حلول مبتكرة لتجميع المواد من أجل تخفيض تكوين الجليد على خطوط الكهرباء وسفن الطائرات

التكتلات النانوية والذكية

وتكمن حدود تكنولوجيا الحد من الجليد في المواد المجهزة بالنانووية والمستجيبة لها، ومن خلال الملامح الهندسية على وجه التحديد على نطاق عشرات المئات من المصابيح، يمكن للعلماء أن يخلقوا أسطحاً هيدروفية للغاية وتظهر أشعة جليدية منخفضة للغاية، مثلاً، فإن صفائف النانوبيار أو الجزيئات النانوية المجهزة بالهيدروبيكية تخلق منطقة صلبة تُحاصر فيها جيوبترا

Smart coatings] respond dynamically to environmental changes. One class uses shape-memory polymers that alter their surface roughness when exposed to a stimulus such as temperature or electric field. In their smooth state, they allow ice to accumulate; when triggered, they transform to a rough, icephobic capping emds icecaps the ice.

ولا تزال هذه النظم الذكية في مرحلة البحث ولكنها تنطوي على إمكانات هائلة بالنسبة للهياكل الأساسية المستقلة التي تزيل ثلجها بنفسها دون تدخل بشري أو سحب مستمر للطاقة.

التطبيقات والفوائد

ويمتد نشر المعاطف المتقدمة لتخفيف الجليد إلى طائفة واسعة من البيئات، من خطوط نقل الجبال عن بعد إلى أجنحة الطائرات التجارية، ويستلزم كل طلب خصائص أداء محددة، ولكن الفوائد الأساسية تترجم عبر القطاعات.

خطوط الطاقة والهياكل الأساسية لنقل الانبعاثات

العواصف الجليدية من بين أكثر الأحداث تدميراً للشبكات الكهربائية، ويمكن لعاصفة واحدة أن تسقط مئات الأبراج وتضر آلاف الأميال من الوصلات، وتتسبب التكتلات التي تقلل من تماسك الجليد بأمر من الضخامة في تسارع الرياح وراكب الجليد المتراكم بشكل طبيعي، مما يحول دون حدوث إخفاقات.

وقد بدأت المرافق في كندا وشمال أوروبا والمناطق الجبلية في الولايات المتحدة اختبارات ميدانية للطلاءات الهيدروفورية والبوليبس على مجموعة مختارة، وتبين النتائج المبكرة أن الموصلات المكلورة تحتاج إلى عدد أقل من تدخلات الصيانة وتعاني من انقطاعات أقل تتصل بالصوت، كما أن المعاطف تحمي الموصلات والمعدات، حيث يمكن أن يتسبب سد الجليد في حدوث صدمات.

وتشمل الفوائد الإضافية انخفاض مستوى النسيج (لأن الجليد يضيف الوزن والحمولة الحرارية) وانخفاض الضرر الناجم عن الارتداد بالزجاج (غالوبينغ كثيرا ما يكون مسبباً في تسارع جليدي غير متكافئ) وتعطي المعاطف الدائمة التي تمتد من خمس إلى عشر سنوات عائداً قوياً للاستثمار مقارنة بإرسالات الطاقم المتكررة وعمليات الإصلاح الطارئة.

طائرات Wings and Airframe Surfaces

وبالنسبة للطائرات العمودية، فإن بناء الجليد على شفرات الدوار الرئيسية يولد إهتزازات شديدة وفقدانا في الأداء، إذ أن مشغلي طائرات الهليكوبتر في أدوار خارجية للبحث والإنقاذ مهتمون بشكل خاص بالمعاطف التي تبقي المطهر خاليا من الجليد، حيث أن الجليد يمكن أن يشكل بصورة غير متوقعة في ضباب البحر.

وإلى جانب السلامة، يؤدي إلغاء السمة على أساس التغليف إلى خفض وزن وتعقيد النظم التقليدية التي تنزف جوا أو حراريا كهربائيا، مما يقلل من تكاليف حرق الوقود والصيانة.

الهياكل الأساسية الحيوية الأخرى

وتجد نفس تكنولوجيات التغليف تطبيقات في طاقة الرياح والسفن البحرية والهياكل الأساسية للبناء، وتعاني شتلات التوربين في المناخ البارد من تراكم الجليد الذي يقلل من إنتاج الطاقة بنسبة تصل إلى 30 في المائة ويخلق رميا ثلجيا خطيرا، ويجري إعادة معالجة المعاطف الوبائية والحرارية على التوربينات الموجودة وإدماجها في صنع النسيج الجديد، مع بيانات ميدانية تبين استعادة الطاقة في الفترة من 15 إلى 25 في المائة.

وعلى متن السفن ومنابر البحر، يؤدي تراكم الجليد على سطح السفن والسكك الحديدية والهياكل الخارقة إلى خلق مخاطر السلامة والتأخيرات التشغيلية، كما تم اختبار المعاطف الخاصة بشبكة SLIPS في البيئات البحرية في القطب الشمالي، مما يدل على مقاومة ممتازة لكل من الجليد والحفرة الأحيائية، كما أن أبراج الاتصالات السلكية واللاسلكية، وكابلات الجسور، وخطوط الرؤوس فوق السكك الحديدية هي أيضا من المستفيدين المحتملين.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من وعدهم، فإن معاطف التخفيف الجليدي تواجه عدة حواجز أمام الاعتماد الواسع النطاق، فالاستمرارية هي الشاغل الرئيسي، إذ أن التكتلات التي تعمل جيدا في ظروف المختبرات قد تتحلل تحت الإشعاع فوق البنفسج، وتآكل الأمطار، وتآكل التربة من الغبار وبلورات الجليد، والتدوير الحراري، ولا تزال البيانات الميدانية من التعرض الطويل الأجل تُجمع، وكثيرا ما تفقد التركيبات المبكرة خصائصها المثلية بعد موسم أو موسم الشتاء.

كما أن التغليف الواسع النطاق لخطوط النقل أو سطح الطائرات يتطلب عمليات تطبيق قوية تنتج سميك موحد وتشتت، وتطرح طرقاً للخريج والغطاء والبدء في كل منها مبادلات من حيث التغطية والتبديد والأثر البيئي، وتثير بعض المعاطف المتقدمة، ولا سيما تلك التي تحتوي على مواد نانوية، تساؤلات حول سلامة العمال والإفراج البيئي أثناء التصنيع والتخلص من النفايات.

ولا تزال التكلفة قيد النظر، فبينما انخفضت تكاليف الطلاء مع ارتفاع حجم التصنيع، فإنها لا تزال تضيف علاوة إلى المكونات التي يمكن أن تنتج بالفعل على هامش ضيق، ويجب أن تنظر حالة الأعمال التجارية في وفورات دورة الحياة الإجمالية من انخفاض الصيانة، ووفورات الطاقة، وتفادي انخفاض الوقت بدلا من تكلفة المواد الأولية وحدها.

وأخيرا، فإن المسارات التنظيمية والمعتمدة للطائرات ومكونات الشبكة الكهربائية دقيقة، كما أن نظاما جديدا للطلاء على حافة الجناح الأمامي يجب أن يمر بمقاومة اللهب الواسعة النطاق، والتحات، واختبارات القابلية للدوام التي تشرف عليها إدارة الطيران الاتحادية أو وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي، وبالمثل، يجب أن تثبت المعاطف على الموصلات ذات الحركة العالية أنها لا تعرض للخطر الأداء الكهربائي أو تخلق قضايا تصريف الكورونا.

الاتجاهات المستقبلية

وتتواصل البحوث والتطوير بوتيرة سريعة، مع وجود سبل واعدة في الأفق. معطفات التلقيح الذاتي ] التي ستؤدي إصلاح الميكروسات والأضرار الناجمة عن الإهدار بشكل مستقل إلى توسيع نطاق الحياة في الخدمة بشكل كبير.() وتشتمل النماذج الأولية على كميات صغيرة من عوامل الشفاء التي تمزق عندما تُعادل المعاطف وتُعيد إلى الظهور.

Artificial intelligence and machine learning] are being used to design optimized surface textures for maximum icephobicity. By running millions of virtual simulations of droplet impact and ice nucleation, researchers can identify surface patterns that outperform any known natural or synthetic material. These AI-designed surfaces can then be fabricated using advanced lith

وثمة نهج جديد آخر يجمع بين النبض الكهربي لقطع السماعة ] مع طلاء المثليين، وقد يؤدي نبض قصير وكبير الطراز يُرسل عبر معاطف سلوكية إلى طبقة رقيقة من التداخل بين الوجوه من أجل سرعة الحرارة والذوبان، مما يؤدي إلى إطلاق الغطاء الجليدي بأكمله، لأن التغليف يبقي على الارتفاع التقليدي منخفضاً للطاقة.

In the longer term, biomimetic coatings inspiration by the lotus leaf, the wings of the Morpho bedfly, and even the skin of polar bears may yield surfaces that are almost impossibly ice-repellent. Some researchers are exploring coatings that actively pump small amounts of anti-freeze proteins (AFPs)

وتعجل الجهود التعاونية بين الأوساط الأكاديمية والصناعة والوكالات الحكومية بنقل هذه التكنولوجيات من المختبر إلى الميدان، وتقوم منظمات المعايير بوضع أساليب اختبار لقياس قوة تماسك الجليد ودوامته في ظل ظروف واقعية، مما يتيح إجراء مقارنات عادلة واعتماد أسرع، ومن المرجح أن يصبح العقد القادم معطفات الحد من الجليد سمة قياسية على خطوط الطاقة والطائرات والهياكل الأساسية للطاقة المتجددة، مما يقلل بدرجة كبيرة من المخاطر والتكاليف التي يفرضها الطقس الشتوي.

وبالنسبة للمنظمات التي تواجه تحديات جليدية، فإن الرسالة واضحة: فقد تطورت التكنولوجيا إلى النقطة التي تبرر فيها عمليات النشر التجريبية وتحليل الفوائد من حيث التكلفة، ويكسب من يستثمرون في وقت مبكر مزايا الموثوقية، والوفورات التشغيلية، ودرجة أمان تجني أرباح كل موسم عواصف.