Anti-Frost-Schicht kann Stromausfälle verhindern, Flugzeuge sicherer machen
Die kalte Jahreszeit steht bevor. Viele Autobesitzer werden wieder frühmorgens Eis von den Scheiben kratzen.
Aber nicht nur dort ist Frost ein Problem: So kann er auf Flugzeugflügeln etwa Mechanikprobleme verursachen. Auch Stromausfälle können wegen Frost und Eis passieren, das sich auf Masten und Kabeln bildet. Dank der neuen Beschichtung, die US-Forscher entwickelt haben, könnte man einige dieser Probleme womöglich bewältigen.
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Mit Geometrie gegen Frost
„Die Entwicklung neuer Anti-Frost-Techniken ist wichtig, um teure mechanische Ausfälle, Energieineffizienzen und Sicherheitsrisiken bei wichtigen Operationen zu verhindern“, erklärt der Studienleiter Kyoo-Chul Kenneth Park in einem Beitrag der Northwestern University.
Sie stellten fest, wie sich die Geometrie eines Materials auf die Frostbildung auswirkt. Während die Kondensation an Erhebungen stärker ist, wird sie in niedrigeren „Tälern“ unterdrückt – ähnlich wie bei Blättern, auf denen sich in den tieferen Blattadern kein Frost bildet, während er auf den Erhebungen stärker auftritt.
Wasserdampf einsperren
Diese Erkenntnis konnte schon mit einem Experiment im Jahr 2020 überprüft werden. Dort konnte die strukturierte Oberfläche bis zu 80 Prozent Frostbildung verhindern.
Für das aktuellen Experiment schufen die Forscher eine ähnliche Oberfläche, bei der der höchste Unterschied zwischen "Berg und Tal" 5mm beträgt. Fügt man in den Tälern zusätzlich eine sehr dünne Graphenoxid-Schicht hinzu (600 Mikrometer), kann man die Frostbildung sogar um 100 Prozent vermeiden. Denn Graphenoxid zieht Wasserdampf an und bindet das Wasser in seiner Struktur, wie Park erklärt.
„Die Graphenoxid-Schicht wirkt wie ein Behälter, der verhindert, dass Wasserdampf gefriert. Kombiniert mit der strukturierten Oberfläche bildet sich dort über lange Zeiträume kein Frost. Die hybride Oberfläche wird so zu einer stabilen, haltbaren, frostfreien Zone.“
Viele Anwendungsmöglichkeiten
Es gibt zwar schon Anti-Frost-Beschichtungen – allerdings keine ‚All-in-One‘-Lösung. Derzeit kommt für jede Anwendung eine andere Technologie zum Einsatz: „Während Flugzeuge nur wenige Sekunden Frostschutz benötigen, können Stromleitungen in kalten Gegenden tage- oder wochenlang Frostschutz brauchen. Mit unseren neuen Erkenntnissen könnten wir Stromleitungen und Flugzeugflügel mit geringerer Eisadhäsion entwerfen. Solche Anpassungen würden die jährlichen Wartungskosten erheblich reduzieren“, meinte Park.
Außerdem brauche diese Anti-Frost-Technologie keine Zufuhr von Strom, Hitze oder Chemikalien, um zu funktionieren. Die Forscher schätzen, dass Unternehmen und Behörden durch den Einsatz ihrer Schicht jedes Jahr Milliarden an Dollar sparen könnten, die derzeit für die Wartung bei Frostschäden anfallen.
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Ihre Anti-Frost-Beschichtung soll einfach anwendbar sein und leicht per 3D-Druck hergestellt werden. Außerdem sei sie im Vergleich zu anderen Lösungen weniger anfällig für Kratzer, Risse und Verunreinigungen.
Neben Flugzeugen und Stromleitungen könnte die Technologie auch weitere Anwendungen finden. im Kühlschrank und Tiefkühler könnte sie Eisbildung verhindern. In Glas eingearbeitet, könnte es das Eiskratzen unnötig machen oder helfen, dass Sensoren von Pkw nicht zueisen, die etwa für Fahrerassistenzsysteme benötigt werden. Mit weiterer Forschung sei sogar vorstellbar, dass man damit Straßen und Gehsteige ausstatten könnte, um Glatteisbildung zu verhindern.