Technologia, która ochroni przed oblodzeniem powierzchni

Problem jest poważny. Osadzający i nawarstwiający się lód może być śmiertelnie niebezpieczny, i to w wielu dziedzinach naszego życia. Ryzyko jeszcze wzrasta, gdy oblodzenie pojawia się na powierzchniach aerodynamicznych poruszających się z dużą prędkością samolotów czy turbin wiatrowych albo na pełniących ważną rolę elementach instalacji elektrycznych. Dr inż. Rafał Kozera z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej ma pomysł, jak rozwiązać kłopot.

Naukowiec wraz ze swoim zespołem realizuje projekt IceSurfer. Badacze opracowują technologię wytwarzania lodofobowych (czyli powstrzymujących osadzanie lodu) powierzchni do wykorzystania w elementach z kompozytów polimerowych. Szczególnie dotyczy to wspomnianych elementów samolotów, łopat turbin wiatrowych oraz urządzeń doprowadzających prąd do domów i mieszkań. Projekt jest realizowany w ramach programu LIDER IX organizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

– Ze względów dekoracyjnych i ochronnych kompozyty pokrywane są warstwą nazywaną żelkotem – wyjaśnia dr inż. Kozera. – Nam chodzi o takie zmodyfikowanie tej warstwy, żeby lód do niej nie przywierał albo żeby zarodkowanie kryształów lodu było jak najbardziej opóźnione. A jeśli lód jednak się osadzi, to żeby miał mniejszą siłę adhezji i łatwiej go było usunąć.

Dlatego naukowcy produkują różne dodatki, które mają zmienić właściwości zewnętrznej warstwy kompozytu. Wykorzystują w tym celu nanocząstki i stosują modyfikacje chemiczne oraz laserowe.

Projekt zakłada wprowadzenie zmian w procesie produkcji żelkotów – tak, żeby od razu miały one pożądane właściwości. Naukowcy przewidują też jednak wykorzystanie rozwiązania w elementach już wytworzonych i używanych. W takich przypadkach stosowane będą odpowiednio zmodyfikowane farby.

Zdjęcie obrazuje badania opóźnienia zamarzania lodu na próbkach (fot. nadesłane)

W trosce o środowisko i finanse

Technologia, nad którą pracuje zespół dr. inż. Kozery, może być doskonałą alternatywą dla obecnie wykorzystywanych sposobów radzenia sobie z obladzaniem powierzchni. Metody te są zazwyczaj szkodliwe dla środowiska, drogie i obniżają wytrzymałość materiałów. Ręczne usuwanie lodu opiera się na używaniu środków chemicznych, które niszczą strukturę elementów, a do tego przedostają się do powietrza i gleby. Z kolei rozwiązania wykorzystujące do odladzania energię elektryczną potrzebują bardzo dużej mocy, a to nie dość, że negatywnie wpływa na środowisko, jest mało wydajne, to jeszcze kosztuje, i to niemało. Na tym nie koniec. Usuwanie lodu oznacza przecież także, że samolot, turbina czy instalacja są wyłączone z użytku. A to generuje straty ekonomiczne.

– W literaturze pojawiają się informacje o powłokach, które chronią przed obladzaniem, ale autorzy bardzo często milczą na temat trwałości swoich rozwiązań – zaznacza dr inż. Kozera. – Tak jest w przypadku np. silikonu – sprawdza się, ale jest mało odporny, w szczególności na czynniki działające erozyjnie.

Nie ma więc mowy, żeby zastosować go w lotnictwie czy turbinach wiatrowych.

– Elementy, które chcemy ochronić, są poddawane ogromnym obciążeniom mechanicznym i termicznym, pracują non stop, a to warunki dla bardzo intensywnej degradacji powierzchni – tłumaczy dr inż. Kozera. – W samolotach usuwanie powłok odbywa się co 5-10 lat, czasami nawet co 3. Podobnie jest w turbinach wiatrowych. Dlatego planujemy co jakiś czas regenerować elementy wykorzystujące naszą technologię. Do tego posłużą farby.

Sposoby na wszystko

Opracowywane rozwiązanie może mieć bardzo szerokie zastosowanie. W ramach projektu IceSurfer dr inż. Kozera koncentruje się jednak na turbinach wiatrowych. – Obecnie pracujemy w laboratoriach, jesteśmy na etapie wytwarzania próbek – mówi naukowiec. – Na koniec chcemy stworzyć demonstrator, oczywiście w małej skali, ale geometrycznie zbliżony do prawdziwej łopaty turbiny. Będziemy też prowadzić badania w lodowym tunelu powietrznym i warunkach rzeczywistych.

Sprawdzenie, czy technologia spełnia swoją rolę, wydaje się wyzwaniem. Bo jak ją dobrze przetestować, skoro oblodzenie powierzchni występuje w specyficznych warunkach atmosferycznych, a problem nawarstwiania lodu nie pojawia się z dnia na dzień? Jest jednak na to sposób.

– Są metody przyspieszania degradacji pod wpływem warunków klimatycznych, więc sobie poradzimy – mówi dr inż. Kozera.

Czas realizacji projektu: 01.01.2019-31.12.2021. Projekt „Lodofobowe powierzchnie do zastosowań na elementy z kompozytów polimerowych” finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER IX, nr LIDER/16/0068/L-9/17/NCBR/2018.

Agnieszka Kapela
Biuro ds. Promocji i Informacji PW