительный потенциал для облегчения жизни людей за счет снижения количества отмененных рейсов, которые могут быть остановлены даже из-за малейшего слоя инея, а также сокращения использования сильных противообледенительных химикатов.

Как надежный инструмент против обледенения, гибридная поверхность macrotexture-GO может дополнительно помочь снизить количество энергии и затрат, необходимых для размораживания. Таким образом, она может найти сильное применение в отраслях, требующих длительного времени пассивного противообледенения, включая аэрокосмическую промышленность, распределение электроэнергии и транспорт.

В целом, такие достижения в области противообледенительных технологий могут помочь обеспечить надежные и устойчивые решения для проблем, связанных с погодными условиями, которые возникают каждый год, что, в свою очередь, помогает создавать более эффективную и устойчивую инфраструктуру и оказывать значительное экономическое влияние.

Нажмите здесь, чтобы узнать все о самонагревающемся бетоне.

Гаурав начал торговать криптовалютами в 2017 году и с тех пор влюбился в криптопространство. Его интерес ко всему криптовалютному превратил его в писателя, специализирующегося на криптовалютах и ​​блокчейне. Вскоре он начал работать с криптокомпаниями и средствами массовой информации. Он также большой поклонник Бэтмена.

Раскрытие рекламодателя: Securities.io придерживается строгих редакционных стандартов, чтобы предоставлять нашим читателям точные обзоры и рейтинги. Мы можем получить компенсацию, когда вы нажимаете на ссылки на продукты, которые мы рассмотрели.

ЭСМА: CFD являются сложными инструментами и сопряжены с высоким риском быстрой потери денег из-за кредитного плеча. От 74 до 89% счетов розничных инвесторов теряют деньги при торговле CFD. Вам следует подумать, понимаете ли вы, как работают CFD, и можете ли вы позволить себе рискнуть потерять свои деньги.

Отказ от инвестиционных рекомендаций: Информация, содержащаяся на этом сайте, предоставлена ​​в образовательных целях и не является инвестиционным советом.

Отказ от ответственности за торговые риски: Торговля ценными бумагами сопряжена с очень высокой степенью риска. Торговля любым типом финансовых продуктов, включая Форекс, CFD, акции и криптовалюты.

Этот риск выше при использовании криптовалют, поскольку рынки децентрализованы и нерегулируются. Вы должны знать, что можете потерять значительную часть своего портфеля.

Securities.io не является зарегистрированным брокером, аналитиком или инвестиционным консультантом.