פתרונות שילוב חדשניים להורדת קרח על קווי חשמל וכנפיים מטוסים

הצטברות קרח על קווי חשמל מובילים וכנפיים מטוסים ממשיכה לאתגר מהנדסים ומפעילים ברחבי העולם.הדל הפיננסי הוא מזעזע: כלי רכב מבלים מיליארדי דולרים מדי שנה על תיקונים הקשורים לקרח וניהול מחוץ לסחר, בעוד תעופה מתמודדת עם עיכובים יקרים, נוזלי דה-הקלינג, ותרחישים הגרועים ביותר בתאונה.מעבר לעלויות הישירות, כשלים המושרה קרח מאיימים על בטיחות הציבור ועל אמינות האנרגיה.

הבנת צורת קרח והשפעה

צורות קרח כאשר טיפות מים נוזליות supercooled להכות משטח אשר הטמפרטורה היא או מתחת לנקודה הקפאה של מים. טיפות להקפיא על השפעה, יצירת שכבת בוהק או קרח rime בהתאם לטמפרטורה המתפתלת, מהירות רוח, וגודל טיפות.גלדה הוא צפוף וברור, מדבק בחוזקה על פני השטח, בעוד rime הוא ⁇ que ועוד סוגים של בוהק.

על קווי כוח, אפילו רבע אינץ' של קרח יכול להגדיל את משקל המוליכים על ידי מאות פאונד לכל אורך, המוביל לזייף, להתרברברב, ובסופו של דבר, השבר המנצח.השערה קרח על מורדים עלולה לגרום לפלאשוברים, מה שגורם לבלוטות נרחבות.סערת הקרח בצפון אמריקה של 1998, למשל, הותירה מיליונים ללא כוח במשך שבועות וגרם מיליארדי דולרים בנזק כלכלי.

עבור מטוסים, עלייה בקרח משבשת את זרימת האוויר חלקה מעל כנפיים, משטחים זנב, ומשטחי שליטה.זה עולה, מקטין את המעלית, ויכול לשנות את מאפייני הדוכנים עד לנקודה שבה ההתאוששות הופכת לבלתי אפשרית.מועצת הבטיחות הלאומית של התחבורה (NTSB) ונאס"א תיעדו מקרים רבים שבהם בניית קרח תרמה ישירות לתאונות.אפילו שכבות דקות של קרח קשה יכולות לדהום ביצועים דינמיים ב -30% או יותר.

אמצעי מניעה מסורתיים מסתמכים על מערכות של ד-השמדה תרמיות או כימיות: אלמנטים חימום מבועתים בכנפיים או עוטפים סביב המנצחים, או נוזלים המבוססים על גליקול לפני ההמראה.שיטות הללו פועלות אך באים עם צריכת אנרגיה גבוהה, חששות סביבתיים, ונטלים תחזוקה. טכנולוגיות מתקפלות מציעות משלימה או לפעמים מעודפות על ידי מניעת קרח מלכתחילה.

טכנולוגיות חדשניות

ציפוי קרח מודרני מנצל שלוש אסטרטגיות ליבה: צמצום הרטב של פני השטח כך טיפות מים מתנדנדות למעלה וגלגלות; הורדת כוח הדבקות בין קרח לבין תת-המצע כך שקרח שפך תחת כוחות טבעיים (wind, רטט, הכבידה), וניהול העברת חום כדי לשמור על פני השטח טמפרטורות מעל מקפיא.

הידרופובי ו- Icephobic Coatings

ציפוי הידרופובי גורם למים ליצור טיפות כמעט spherical כי רול פני השטח בזווית הטיה נמוכה. דוגמאות קלאסיות כוללות ציפויים המבוססים על siloxanes (PDMS) ו פלואופולמרים, שיש להם אנרגיה על פני השטח נמוכה. כאשר מים לא יכולים להתפשט רטוב את פני השטח, מספר אתרי נינקיה עבור צמיחה קרח מופחת דרמטית.

ציפויי קרחפוביים הולכים צעד נוסף על ידי צמצום כוח הדבקות בין קרח לבין תת-קרקעית.זה מושג באמצעות שילוב של אנרגיה על פני השטח נמוכה ומיקרו-או משטח ננו-שטח משטח השטח (המשטחים הקרחונים היעילים ביותר הם FLT:0slippery נוזלי-inated משטחים (SLIPS)FLT:1, אשר מנעול שכבת שמן דקה לעתים קרובות מסגסוגת של שמן סגסוגת נמוכה (Slopt) מאלומיניום).

חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ובמקומות אחרים הפגינו ציפויים SLIPS ששומרים על הדחיסות שלהם באמצעות מאות מחזורים קפואים.ניסויים בשטח על קווי שידור בטמפרטורות גבוהות באקלים קר הראו ירידה של 70% בהצטברות קרח בהשוואה למוליכים לא מאוישים.

קידוד מוליכים

במקום להדוף מים, כמה ציפויים שואפים לשמור על פני השטח חם מספיק כדי למנוע הקפאת חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון גרפן, צינורות פחמן, ו בורון ננוגליונים, משולבים לתוך מכווצים פולימרים מוחל כמו סרטים דקים. ציפויים אלה להפיץ במהירות חום שנוצר על ידי ההתנגדות החשמלית של המנצח (Joule) או מאלמנטים מוטבעים על פני השטח כולו, לחסל כתמים קרים שבו ציפוי יכול להיות קרח.

גרסה משתמשת בחומרי שינוי שלב (PCMs) משובצים במטריקס הציפוי.כאשר הטמפרטורה המטבולית יורדת מתחת להקפאת, PCM סופג ומשחרר חום מאוחר, מייצב את טמפרטורת פני השטח ליד 0 ° C לתקופות מורחבות. גישה זו היא אטרקטיבית במיוחד עבור כנפיים מטוסים, שבו כוח חימום חשמלי הוא מוגבל ומשקל הוא קריטי.

מערכת מסחרית אחת משלבת ציפוי תרמי מבוסס גרפן עם שכבת חימום דקת מתנגדת.הציפוי מקטין את הכוח הדרוש להפחתת הציפוי עד 70% כי החום מחולק בצורה יעילה יותר ופחות אנרגיה אבודה לאוויר שמסביב.מבחנים עצמאיים על ידי מחלקת האנרגיה הלאומית של האנרגיה של ארה"ב (FLT:0NRRELFLT:1) אישרה באופן משמעותי כי ציפוי כזה יכול לשמור על קווי רוחב נמוכים יותר מאשר מלחינים אנרגיה קונבנציונליים.

ננודור וחכם מתקפלים

הגבול של טכנולוגיית הפחתת קרח נמצא בחומרים ננו-מבנים ותגובה. על ידי תכונות משטח הנדסה בדיוק בקנה מידה של עשרות עד מאות ננומטרים, מדענים יכולים ליצור משטחים שהם גם superhydrophobic ולהציג מתחודות קרח נמוכה מאוד. לדוגמה, מערך של ננופלרים או ננוקו אשר ציפו עם מולקולות הידרופוביות ליצור מצב קסי-ברק מתחת לאזור שבו נמצאים מתחת לצמצום של אמצעי מגע יציב.

(FLT:0) ציפויים חכמים של ההרחבה:1 להגיב דינמי לשינויים סביבתיים.קבוצה אחת משתמשת בפולימרים בצורת-זיכרון שמשנים את העפרצוף שלהם כאשר נחשפים לגירויים כגון טמפרטורה או שדה חשמלי. במצבם החלקי, הם מאפשרים קרח לצבור; כאשר מופעל, הם הופכים למצב גס, עגום, כי הוא מטביע את שכבת הקרח אחרת.

מערכות חכמות אלה עדיין בשלב המחקר, אך הן בעלות פוטנציאל עצום לתשתיות אוטונומיות שקרח מנקה ללא התערבות אנושית או כוח מתמשך.

יישומים והטבות

פריסת ציפויי הפחתת קרח מתקדמים משתרעת על מגוון רחב של סביבות, מקווי שידור הרים מרוחקים ועד לכנפיים מטוסים מסחריים.כל יישום דורש מאפיינים ספציפיים של ביצועים, אבל היתרונות הליבה מתורגמים על פני מגזרים.

קווי חשמל ותשתית Transmission

סופות קרח הן בין האירועים ההרסניים ביותר לרשתות חשמל.סערה אחת יכולה ליפול מאות מגדלים ולנזק באלפי קילומטרים של מנצח.

(החלות בקנדה, בצפון אירופה ובאזורים הרריים של ארצות הברית החלו לבדוק את הציפוי הידרופובי ו-SLIPS על פני תקופות נבחרות.התוצאות המוקדמות מראות כי מוליכים מצופים זקוקים פחות התערבויות תחזוקה וספגו פחות ציפוי הקשורים לציפוי (Slimatesinging) גם להגן על insulators וחומרה, שם גלימת קרח עלולה לגרום לבזקרים של מחקר של 2022 על ידי מכון החשמל (FIRLDL) ב-FRECDC (FRE) שמוערך ב-4%) ש-FLT%: 40%) אשר עשוי להפחית את עלויות הציפוי קרח (FLT) שצפויות של 40%) שצפופות קרח (FLT) שצפופות קרח יכולות להפחית את עלויות הציפוי קרח, כלומר, כלומר, כלומר, אשר עלולות של 40%) ב-4%) ב-4%) ב-4%) ב-FLT-FLT) שערכותיקים, אשר עלולות להפחתה של 40%, אשר עלולות של 40%, אשר עלולות להפחתה של 40%, אשר עלולות להפחתה של , כאשר ניתן להפחית את עלויות הציפוי קרח, אשר עלולות להפחתה של 40%, כאשר ניתן להפחית את עלויות הציפו

הטבות נוספות כוללות הקטנת קו סאג (מכיוון שהוספת משקל ועומס תרמי) וירידה בנזק הרטט (הגליגה מופעלת לעתים קרובות על ידי אי-אפילו עלייה של קרח). ציפויים דלים שנמשכים 5 עד עשר שנים מציעים תשואה חזקה על ההשקעה בהשוואה למשלוחים חוזרים חוזרים של צוות חוזר ותיקוני חירום.

מטוסים ומטוסי אוויר

בתעופה, כל דקה נוספת שהושקעה על הקרקע להפחתה של יעילות התפעולית ועלויותיה.ההתאחדות הבינלאומית לתחבורה אווירית (FLT:0IATAFLT:1) מדווחת כי חברות התעופה מוציאות מעל 1.2 מיליארד דולר בשנה על נוזלים דה-קלינג ועיכובים קשורים.

כמה יצרני מטוסים מעריכים את הציפוי SLIPS וה הידרופוביים של כנף מובילה, ייצוב אופקי, ומנועי צינורות. Wind Tunnel בדיקות במרכז המחקר גלן של נאס"א (ראה:0NASA icing ResearchcioFLT:1) הוכיחו כי מדביקים אוויר מצטברים מצטברים 60-80 אחוזים פחות מאשר פיקוחים לא ממולאים תחת תנאים זהים, יתר על כך גם את הצורה הנמוכה של קרח.

עבור רוטטורcraft, בניית קרח על להבים העיקריים של רוטר מייצרת רטט חמור אובדן ביצועים. מפעילי Helicopter בחו"ל וחיפוש אחר והצלה מתעניינים במיוחד ציפויים כי לשמור על ריקבון קרח, כמו קרח יכול ליצור באופן בלתי צפוי בערפל הים. קורקטור נבדק באנטארקטיקה קנדי הראה ירידה של 50 אחוזים עובי לאחר טיסה ממושכת בתנאים דינמית, ללא הפרעה דינמית.

מעבר לבטיחות, הפחתת משקל ומורכבות של מערכות מדממות מסורתיות או אלקטרו-תרמיות, הורדת שריפת דלק ועלויות תחזוקה.

תשתיות קריטיות אחרות

אותן טכנולוגיות ציפוי הן מציאת יישומים באנרגיה רוחית, כלי שיט ימיים, תשתיות בנייה. להבים טורבינות רוח באקלים קר סובלים מצטברות קרח המפחיתה את תפוקת החשמל עד 30 אחוזים ויוצרות זריקת קרח מסוכנת.

על אוניות ופלטפורמות offshore, הצטברות קרח על הסיפון, מסילות, ובניינים סופר יוצרים סכנות בטיחות ועיכובים תפעוליים. ציפויים SLIPS נבדקו בסביבות ימיות הארקטי, מראה התנגדות מצוינת הן לקרח והן ביופוחיות. מגדלי טלקומוניקציה, גשרים כבלים, ומסילות רכבת מעל קווי הרכבת הם גם ניפיציל פוטנציאלי.

אתגרים ושיקולים

למרות ההבטחה שלהם, ציפויי הפחתת קרח עומדים בפני כמה מכשולים לאימוץ נרחב. Durability הוא הדאגה העיקרית. , מתקפלים כי לתפקד היטב בתנאי מעבדה עלולים לחדור תחת קרינת UV, שחיקה גשם, שחיקה מאבק וגישוני קרח, ונתוני שדה תרמי מחשיפה ארוכת טווח עדיין נאספים, ונוסחאות מוקדמות מאבדות לעתים קרובות את התכונות הקרחונים לאחר עונות חורף או שניים.

עקביות יישומים חשובה גם.ציפוי בקנה מידה גדול של קווי שידור או משטחים מטוסים דורש תהליכי יישום חזקים המייצרים עובי אחיד ודבקות. Spray, dip, וגלגל-על שיטות לכל אחד יש עצירות מסחר במונחים של כיסוי, פסולת, והשפעה סביבתית. כמה ציפויים מתקדמים, במיוחד אלה המכילים ננו-חומרים, להעלות שאלות על בטיחות העובד ושחרור סביבתי במהלך הייצור וסילוק החיים.

עלויות נשאר שיקול. בעוד עלויות הציפוי נפלו כמאזני ייצור, הם עדיין מוסיפים פרמיה לרכיבים שכבר עשויים להיפיק בשוליים דקים.במקרה העסקי יש לשקול חיסכון בסך של מחזור חיים מתחזוקה מופחתת, חיסכון באנרגיה, ולהימנע מהזמן ולא מעלויות חומריות גבוהות בלבד.

לבסוף, מסלולי רגולציה וההסמכה של מטוסים ורכיבי רשת חשמליים הם קפדניים.מערכת ציפוי חדשה על קצה מוביל כנף חייבת לעבור התנגדות להבה נרחבת, שחיקה ובדיקות עמידות בפיקוח הממשל התעופה הפדרלי (FAA) או סוכנות בטיחות התעופה של האיחוד האירופי (EASA) באופן דומה, ציפויים על מולטי מוליכים בעלי נטיות גבוהות חייבים להוכיח כי הם אינם מתפשרים ביצועים חשמליים או יוצרים בעיות של כלילית.

כיוונים עתידיים

מחקר ופיתוח ממשיכים בקצב מהיר, עם שדרות מבטיחות באופק. Self-healingציפויות FLT:1] תיקון microscratches ו abrasion נזק באופן אוטונומי ירחיב באופן דרמטי את חיי השירות. אבות טיפוס מוקדמים משלבים מיקרו-capsulesules של סוכני ריפוי שמפוצצים כאשר הציפוי הוא שריטה, שחרור חומר זה לתוך סדקים ומשחזרים הידרופוכות.

(FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות למידה 1FLT) משמשים לתכנון מרקמים משטח אופטימיזציה עבור איכות קרח מקסימלית.על ידי הפעלת מיליוני סימולציות וירטואליות של השפעה טיפות ונקייה קרח, החוקרים יכולים לזהות תבניות משטח כיפורמים כל חומר טבעי או סינתטי ידוע.

גישה נוספת המתהווה משלבת:0.0.000 (דופק חשמלי דה-icingFLT) 1 עם ציפויים קמצפוביים. דופק קצר, גבוה ומורכב שנשלח דרך ציפוי התנהגותי גורם לשכבת בין-גזע דקת לחום מהיר ולמס, שחרור כל גיליון הקרח. כי הציפוי ממשיך להיות נמוך, פחות אנרגיה נדרשת מאשר עם מערכות נוגדות קונבנציונאליות כמו זה מפותח עבור טורבינות אוויר ו-5 שנים יכולות להיות מוכנות עבור סוללות מסחריות.

בטווח הארוך יותר, כנפיים של פרפר מורפו, ואפילו עור דובים קוטמיים עשוי להניב משטח כמעט בלתי סביר עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלה עלות הטוס, חלק מהחוקרים חוקרים בודקים ציפויים אשר שואבים באופן פעיל כמויות קטנות של חלבונים אנטי-טיהור (AFPs) שנמצאו בדגים הארקטיים וספקים של חומרים כימיים רצופים, ללא לחץ דם מתמשך.

מאמצים משותפים בין האקדמיה, התעשייה וסוכנויות הממשלה מאיצים את העברתן של טכנולוגיות אלה ממעבדה לתחום.ארגוני התקנים מפתחים שיטות מבחן למדידת כוח דבקות קרח ועמידות בתנאים ריאליים, המאפשרות השוואות ירידות ואימוץ מהיר יותר.העשור הבא כנראה יראה ציפויי הפחתה של קרח הופכים לתכונה סטנדרטית על קווי חשמל, מטוסים, תשתיות אנרגיה מתחדשת, צמצום משמעותי ומזג האוויר שהוטל על ידי עלויות החורף והאקלים.

עבור ארגונים העומדים בפני אתגרים קרח, המסר ברור: הטכנולוגיה התקדמה עד לנקודה שבה פריסות טייס וניתוח עלות-תועלת נקבעים.אלה שמשקיעים מוקדם לעמוד ביתרונות אמינות, חיסכון תפעולי, וחוד בטיחות שמשלמים דיבידנדים כל עונה.