En hurtig, en miljøvenlig måde at afise fly på

Is på et flys overflade kan være en fare. Det øger luftmodstand og brændstofforbrug, forstyrrer aerodynamiske strømme, og reducerer løft - hvilket forringer flyets evne til at flyve sikkert. Forskere ved Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, Airbus og TU Dresden har udviklet en laserproces, der udfylder to behov med én gerning. På den ene side, ophobet is falder af af sig selv, og på den anden side tager det mindre varme for at afise overflader. Direkte laserinterferensmønster tillader overflader at blive struktureret på måder, der effektivt afviser is.

Isdannelse udgør en sikkerhedsrisiko for fly. Et tyndt lag frost, der sætter sig på vingerne eller andre neuralgiske punkter, såsom halen, kan påvirke flyets aerodynamik negativt. Løftet kan falde og træk øges. Is, der samler sig på sonder og sensorer, kan kompromittere lufthastighedsmålinger, der er kritiske for sikkerheden under flyvningen. Det er grunden til, at sne og is skal ryddes fra flyene, før de letter. På jorden, denne opgave påhviler specielle køretøjer, der sprøjter kemiske midler på alle sårbare overflader. Disse frostvæsker forhindrer også is i at dannes. Imidlertid, væsker af denne type er skadelige for miljøet og dyre. I øvrigt, en betydelig mængde - 400 til 600 liter - er nødvendig for at afise et fly. Luftbårne fly skal også beskyttes mod denne frostfare. I de fleste tilfælde, isbeskyttelsessystemer såsom varmeelementer er lettet ombord for at udføre arbejdet. Den store ulempe ved disse varmeapparater er, at de øger brændstofforbruget.

Økologisk bæredygtig

Ved at bruge en teknologi kendt som Direct Laser Interference Patterning (DLIP), et forskerhold hos Fraunhofer IWS arbejdede tæt sammen med projektpartnerne Airbus og TU Dresden for at udvikle en proces, der muliggjorde kompleks, bugtende overfladestrukturer, der skal skabes på mikron- og submikronskalaen for at mindske isakkumulering og fremskynde afisning. (Mere om DLIP-teknologien i boksen nedenfor). Det, der adskiller denne proces, er, at forskerne kombinerede DLIP med ultrakorte pulslasere for at skabe flere niveauer, 3-D mikrostrukturer på vingeprofiler i et enkelt trin.

Som resultat, noget af isen mister simpelthen sit greb, afhængigt af de forhold, hvorunder det frøs, og løsner sig spontant efter at have nået en vis tykkelse. Også, teknisk afisning kræver 20 procent mindre varmeenergi. Andre fordele ved den nye proces er, at den potentielt reducerer den nødvendige mængde af miljøskadelige afisningsmidler og den tid, passagererne bruger på at vente på, at flyet bliver afiset. Det samme gælder kraft og brændstofforbrug under flyvningen. Det kan endda reducere flyets vægt, hvis der installeres mindre varmeenheder. Denne kombination af disse to effekter er endnu ikke opnået med konventionelle teknologier.

Vindtunneltest med Airbus

Denne DLIP-proces blev udviklet i en fælles indsats mellem Fraunhofer IWS og TU Dresden for at finde den optimerede DLIP-overfladestruktur. Endelig, IWS-eksperterne udviklede mønsterprocessen for at overføre den optimerede struktur til den endelige demonstrator:et komplekst tredimensionelt NACA-flyveblad, der fungerede som et miniaturiseret, men realistisk vingevedhæng. NACA-flyveprofilen blev derefter testet af AIRBUS-eksperter i vindtunnelen. Ydeevnetestene blev udført med en struktureret NACA bæreflade og en ustruktureret NACA bæreflade, der tjener som reference under realistiske forhold ved vindhastigheder fra 65 til 120 m/s, med lufttemperaturer under minus ti grader celsius og ved forskellige luftfugtighedsniveauer.

Partnerne fra Airbus var i stand til at demonstrere, at isvækst på den funktionaliserede overflade er selvbegrænsende. Faktisk, isen falder af efter et vist stykke tid uden at kræve ekstra overfladeopvarmning. Yderligere eksperimenter viste også, at det tog 70 sekunder for isen på en ustruktureret bæreflade at smelte ved 60 watt tilført varme. Isen på den strukturerede bæreflade trak sig fuldstændig tilbage efter blot fem sekunder ved samme mængde tilført varme. DLIP-teknologien accelererede processen med mere end 90 procent. Den tog 75 watt, eller 25 procent mere varmeeffekt sammenlignet med DLIP-overfladen, at fjerne isen på den ustrukturerede demonstrator. "I dette vidunderlige samarbejde med Airbus, vi demonstrerede for første gang og på en realistisk måde det store anti-isningspotentiale, der kan udnyttes med storskala laseroverflademønstre. Med vores DLIP tilgang, vi realiserede biomimetiske overfladestrukturer på en kompleks komponent som NACA flyveblad, og demonstrerede sine klare fordele i forhold til andre laserprocesser", siger Dr. Tim Kunze, Teamleder Surface Functionalization hos Fraunhofer IWS. Hans kollega Sabri Alamri tilføjer, "Anvendelse af mikro- og nanostrukturer på metal forhindrer vanddråber i at klæbe. Inspireret fra naturen, dette er almindeligt kendt som lotuseffekten. Med vores nye DLIP-proces, vi kan skabe en fragmenteret overflade for betydeligt at reducere antallet af adhæsionspunkter for is. Vi vil snart udgive et papir om resultaterne." Projektpartner Elmar Bonaccurso, Forskningsingeniør for overfladeteknologi / avancerede materialer hos Airbus, tilføjer, "Isdannelse er særlig farlig under landing. Vand på overfladen fryser inden for millisekunder, når flyet flyver gennem skyerne ved minusgrader. Dette kan forstyrre funktionerne af kontrolelementer som landingsklapper og lameller, hvilket forringer aerodynamikken. I dag, vi bruger varm luft fra motorerne til at opvarme vingeoverflader. Den vandafvisende struktur, som vi udviklede sammen med vores partner Fraunhofer IWS i EU-projektet Laser4Fun, er et forsøg på at erstatte konventionelle teknologier med miljøvenlige, mere omkostningseffektive alternativer." Partnernes næste skridt bliver at optimere metoden og tilpasse den til forskellige luftzoner. De vil tage højde for resultaterne opnået i den virkelige verden flyvetest, der i øjeblikket er i gang med et A350-fly, hvis overflader er blevet behandlet med DLIP.

En nøgleteknologi

Forskerholdet har etableret en nøgleteknologi ved at bruge korte og ultrakorte pulslasere til direkte laserinterferensmønster. Det kan tjene mange applikationer, for eksempel, at strukturere funktionelle overflader på vindmøller eller andre komponenter, der kan ise over i kolde områder. Denne teknologi kan også anvendes på meget forskellige områder såsom produktbeskyttelse, biokompatible implantater og forbedrede kontakter til elektriske stik. "Vi kan anvende funktionelle mikrostrukturer over store områder og ved høje proceshastigheder, derved opnås fordele for en række applikationer, indtil nu, havde været utænkeligt, " siger Tim Kunze.