Phương pháp mới làm tan băng mà không cần sử dụng điện hoặc hóa chất
11/09/2018
370 Lượt xem
Hiện tượng tích tụ băng tuyết dù là hình thành ở cánh máy bay, đường dây điện trên không hay trong lưỡi cánh quạt khổng lồ của tuabin gió thì đều có thể gây ra các hậu quả rất nghiêm trọng, có thể làm giảm hiệu suất hoặc gây hư hỏng hoặc có những tình huống có thể gây ra tai nạn. Làm tan băng có thể được thực hiện bằng các phương pháp như sử dụng hệ thống sưởi tiêu tốn năng lượng hoặc thuốc xịt hóa chất có hại cho môi trường. Tuy nhiên, hiện nay, các nhà nghiên cứu MIT do giáo sư kỹ sư cơ khí Kripa Varanasi đứng đầu cùng hai nhà nghiên cứu sau tiến sĩ là Susmita Dash và Jolet de Ruiter đã phát triển một phương pháp mới mang tính thụ động hoàn toàn, sử dụng chính nguồn năng lượng mặt trời để làm công cụ loại bỏ sự hình thành và tích tụ tuyết, băng giá. Bài báo về nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Science Advances.
Hệ thống mới có cấu tạo tương đối đơn giản, dựa trên một loại vật liệu ba lớp có thể được gắn trực tiếp hoặc thậm chí gá lên bề mặt cần xử lý. Vật liệu hấp thu bức xạ mặt trời và chuyển đổi nó thành dạng nhiệt, sau đó, truyền nhiệt ra xung quanh bề mặt cần xử lý để làm tan lớp băng không chỉ giới hạn tại các vị trí tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời mà còn ở những vị trí lân cận. Đặc biệt, phương pháp mới không đòi hỏi phải sử dụng nguồn điện. Hệ thống thậm chí có thể vận hành vào ban đêm bằng cách sử dụng ánh sáng nhân tạo.
"Sự hình thành và tích tụ băng giá gây nguy hiểm cho các động cơ của máy bay, tuabin gió, đường dây điện, giàn khai thác dầu khí ngoài khơi…..", Varanasi cho biết. "Những cách xử lý thông thường là sử dụng hóa chất khô hoặc lỏng được thiết kế để hạ thấp điểm đông đặc của nước (các loại muối khác nhau, rượu, glycol) hoặc thông qua áp dụng nhiệt,.., tuy nhiên, những cách trên đều chưa thực sự mang lại hiệu quả". Lấy cảm hứng từ Mặt trời
Các loại thuốc xịt khử băng thông thường cho máy bay và các ứng dụng khác sử dụng ethylene glycol - một loại hóa chất độc hại, không thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, hệ thống sưởi cũng đã được phát triển như một kỹ thuật làm tan băng cho máy bay. Tuy nhiên, nhiều hãng hàng không trên thế giới không lựa chọn sử dụng hệ thống sưởi vì lý do chi phí và tính an toàn. Cũng vì lẽ đó, Varanasi và các cộng sự đã nghiên cứu việc sử dụng bề mặt siêu nước để ngăn chặn một cách thụ động hiện tượng đóng băng. Song, những lớp phủ có thể bị ảnh hưởng bởi sự hình thành sương giá, từ đó, chúng có xu hướng lấp đầy các kết cấu vi mô vốn là cơ sở tạo nên thuộc tính phá băng cho bề mặt.
Varanasi và nhóm của ông nhận định năng lượng mặt trời có thể được xem là nguồn năng lượng thay thế. Họ quyết định nghiên cứu phương thức để có thể nắm bắt nguồn năng lượng dồi dào này và sử dụng nó một cách thụ động.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc sản xuất đủ nhiệt để làm tan chảy phần lớn băng hình thành là không cần thiết. Thay vào đó, cần phải làm tan chảy lớp ranh giới - ngay nơi băng tiếp xúc bề mặt, từ đó, hình thành một lớp nước mỏng, làm cho bề mặt trở nên trơn trượt, từ đó ngăn băng tuyết hay sương giá bám vào bề mặt nền cần xử lý.
“Lớp trên cùng là một chất hấp thụ, có khả năng bẫy ánh sáng tới và chuyển đổi nó thành dạng nhiệt. Vật liệu mà chúng tôi sử dụng có hiệu quả cao, hấp thụ 95% nguồn ánh sáng tới và chỉ mất 3% để tái bức xạ”, Varanasi chia sẻ.
Về nguyên tắc, lớp trên cùng giúp ngăn chặn sự hình thành sương giá, nhưng điểm hạn chế của nó là: thứ nhất, chỉ hoạt động tại các vị trí tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời, thứ hai: phần lớn nhiệt sẽ bị truyền ngược trở lại vật liệu nền như cánh máy bay hoặc đường dây điện, và do đó, sẽ không hỗ trợ phá băng.
Từ đây, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu thêm một lớp rải làm bằng nhôm rất mỏng, chỉ dày 400 micromet. Lớp này được làm nóng bằng lớp hấp thụ ở phía trên nó và truyền nhiệt rất hiệu quả để tỏa nhiệt bên ngoài, che phủ toàn bộ bề mặt. Lớp vật liệu này đã được lựa chọn để thực hiện "phản ứng nhiệt đủ nhanh để làm sao cho quá trình sưởi ấm diễn ra nhanh hơn quá trình đóng băng", Varanasi nói.
Lớp dưới cùng chỉ đơn giản là lớp cách nhiệt bằng bọt, nhiệm vụ của nó là giữ không cho nhiệt bị hao tổn mà giữ nó tại những vị trí cần thiết trên bề mặt cần xử lý.
"Ngoài việc khử băng thụ động, bẫy quang nhiệt vẫn duy trì nhiệt độ cao, do đó, giúp ngăn ngừa sự tích tụ băng hoàn toàn", Dash nói.
Ba lớp đều được làm bằng các loại vật liệu rẻ tiền có sẵn trên thị trường, sau đó được gắn kết với nhau, và được gá lên bề mặt cần được bảo vệ, xử lý. Các nhà nghiên cứu cho biết: đối với một số ứng dụng, vật liệu có thể được gá lên bề mặt, từng lớp một tại mỗi thời điểm.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm trên vật liệu trong điều kiện ngoài trời, trong thế giới thực và các phép đo chi tiết trong phạm vi phòng thí nghiệm để chứng minh tính hiệu quả của hệ thống.
Varanasi nhấn mạnh: “Hệ thống mới thậm chí còn có thể được áp dụng trong nhiều mục đích thương mại khác, chẳng hạn như các tấm ngăn đóng băng trên mái nhà, trường học và các tòa nhà khác. Chúng tôi đang có kế hoạch tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu hơn về hệ thống, những thử nghiệm về tuổi thọ và các phương pháp tối ưu của ứng dụng. Nhưng hệ thống về cơ bản có thể được áp dụng gần như ngay lập tức cho một số ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng văn phòng phẩm”.
