Физики ускорили удаление льда в 10 тысяч раз

Ученые разработали новый метод удаления изморози и льда с различных поверхностей, основанный на локальном нагреве границы между телом и замерзшей водой. В результате импульс тепловой энергии растапливает тонкий слой льда, что позволяет легко удалить основную часть отложений. Предложенный способ требует специального тонкого покрытия, но оказывается эффективнее стандартных более чем в сто раз, а затрачиваемое время снижается в 10 тысяч раз, пишут авторы в журнале Applied Physics Letters.

Покрытие изморозью различных поверхностей представляет серьезную проблему в ряде случаев. В частности, обледенение может привести к поломке самолетов, ветрогенераторов, холодильных систем и высоковольтных линий электропередач. Для каждого из этих случаев разработаны методы очистки, но они часто оказывают затратны, а их эффект — недолговечным, при этом сопутствующий простой оборудования приводит к дополнительным убыткам.

К средствам борьбы против намерзания воды относятся специальные покрытия специальными противообледенительными жидкостями, продувка горячим воздухом и нагрев при помощи инфракрасных излучателей, а в случае холодильной техники возможно обращение цикла, нагревающее рабочую жидкость внутри. В результате желаемый эффект достигается только за большое время и с невысокой эффективностью, так как до 75 процентов энергии может уходить на нагрев не льда, а самой установки или окружающего воздуха.

В работе физиков из США и Японии под руководством Ненада Милковича (Nenad Miljkovic) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне предлагается новый способ, основанный на импульсном нагреве пограничного слоя льда. Подобные идеи уже высказывались ранее, но не было создано достаточно точной математической модели такого процесса, что не позволяло оптимизировать метод.

Авторы новой работы создали одномерную численную модель переноса тепла с учетом изменения фазы воды для изучения деталей импульсного расплавления льда. Это позволило физикам оценить требуемое время обработки, зная геометрию поверхности, температуру льда и тепловую мощность.

Исследователи экспериментально проверяли полученные данные, покрыв стекло слоем оксида индия-олова толщиной всего 10 микрон. Это соединение уже используется для удаления изморози, так как является проводником, поэтому пропуская через него импульс электрического тока можно добиться резкого скачка температуры. Опыты проводились при двух температурах в -15 и -71 градус Цельсия, характерных для кондиционеров и самолетов соответственно, а также при значениях потоков тепловой энергии от 10 до 100 ватт на квадратный сантиметр.

В результате удалось растопить тонкий пограничный слой льда, после чего основная часть обледенения упала под действием собственной тяжести. При этом потребовалось менее 0,01 процента времени по сравнению со стандартными методами и менее 1 процента суммарной затраченной энергии. В частности, небольшие использованные в экспериментах пластины освобождались от льда менее чем за секунду.

Авторы планируют продолжить работу, в частности, путем построения трехмерных моделей сложных деталей самолетов. Также в текущей работе использовались высокие значения мгновенной мощности в импульсе, что в случае настоящего крыла самолета может быть затруднительно, поэтому и в этом отношении подходу требуется оптимизация.

Ранее предлагалось обнаруживать обледенение двигателей с помощью светодиодов и самоклеющихся сенсоров, а также создавать противообледенительную систему из углеволокна. Обледенение при движении под водой оказалось способно снизить турбулентность.

Тимур Кешелава