Hvis du har tatt et fly i vinterkulda, har du sikkert sett at bakkemannskapet sprøyter avisingsvæske på vingene og kritiske steder på flyet, for å forhindre at det danner seg is.

Væsken fjerner fysisk is, men gjør det også mindre sannsynlig at det blir snø eller is på flyskroget de nærmeste timene.

Nå er en ny og bedre løsning er på vei: Metoden lar isen danne seg på overflaten, og får den heller til å sprekke opp etterpå.

Alvorlig problem

Isdannelse er også et alvorlig problem for kraftindustrien. Is på solpaneler kan kraftig redusere evnen til å generere elektrisitet. Også is på vindmøller kan redusere effektiviteten.

Et tynt lag med is på en kraftlinje kan være det første trinnet i farlig isdannelse. Det var akkurat det som skjedde i Quebec i 1998, da isdannelse på kraftlinjer og tårn ødela mer enn 150 tårn. Mer enn én million mennesker i Quebec og Ontario sto uten strøm, og isdannelsen førte til kostnader på over 30 milliarder kroner etter dagens kurs.

Nå har et forskerteam ved NTNU en ny tilnærming til problemet. Forskerne vil forhindre isdannelse ved å sprekke den.

– Vi tror vi har funnet en veldig interessant og unik metode for å hindre at isen fester seg. Dette er et gjennombrudd, sier Zhiliang Zhang, professor ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU.

• Les også: Hvor stor kan en vanndråpe bli?

Vanlig avising er ikke et alternativ

Mange konstruksjoner kan ikke bruke den tradisjonelle avisingsmetoden. En offshorerigg, et skip i arktiske farvann eller vindturbiner på steder med kalde vintre kan få problemer med is. Der er det ikke et alternativ å sprøyte frostvæske på konstruksjonen.

Forskere og ingeniører har for lengst laget stoffer som kalles superhydrofobe. Disse stoffene er spesielt effektive til å frastøte vann. Siden du trenger vann for å lage is, kan metoden forhindre isdannelse.

Superhydrofobe stoffer kan sprøytes på overflater, eller gjenstander kan dyppes i stoffet. Men ofte er stoffene laget av såkalte fluorerte forbindelser som ikke er spesielt miljøvennlige.

Zhang sier at forskere heller ikke er helt sikre på at en superhydrofob overflate også forblir isfri lenge nok.

• Les også: Nå kan forskerne fange spøkelsespartikler med liten maskin

Å leve med isen

Dette motiverte Zhang og hans kolleger ved NTNU Nanomechanical Lab til å prøve en helt annen tilnærming.

– Vår strategi er å leve med isen, sier professor Zhang.

Strategien er å la isen danne seg, men så å sørge for at islagene sprekker opp og faller av overflaten.

Løsninger på flere nivåer

I forsøkene på å finne måter å hindre isen i å feste seg til overflater har isforskere prøvd å manipulere fysiske krefter for å skape sprekker. De jobber på nano-, mikro- og makronivå.

Mange isforskere har forsøkt å lage glatte overflater ved å bruke ulike stoffer. Denne metoden avhenger av overflatekjemi for å skape sprekkdannelse ved å svekke atomære bindinger mellom isen og overflaten. Disse stoffene er kalt NACI eller nano-crack-initiatorer.

På mikronivå har isforskere bygget mikrostore forhøyninger i overflatene som de vil beskytte mot isdannelse. Disse mikroforhøyningene kalles micro-crack-initiatorer, eller MICI. De skaper mikrosprekker i kontaktflaten mellom overflaten og isen og begrenser isens evne til å feste seg til den behandlede overflaten.

Men selv om de brukes sammen, er ikke disse mekanismene noen garanti for at isen ikke fester seg til en overflate.

• Les også: Hun sprenger glass for å gjøre dem sikrere

Ikke nano eller mikro, men makro

Zhang og hans kolleger har testet flere kommersielle og hjemmelagde belegg som bruker NACI og MICI for å redusere isens evne til å feste seg til overflaten.

De skjønte etter hvert at hvis de la til enda en struktur under overflaten, kunne de skape store makro-sprekker der overflaten og isen møtes. Derfor kalte de denne mekanismen for MACI, altså makro-crack-initiator.

– Etter hvert som sprekkene blir større, blir det mindre og mindre sannsynlig at isen fester seg til overflaten. MACI er derfor nøkkelen til å bli kvitt isdannelse på overflater, sier Zhang.

Overflater med indre søyler og hull

For å teste ideen lagde Zhang og hans kolleger et underlag som hadde mikrohull eller søyler.

De lagde deretter en tynn film av et stoff som heter polydimetylsiloksan (Si(CH3)2O)n, eller PDMS, som dekket de hullete, humpete underlagene.

De testet forskjellig utforming av MACI-strukturene. De testet også hva som ville skje hvis de brukte flere lag med indre hull.

Forskerne var overrasket over å finne at overflater med MACI-understrukturer hadde isadhesjonsstyrker som var minst 50 prosent svakere enn overflatene uten MACI. Adhesjon er evnen to stoffer har til å feste seg til hverandre. Dette kan ha ulike styrker og noe klebrer seg mer enn andre stoffer gjør.

• Les også: Hvorfor limer lim?

En overflate med den spesielle MACI-designen ga forskerne de resultatene de hadde håpet på, med noen av de laveste verdiene for isadhesjon, eller vedhenging, som noensinne er målt.

– Isadhesjonsstyrken for vanlige utendørs stål- eller aluminiumoverflater er rundt 600–1000 kilopascal, sier Zhang. – Ved å introdusere det nye MACI-konseptet til overflateutformingen, nådde vi den superlave isadhesjonsverdien 5,7 kilopascal.

Kilopascal er en måleenhet som blant annet blir brukt for å måle fasthet og spenning i materialer. 

Å knekke koden for å sprekke is

Zhang og hans kolleger har mer arbeid å gjøre for å utvikle ideen videre, men de er glade for at de kanskje har knekket koden for å forhindre farlig isoppbygging, samtidig som denne metoden begrenser uønskede miljøeffekter.

– Tradisjonelle aktive avisingsteknikker kan ha store skadevirkninger på strukturer og miljø, sier han.

– Men passive superlave isadhesjonsflater unngår alle de skadelige effektene. Dette er veldig interessant, ikke bare for vitenskapsfolk og for bruk på arktiske konstruksjoner, men for solpaneler og for kraftlinjer. Det er mange bruksområder.

Zhang og teamet hans jobber nå for å etablere en avisingslab ved NTNU med toppmoderne fasiliteter: Her vil de studere isdannelse og ulike egenskaper for overflater som påvirker isadhesjon.

Laboratoriet vil drive med grunnleggende forskning på forhindring av isdannelse og teste og bidra med råd om materialvalg for norsk industri.

Referanse:

Zhiwei He m.fl: Multiscale crack initiator promoted super-low ice adhesion surfaces. Soft Matter, 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/c7sm01511a.