Нужно растопить лед? Попробуйте высоковольтный металл
С приближением зимы большие районы Соединенных Штатов с нетерпением ожидают первых в этом сезоне сильных снегопадов. Когда падают снежинки, многие достают старые, проржавевшие санки, трудятся над формированием идеального снежного кома и наслаждаются вечером, возвращенным к жизни чашечкой горячего какао. Но затем наступает время льда.
Живописные снежные дни часто сменяются долгими часами, проведенными за счищением наледи с ветровых стекол автомобилей, тепловых насосов и других поверхностей вокруг дома. На промышленном уровне предприятия выпускают гигантские нагреватели и используют химикаты для ускорения процесса таяния, что может быть дорогостоящим и энергоемким процессом. Но исследователи из Технологического института Вирджинии считают, что они, возможно, открыли принципиально иной метод борьбы с обледенением, который стал возможен, по сути, за счет воздействия на лед на молекулярном уровне. Команда называет свою новую технологию плавления электростатическим размораживанием (EDF). Она заключается в наведении электрически заряженной медной пластины на покрытую инеем поверхность. Отрицательно заряженные ионы инея притягиваются к положительно заряженной пластине над головой, в то время как положительные заряды инея отталкиваются вниз. Это притяжение достаточно сильно, чтобы заставить частицы инея “подпрыгивать” к пластине. Постепенно увеличивая напряжение, исследователи в конечном итоге смогли удалить до 75% массы инея. Команда подробно изложила свои выводы в исследовании, недавно опубликованном в журнале Small Methods.
Борьба с замерзанием с помощью молекул воды
Это новое исследование медных пластин создает о более ранних работах, проведенных той же командой, с использованием взвешенной водной пленки. В этом эксперименте инженеры искусственно вырастили иней на нескольких поверхностях и использовали фильтровальную бумагу для удержания тонкого слоя воды непосредственно над ним. Отрицательные заряды в верхней части слоя инея притягивались к положительным ионам в водной пленке. Вместе они образовывали небольшое электромагнитное поле. Сила, приложенная к инею, была достаточно велика, чтобы “отделить” мелкие частицы инея, заставив их упасть в воду. Исследователи смогли запечатлеть точный момент, когда частицы инея отскочили с помощью высокоскоростной камеры.
ФОТО: Virgina Tech.
Весь этот химический процесс является побочным продуктом естественного образования льда на молекулярном уровне. По мере роста льда молекулы выстраиваются, как кусочки пазла. Но это не всегда идеально. Иногда некоторые элементы, в данном случае положительно и отрицательно заряженные ионы водорода, отсутствуют. Такое смещение зарядов приводит к тому, что ученые называют ионными дефектами. В эксперименте с водной пленкой отрицательные ионные дефекты во льду перемещались к верхней части слоя инея, в то время как положительные ионные дефекты перемещались к нижней части.
Лед не выдерживает высокого напряжения
Понимая фундаментальную научную концепцию смещенных молекул frost, команда Virginia Tech полагала, что заряженный извне медная пластина должна быть способна по существу воспроизводить эффект водной пленки, но еще более эффективно. Как оказалось, они были правы.
Свой первый тест они начали с того, что поместили медную пластину над инеем без подачи напряжения. Эта установка устранила 15 процентов инея всего за несколько минут. Когда они подали на плиту 120 вольт, иней исчез на 40 процентов. При 550 вольтах он исчез на 50 процентов. Во время тестирования заряды были достаточно сильными, чтобы постепенно выявить скрытый логотип Virginia Tech, который ранее был скрыт под морозной поверхностью.
Демонстрация концепции электростатического размораживания (EDF). Изображение: Яшасви Лолла и др. Small Methods, 2025
Можно было бы предположить, что увеличение напряжения приведет к дальнейшему увеличению времени удаления наледи, но этого не произошло. Когда исследователи установили напряжение в 1100 вольт, масса инея уменьшилась всего на 30 процентов. При еще более высоком напряжении в 5500 вольт было удалено всего 20 процентов. Каким-то образом обвинение “просочилось”.
“Мы действительно думали, что что-то нашли”, — сказал соавтор исследования и инженер-механик из Технологического института Вирджинии Джонатан Борейко в своем заявлении. — Продолжай повышать напряжение, и инея станет еще больше, верно? Неожиданностью стало то, что произошло обратное. ”
В конечном итоге команда решила проблему утечки заряда, создав искусственный иней на супергидрофобной поверхности с высокой изоляцией, удерживающей воздух. После устранения утечки они смогли удалить 75% инея.
Доцент Джонатан Борейко в своей лаборатории применяет напряжение к слою инея, продвигая свои исследования по размораживанию с помощью нового подхода. Изображение: Фото Алекса Пэрриша из Virginia Tech.
Однако инженеры предупреждают, что результаты все еще преждевременны и ограничены, им так и не удалось удалить 100% наледи в ходе своих экспериментов. И, как известно новичкам на обледенелых тротуарах, даже тонкого слоя оставшегося льда достаточно, чтобы ноги подкашивались.
Тем не менее, они не теряют надежды. С дальнейшими исследованиями этот метод электростатического размораживания может привести к созданию доступного и энергоэффективного метода удаления льда со всего, от автомобилей и крыльев самолетов до бытовых тепловых насосов.
Вам нужно растопить лед? Попробуйте высоковольтный металл, впервые появившийся в журнале Popular Science.
Другие статьи: