Får problematisk is til å sprekke opp
Is som legger seg på vindturbiner og solceller er et problem. Men forskere og ingeniører er på sporet av en ny løsning.
Avisningsvæsker forhindrer is og snøoppbygging på fly, men det er ikke et mulig alternativ for andre konstruksjoner, som vindturbiner eller overføringslinjer. Illfoto: Colourbox
Hvis du har tatt et fly i vinterkulda, har du sikkert sett at bakkemannskapet sprøyter avisningsvæske på vingene og kritiske steder på flyet, for å forhindre at det danner seg is.
Væsken fjerner fysisk is, men gjør det også mindre sannsynlig at det blir snø eller is på flyskroget de nærmeste timene.
Nå er en ny og bedre løsning er på vei: Metoden deres gjør at is kan danne seg på overflaten, men så får de den til å sprekke opp.
Alvorlig problem
Isdannelse er også et alvorlig problem for kraftindustrien. Et tynt lag av is på solpaneler kan kraftig redusere evnen til å generere elektrisitet. Tynne islag på vindmøller kan redusere effektiviteten.
Et tynt lag is på en kraftlinje kan være det første trinnet i farlig isdannelse. Det var akkurat det som skjedde i Quebec i 1998, da isdannelse på kraftlinjer og tårn ødela mer enn 150 tårn. Mer enn én million mennesker i Quebec og Ontario sto uten strøm, og isdannelsen førte til kostnader på over 30 milliarder kroner etter dagens kurs.
Nå har et forskerteam ved NTNU en ny tilnærming til problemet. Forskerne vil forhindre isdannelse ved å sprekke den.
En isstorm i Quebec og deler av Ontario i 1998 førte til at mer enn en million mennesker mistet strøm og forårsaket milliarder dollar i skade. Men hva om du kunne forhindre isoppbygging på overføringslinjer? Illfoto: Colourbox
– Vi tror vi har funnet en veldig interessant og unik metode for å redusere isadhesjonen. Dette er et gjennombrudd, sier Zhiliang Zhang, professor ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU og leder av SLICE-prosjektets team som oppdaget teknikken.
Metoden deres er nettopp blitt publisert i Soft Matter, en publikasjon fra Royal Society of Chemistry.
Vanlig avising er ikke et alternativ
Mange konstruksjoner kan ikke bruke den tradisjonelle avisingsmetoden. En offshorerigg, et skip i arktiske farvann eller vindturbiner på steder med kalde vintre kan få problemer med is. Der er det ikke et alternativ å sprøyte frostvæske på konstruksjonen.
Forskere og ingeniører har for lengst laget stoffer som kalles «superhydrofobe». Disse stoffene er spesielt effektive til å frastøte vann. Siden du trenger vann for å lage is, kan metoden forhindre isdannelse.
Superhydrofobe stoffer kan sprøytes på overflater, eller gjenstander kan dyppes i stoffet. Men ofte er stoffene laget av såkalte fluorerte forbindelser som ikke er spesielt miljøvennlige.
Solpaneler kan ikke gjøre jobben hvis de er dekket av snø og is. Men hva om de kunne bli gjort mer glatte? Illfoto: Colourbox
Zhang sier at forskere heller ikke er helt sikre på at en superhydrofob overflate også forblir isfri lenge nok.
Å leve med isen
Dette motiverte Zhang og hans kolleger ved NTNU Nanomechanical Lab til å prøve en helt annen tilnærming.
– Vår strategi er å leve med isen, sier professor Zhang Zhiliang.
Strategien er å la isen danne seg, men også å sørge for at islagene sprekker opp og faller av overflaten.
Løsninger på flere nivåer
I forsøkene på å finne måter å hindre isen i å feste seg til overflater, har isforskere prøvd å manipulere fysiske krefter for å skape sprekker. De jobber på nano-, mikro- og makronivå.
Mange isforskere har forsøkt å lage glatte overflater ved å bruke ulike stoffer. Denne metoden avhenger av overflatekjemi for å skape sprekkdannelse ved å svekke atomære bindinger mellom isen og overflaten. Disse stoffene er kalt NACI eller nano-crack-initiatorer.
På mikronivå har isforskere bygget mikrostore forhøyninger i overflatene som de vil beskytte mot isdannelse. Disse mikroforhøyningene kalles micro-crack-initiatorer, eller MICI. De skaper mikrosprekker i kontaktflaten mellom overflaten og isen, og begrenser isens evne til å feste seg til den behandlede overflaten.
Bildet viser en av de mønstrede substrukturer som Zhang og hans kolleger brukte i utformingen av deres anti-iskrembelegg. Understrukturen bidro til å forårsake makrokrekking ved grensesnittet mellom is på overflaten og overflaten selv, en prosess forskerne kalte MACI, for makro-crack initiator. (Foto: NTNU Nanomechanical Lab)
Men selv om de brukes sammen, er ikke disse mekanismene noen garanti for at isen ikke fester seg til en overflate.
MACI
Zhang og hans kolleger har testet flere kommersielle og hjemmelagde belegg som bruker NACI og MICI for å redusere isens evne til å feste seg til overflaten.
De skjønte etter hvert at hvis de la til enda en struktur under overflaten, kunne de skape store makro-sprekker der overflaten og isen møtes. De kalte denne mekanismen MACI, for makro-crack-initiator.
– Etter hvert som sprekkene blir større, blir det mindre og mindre sannsynlig at isen fester seg til overflaten. MACI er derfor nøkkelen til å bli kvitt isdannelse på overflater, sier Zhang.
Overflater med indre søyler og hull
For å teste ideen lagde Zhang og hans kolleger et underlag som hadde mikrohull eller søyler.
De lagde deretter en tynn film av et stoff som heter polydimetylsiloksan (Si(CH3)2O)n, eller PDMS, som dekket de hullete, humpete underlagene.
De testet forskjellig utforming av MACI-strukturene. De testet også hva som ville skje hvis de brukte flere lag med indre hull.
Forskerne var overrasket over å finne at overflater med MACI-understrukturer hadde isadhesjonsstyrker som var minst 50 prosent svakere enn de rene PDMS-overflatene uten MACI.
Slik ser det anti-isbelegget ut når det er festet til et fleksibelt plaststykke. Belegget i seg selv er bare 30 mikrometer tykt, eller omtrent halvparten av bredden på et gjennomsnittlig menneskehår. (Foto: NTNU Nanomechanical Lab)
En overflate med den spesielle MACI-designen ga forskerne de resultatene de hadde håpet på, med noen av de laveste verdiene for isadhesjon, eller vedhenging, som noensinne er målt.
– Isadhesjonsstyrken for vanlige utendørs stål- eller aluminiumoverflater er rundt 600-1000 kPa, sier Zhang. – Ved å introdusere det nye MACI-konseptet til overflateutformingen, nådde vi den superlave isadhesjonsverdien 5,7 kPa.
Å knekke koden for å sprekke is
Zhang og hans kolleger har mer arbeid å gjøre for å utvikle ideen videre, men de er glade for at de kanskje har knekket koden for å forhindre farlig isoppbygging, samtidig som denne metoden begrenser uønskede miljøeffekter.
– Tradisjonelle aktive avisingsteknikker kan ha store skadevirkninger på strukturer og miljø, sier han. – Men passive super-lave isadhesjonsflater unngår alle de skadelige effektene. Dette er veldig interessant, ikke bare for vitenskapsfolk og for bruk på arktiske konstruksjoner, men for solpaneler og for kraftlinjer. Det er mange bruksområder.
Zhiliang Zhang. Foto: NTNU
Zhang og teamet hans jobber nå for å etablere en avisingslab ved NTNU med toppmoderne fasiliteter: Her vil de studere isdannelse og ulike egenskaper for overflater som påvirker isadhesjon.
Laboratoriet vil drive med grunnleggende forskning på forhindring av isdannelse, og teste og bidra med råd om materialvalg for norsk industri.
Forskningen er delfinansiert av Statoil og Norges forskningsråd via FRINATEK-prosjektet SLICE.
Kilde: Multiscale crack initiator promoted super-low ice adhesion surfaces. Zhiwei He, Senbo Xiao, Huajian Gao, Jianying He and Zhiliang Zhang. Soft Matter, 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/c7sm01511a
