Cientistas e engenheiros têm travado uma batalha silenciosa, mas determinada, contra o acúmulo de gelo na infraestrutura. Uma fina camada de gelo nos painéis solares pode causar estragos em sua capacidade de gerar eletricidade. Camadas finas de gelo nas aletas das turbinas eólicas podem diminuir sua eficiência.

E uma fina camada de gelo em uma linha de transmissão elétrica pode ser o primeiro passo para o perigoso acúmulo de gelo. Isso é exatamente o que aconteceu em Quebec em 1998, quando um acúmulo de gelo nas linhas de transmissão e torres esmagou mais de 150 torres, deixando mais de um milhão de pessoas sem energia e causando danos de aproximadamente CDN $ 5 bilhões.

Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) relata uma nova abordagem para prevenir o acúmulo de gelo quebrando-o. "Achamos que encontramos um método muito interessante para reduzir a adesão do gelo que é único, e um avanço na comunidade anti-gelo, "diz Zhiliang Zhang, professor do Departamento de Engenharia Estrutural da NTNU e chefe da equipe do projeto de pesquisa do SLICE que descobriu a técnica. A abordagem deles acaba de ser publicada em Matéria Macia , uma publicação da Royal Society of Chemistry.

Se você já pegou um vôo no inverno, você quase certamente experimentou uma abordagem para evitar que o gelo grude na superfície, que envolve a pulverização de fluido de degelo nas asas de um avião e outras partes críticas da aeronave. O spray remove fisicamente qualquer gelo acumulado, mas também torna a superfície do avião menos provável de acumular neve ou gelo (embora apenas por um breve período). Na maioria das aplicações industriais, Contudo, como em uma plataforma offshore ou navio no Ártico, ou em turbinas eólicas, borrifar anticongelante em uma estrutura não é uma opção.

Cientistas e engenheiros criaram substâncias chamadas super-hidrofóbicas. Isso significa que eles são excelentes em repelir água. As substâncias superhidrofóbicas podem ser aplicadas a superfícies por pulverização ou imersão. Muitas vezes, eles são feitos de produtos químicos fluorados que não são particularmente ecológicos. E os cientistas não estão completamente certos de que uma superfície super-hidrofóbica pode permanecer sem gelo, pelo menos por longos períodos. Isso motivou Zhang e seus colegas do Laboratório Nanomecânico NTNU a tentar uma abordagem completamente diferente.

“Nossa estratégia é conviver com o gelo, " ele disse, ao deixá-lo se formar, mas garantindo que as camadas de gelo se separem da superfície e caiam. Em seus esforços para encontrar maneiras de evitar que o gelo grude nas superfícies, pesquisadores de gelo tentaram manipular forças físicas para gerar rachaduras de interface em nano e microescala.

Muitos pesquisadores de gelo tentaram criar superfícies escorregadias que dependem da química da superfície para causar rachaduras ao enfraquecer as ligações atômicas entre o gelo e a superfície. Essas substâncias relacionadas à química de superfície são chamadas de NACI, para iniciadores de nano-crack.

Na microescala, pesquisadores de gelo construíram microbumps nas superfícies que desejam proteger do gelo. Essas microbumps são chamados de iniciadores de micro-crack, ou MICI, porque sua rugosidade promove microfissuras no contato entre a superfície e o gelo, e limita a capacidade do gelo de aderir à superfície tratada.

Nenhum desses mecanismos é perfeito para evitar que o gelo grude na superfície. Zhang e seus colegas testaram vários revestimentos comerciais e caseiros que contam com o NACI e o MICI para reduzir a capacidade do gelo de aderir à superfície. Eles gradualmente perceberam que se adicionassem outra estrutura abaixo da superfície, eles podem formar grandes fissuras macro na interface entre a superfície e o gelo. Eles chamaram esse mecanismo de MACI, para o iniciador macro-crack.

Conforme as rachaduras ficam maiores, é menos provável que o gelo permaneça na superfície. Desta maneira, MACI é a chave para se livrar do acúmulo de gelo nas superfícies, Zhang disse. Para testar a ideia deles, Zhang e seus colegas criaram camadas de subsuperfície que tinham microfuros ou pilares. Em seguida, eles fizeram uma película fina de uma substância chamada polidimetilsiloxano, ou PDMS, que cobriu o buraco, camadas de subestrutura acidentadas.

Eles testaram vários projetos de suas estruturas internas MACI. Eles também testaram o que aconteceria se usassem várias camadas com orifícios internos. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que as superfícies que tinham as subestruturas MACI tinham forças de adesão ao gelo pelo menos 50 por cento mais fracas do que as superfícies de PDMS puro sem MACI. Uma superfície com o design MACI especial deu aos pesquisadores os resultados que eles esperavam, com alguns dos valores mais baixos de adesão ao gelo, ou viscosidade, já medido.

"A força de adesão do gelo para superfícies externas comuns de aço ou alumínio é de cerca de 600-1000 kPa, "Zhang disse." Ao introduzir o novo conceito MACI no design de superfície, alcançamos o valor de adesão de gelo extremamente baixo de 5,7 kPa. "

Zhang e seus colegas têm mais trabalho a fazer enquanto desenvolvem sua ideia, mas eles estão entusiasmados porque podem ter decifrado o código para evitar o perigoso acúmulo de gelo, ao mesmo tempo em que limitam os efeitos ambientais indesejáveis. "As técnicas tradicionais de descongelamento ativo ... podem ter grandes efeitos prejudiciais nas estruturas e no meio ambiente, "Disse Zhang." Mas as superfícies passivas de adesão super-baixa ao gelo evitam todos esses efeitos prejudiciais. Isso é muito interessante não só para a comunidade científica, e para aplicações árticas, mas para painéis solares, para transporte e linhas de transmissão. Existem muitos aplicativos relacionados à vida cotidiana. "