O gelo nas superfícies de uma aeronave pode ser um perigo. Aumenta o arrasto e o consumo de combustível, interrompe os fluxos aerodinâmicos, e diminui a sustentação - o que prejudica a capacidade da aeronave de voar com segurança. Pesquisadores do Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, A Airbus e a TU Dresden desenvolveram um processo a laser que atende a duas necessidades com uma ação. Por um lado, o gelo acumulado cai por si só e, por outro lado, é preciso menos calor para descongelar as superfícies. A padronização de interferência direta do laser permite que as superfícies sejam estruturadas de forma a repelir o gelo de maneira eficaz.

A formação de gelo representa um risco para a segurança das aeronaves. Uma fina camada de gelo assentando nas asas ou em outros pontos nevrálgicos, como a cauda, ​​pode afetar adversamente a aerodinâmica da aeronave. A sustentação pode diminuir e o arrasto aumentar. O acúmulo de gelo nas sondas e sensores pode comprometer as medições da velocidade do ar que são críticas para a segurança em vôo. É por isso que a neve e o gelo devem ser removidos das aeronaves antes de decolar. No chão, essa tarefa recai sobre veículos especiais que borrifam agentes químicos em todas as superfícies vulneráveis. Esses anticongelantes também impedem a formação de gelo. Contudo, fluidos desse tipo são prejudiciais ao meio ambiente e caros. Além disso, uma quantidade substancial - 400 a 600 litros - é necessária para descongelar um avião. As aeronaves aerotransportadas também devem ser protegidas contra esse perigo de congelamento. Na maioria dos casos, sistemas de proteção contra gelo, como elementos de aquecimento, são facilitados a bordo para fazer o trabalho. A grande desvantagem desses aquecedores é que aumentam o consumo de combustível.

Ecologicamente sustentável

Usando uma tecnologia conhecida como Direct Laser Interference Patterning (DLIP), uma equipe de pesquisa da Fraunhofer IWS colaborou de perto com os parceiros do projeto Airbus e TU Dresden para desenvolver um processo que permite complexos, estruturas de superfície sinuosas a serem criadas na escala mícron e submicrônica para diminuir o acúmulo de gelo e acelerar o degelo. (Mais sobre a tecnologia DLIP na caixa abaixo). O que diferencia esse processo é que os pesquisadores combinaram DLIP com lasers de pulso ultracurto para criar vários níveis, Microestruturas 3-D em perfis de asas em uma única etapa.

Como resultado, parte do gelo simplesmente perde sua aderência, dependendo das condições em que congelou, e se desprende espontaneamente após atingir uma certa espessura. Também, o degelo técnico requer 20% menos energia de aquecimento. Outras vantagens do novo processo são que ele potencialmente reduz a quantidade necessária de agentes de degelo ambientalmente prejudiciais e o tempo que os passageiros passam esperando o avião descongelar. O mesmo se aplica à potência em voo e ao consumo de combustível. Pode até reduzir o peso da aeronave se unidades de aquecimento menores forem instaladas. Essa combinação desses dois efeitos ainda não foi alcançada com as tecnologias convencionais.

Testes de túnel de vento com Airbus

Este processo DLIP foi desenvolvido em um esforço conjunto entre Fraunhofer IWS e TU Dresden para encontrar a estrutura de superfície DLIP otimizada. Finalmente, os especialistas da IWS desenvolveram o processo de padronização para transferir a estrutura otimizada para o demonstrador final:um aerofólio NACA tridimensional complexo que serviu como um pendente de asa miniaturizado, mas realista. O aerofólio NACA foi então testado por especialistas da AIRBUS no túnel de vento. Os testes de desempenho foram realizados com um aerofólio NACA estruturado e um aerofólio NACA não estruturado servindo como referência em condições realistas em velocidades de vento variando de 65 a 120 m / s, com temperaturas do ar abaixo de dez graus Celsius negativos e em vários níveis de umidade.

Os parceiros da Airbus conseguiram demonstrar que o crescimento de gelo na superfície funcionalizada é autolimitante. Na verdade, o gelo cai depois de um certo tempo, sem a necessidade de aquecimento adicional da superfície. Experimentos adicionais também mostraram que levou 70 segundos para o gelo em um aerofólio não estruturado derreter a 60 watts de calor aplicado. O gelo no aerofólio estruturado recuou completamente depois de apenas cinco segundos com a mesma quantidade de calor aplicado. A tecnologia DLIP acelerou o processo em mais de 90 por cento. Demorou 75 watts, ou 25 por cento mais energia de aquecimento em comparação com a superfície DLIP, para remover o gelo no demonstrador não estruturado. "Nesta maravilhosa colaboração com a Airbus, demonstramos pela primeira vez e de forma realista o grande potencial anti-gelo que pode ser aproveitado com padronização de superfície a laser em grande escala. Com nossa abordagem DLIP, percebemos estruturas de superfície biomiméticas em um componente complexo como o aerofólio NACA, e demonstrou suas vantagens distintas sobre outros processos a laser ", diz o Dr. Tim Kunze, Equipe Líder de Funcionalização de Superfície no Fraunhofer IWS. Seu colega Sabri Alamri acrescenta:“A aplicação de micro e nanoestruturas no metal evita que as gotas de água grudem. Inspirado na natureza, isso é amplamente conhecido como efeito de lótus. Com nosso novo processo DLIP, podemos criar uma superfície fragmentada para reduzir significativamente o número de pontos de adesão para gelo. Em breve publicaremos um artigo sobre os resultados. "Parceiro do projeto Elmar Bonaccurso, Engenheiro de pesquisa para tecnologia de superfície / materiais avançados na Airbus, adiciona, "A formação de gelo é particularmente perigosa durante o pouso. A água na superfície congela em milissegundos quando a aeronave voa através das nuvens em temperaturas abaixo de zero. Isso pode interromper as funções dos elementos de controle, como flaps e slats de pouso, o que prejudica a aerodinâmica. Hoje, usamos ar quente proveniente dos motores para aquecer as superfícies das asas. A estrutura repelente de água, que desenvolvemos com nosso parceiro Fraunhofer IWS no projeto Laser4Fun da UE, é uma tentativa de substituir as tecnologias convencionais por tecnologias ecológicas, alternativas mais econômicas. "O próximo passo dos parceiros será otimizar o método e adaptá-lo às várias zonas aéreas. Eles levarão em consideração os resultados obtidos em testes de voo reais em andamento com uma aeronave A350 cujas superfícies foram tratado com DLIP.

Uma tecnologia chave

A equipe de pesquisa estabeleceu uma tecnologia chave usando lasers de pulso curto e ultracurto para padronização direta de interferência do laser. Ele pode servir a muitos aplicativos, por exemplo, para estruturar superfícies funcionais em turbinas eólicas ou outros componentes que podem congelar em regiões frias. Esta tecnologia também pode ser aplicada a campos muito diferentes, como proteção de produtos, implantes biocompatíveis e contatos aprimorados para conectores elétricos. "Podemos aplicar microestruturas funcionais em grandes áreas e em altas velocidades de processo, obtendo benefícios para uma série de aplicativos que, até agora, tinha sido inconcebível, "diz Tim Kunze.