Современные методы борьбы с обледенением и передовые технологии
© Wikipedia
Обледенение приносит немало хлопот и проблем в различных отраслях народного хозяйства – начиная от энергетики и заканчивая транспортом. И хотя лёд можно растопить или убрать, далеко не всегда это занятие на 10 минут, которое требует главным образом усилия воли. Чтобы сэкономить время и энергию, ученые изобретают материалы, сама структура которых препятствует обледенению.
Отложения льда и плотной изморози может возникать из-за снегопадов или переохлаждённого дождя, но иногда для этого достаточно просто густого тумана: в таких условиях тонкая корка льда формируется прямо из водяного пара. Люди научились бороться с этим явлением давно: лед сбивают вручную или устраняют с помощью нагрева. В XX веке к этим методам добавилась химическая обработка: поверхности стали покрывать солевыми или спиртовыми растворами, которые замерзают при более низких температурах.
Однако все эти способы требуют значительных затрат ресурсов. Чем холоднее окружающая среда, тем больше энергии и времени уходит на удаление льда. Кроме того, соли, столь нелюбимые пешеходами, остаются на обуви, накапливаются в почве и загрязняют грунтовые воды, а процедуры вроде очистки самолетных крыльев могут создавать электромагнитные помехи, влияющие на качество навигации. Этими недостатками не обладают так называемые пассивные антиобледенительные материалы — их внутренняя структура сама по себе мешает льду закрепляться и разрастаться по площади. Далее речь пойдёт о том, как они устроены и почему в их разработке ученым помогают солнечный свет, пингвиньи перья и оксид графена.
Читайте также
Ветер, рельеф и фазовые переходы
Идеальный сценарий состоит в том, чтобы вовсе не дать ледяной плёнке зацепиться за поверхность. Однако, для этого нужно одновременно ослабить сцепление и с твердым льдом, и с жидкой водой, а эти требования частично противоречат друг другу.
Чтобы поверхность отталкивала воду (была гидрофобной), её делают микроскопически шероховатой, формируя микро- и наноструктуры. Между водой и материалом при этом остается тонкая прослойка воздуха, благодаря которой капли воды легко скатываются, не успевая замёрзнуть. Дополнительный эффект заключается в замедлении самого процесса кристаллизации.
Но во время снегопадов или если часть воды уже превратилась в лёд, ключевым механизмом становится именно снижение сцепления льда с поверхностью. И здесь выясняется, что далеко не каждый гидрофобный материал хорошо справляется со льдом: кристаллы могут застревать в неровностях, из-за чего сцепление, наоборот, усиливается.
Спрогнозировать степень «ледофобности» нового материала теоретически практически невозможно — эти свойства проверяют опытным путем. Так, физики из университета Гонконга в 2014 году показали, что особенно эффективно работают поверхности с редкими, неветвящимися микростолбиками, расположенными на расстоянии друг от друга не менее 100 микрометров. С них отскакивают и капли воды, и фрагменты льда.
Другая группа китайских ученых из университета Хучжоу (Китай) в 2024 году изучила, как микрорельеф влияет на воздушные потоки, обдувающие, например, крылья самолётов. Они предложили такую форму текстурирования, которая не ослабляет поток, а направляет его таким образом, чтобы он эффективно сдувал влагу и лёд препятствуя образованию новых кристаллов. Благодаря этому подходу масса льда на крыльях снижается примерно на 40% без использования нагрева.
Основная проблема подобных покрытий состоит в их недолговечности. Микро- и наноструктуры легко повреждаются, а условия эксплуатации суровы: перепады температур, загрязнения, механическая очистка. Чтобы продлить срок службы, ученые применяют многоуровневые структуры, скрывая более хрупкие элементы под прочными, или покрывают поверхность жидкими смазками. В 2025 году китайские материаловеды представили полиуретановый материал, обладающий как гидрофобными, так и ледофобными свойствами, способный к самовосстановлению за счет подвижных связей в полимере.
Но и текстурирование не является единственным подходом. В 2019 году американские физики под руководством Сушанта Ананда (Sushant Anand) из Университета Иллинойса в Чикаго предложили иной метод. Они наносили на поверхность твердые слои гидрофобных углеводородов — циклогексана и циклооктана, с температурой плавления от +5 до +15 °C. При температуре 0 °С такие слои остаются твердыми и гораздо стабильнее жидких лубрикантов. Близость фазового перехода позволяет им работать как «тепловой аккумулятор»: поглощать и удерживать тепло. Этот класс покрытий получил название phase-switching materials, или PSL-материалы.
Когда на поверхности конденсируется капля воды, выделяется тепло, и локальная температура на мгновение становится немного выше окружающей. Чтобы вода замёрзла, это тепло нужно отвести. PSL-материалы этому препятствуют, сохраняя температуру на достаточно высоком уровне. Более того, поверхность вокруг капли слегка подтаивает, снижая сцепление и повышая подвижность воды. В экспериментах скорость образования ледяной корки уменьшалась в 300 раз. Покрытие выдерживало до 15 циклов замерзания и оттаивания, а обновить его можно простым нанесением нового слоя. Однако, такие покрытия эффективны лишь при умеренных морозах (примерно до −15 °C), когда основным намокания является конденсация.
Перья пингвинов и вибрации
Даже самые совершенные материалы способны лишь замедлить обледенение, но не остановить его полностью. Поэтому существует другой подход — сделать ледяной слой изначально дефектным, чтобы он разрушался сам по себе. На пористых поверхностях это происходит особенно эффективно.
Причина кроется в различии плотности воды и льда. Замерзание, как и конденсация, сопровождается выделением тепла. Если холод снаружи достаточно сильный, а поры материала велики, то лёд формируется как бы сверху вниз. Вода, оставшаяся в порах, оказывается запертой под твердой коркой. Когда она тоже замерзает, ей не хватает места, и в слое возникает напряжение — как в трубах, не подготовленных к зиме.
Управлять этим эффектом научились канадские материаловеды под руководством Энн Китциг (Anne-Marie Kietzig), вдохновившись перьями пингвинов Гумбольдта (Spheniscus humboldti). Эти птицы много времени проводят в ледяной воде, но их оперение никогда не замерзает. Для воспроизведения текстуры перьев учёные создали металлическую сетку, обработанную лазером и углекислым газом, добившись высокой гидрофобности и с порами, размером 7 – 15 микрометров. Каждая пора становилась источником образования микротрещин при замерзании воды, которые быстро распространяются, разрушая ледяную корку и её целостность. В аэродинамической трубе при −20 °C такой материал эффективно очищался от льда, имитируя условия на крыльях самолета. При этом он подходит и для наземных, и для морских конструкций, практически независимо от способа намокания.
Другой метод удаления льда основан на применении вибраций. В ряде случаев их создают намеренно — например, с помощью встроенных пьезоэлектрических элементов. Но нередко колебания возникают естественным образом. Китайские исследователи в области материаловедения из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики в 2024 году предложили пористое покрытие на основе полидиметилсилоксана, особенно эффективное для такого способа очистки. Специфическая геометрия пор усиливает вибрационные колебания внутри материала, из-за чего трещины во льду расширяются, тогда как само покрытие сохраняет прочность и устойчивость.
Оксид графена и шерсть белых медведей
Лёд можно не только сбивать, но и плавить — например, за счет солнечной энергии. Такие покрытия называют фототермальными. Чаще всего их комбинируют с другими подходами: гидрофобными структурами или солевыми добавками. Основная трудность состоит в том, что зимнее солнце достаточно слабое, а снег и лёд плохо поглощают свет из-за высоких значений альбедо.
Чтобы повысить эффективность, используют материалы с высоким светопоглощением — от сажи и биоугля до золотых плазмонных частиц. Дополнительное текстурирование помогает удерживать тепло. Так, исследователи из Университета Дунхуа создали массивы параллельных нанотрубок, напоминающие структуру шерсти полярного медведя. Поверхность такого гидрофобного материала за считанные минуты нагревалась до 98 °C только за счет солнечного света, полностью устраняя лёд и быстро испаряя лишнюю влагу.
Главные недостатки фототермальных покрытий — это их высокая стоимость и ограниченная долговечность. С ценой справиться сложно, а вот устойчивость постепенно улучшают. Например, в Северо-Восточном университете в Шэньяне (Китай) применили двухуровневую структуру: прочные пирамиды служат защитой и обеспечивают базовую гидрофобность, а между ними скрыт более хрупкий фототермальный слой на основе модифицированного оксида графена. Такой материал выдержал абразивные нагрузки и химическое воздействие, при этом нагреваясь до 76 °C под воздействием солнечных лучей.
Большинство описанных решений пока находятся на стадии лабораторных исследований. Некоторые материалы уже выходят на рынок — например, гидрофобные покрытия от компании «Microphase Coatings». Уже сейчас ясно, что выбор противообледенительного покрытия зависит от климата: для влажных и сравнительно тёплых зим подойдут PSL-материалы, для солнечных и более сухих — фототермальные решения. Различные варианты текстурирования и «пингвинья сетка» работают почти в любых условиях. Немаловажна и стоимость: при всей эффективности золотые плазмонные частицы вряд ли станут массовым решением для дорог. Тем не менее, для каждой задачи можно подобрать материал, который позволит не только бороться со льдом силой, но и перехитрить его, используя законы физики и химии.
