Электрошокеры избавляют ото льда без нагревания и химикатов
В своей предыдущей работе исследователи использовали небольшое напряжение, естественным образом существующее внутри льда, для поляризации близлежащей водной пленки, создавая электрическое поле, способное отрывать микроскопические кристаллы льда.
Теперь команда совершенствует эту концепцию, подавая высокое напряжение на противоположный электрод, чтобы более эффективно удалить лед с его поверхности.
Подход к его созданию опубликован в журнале Small Methods. По мере роста кристаллов льда молекулы воды выстраиваются в аккуратную ледяную решетку. Но иногда молекула воды располагается немного не так, как хотелось бы. Возможно, рядом с ней есть лишний водород, H3O+, или же она вообще его не имеет.
Представьте, что вы слишком быстро собираете большую головоломку, в результате чего одна из ее частей застревает не на том месте или вовсе отсутствует.
Эти крошечные ошибки создают то, что ученые называют ионными дефектами. Это места во льду, где имеется слишком много положительного или отрицательного заряда.
Группа ученых выдвинула гипотезу, что при подаче положительного напряжения на электродную пластину, находящуюся над льдом, отрицательные ионные дефекты будут притягиваться и мигрировать в верхнюю часть ледяной корки, в то время, как положительные ионные дефекты будут отталкиваться и мигрировать к основанию.
Другими словами, лед станет сильно поляризованным и будет оказывать сильное притяжение к электроду. Если эта сила притяжения достаточно велика, кристаллы льда могут отколоться и попасть на электрод.
Даже без подачи напряжения нависающая медная пластина удалила 15 процентов льда. Это связано с тем, что лед может слабо самополяризоваться даже без приложения какого-либо электрического поля. Однако приложение напряжения значительно увеличивает степень поляризации.
При подаче напряжения в 120 вольт было удалено 40 процентов льда. При подаче напряжения в 550 вольт 50 процентов. Мы действительно думали, что напали на что-то стоящее, говорит Джонатан Борейко. Продолжайте увеличивать напряжение, и лед будет отделяться. Но неожиданным было то, что произошло обратное.
При дальнейшем увеличении напряжения произошло нечто любопытное. Лед стал удаляться в меньшей степени. Объем сократился на 30 процентов при 1100 вольтах и на 20 процентов при 5500 вольтах. Результаты противоречили теоретической модели, которая предсказывала, что производительность льдоудаления должна непрерывно улучшаться с ростом напряжения.
Группа ученых нашла возможное объяснение резкого снижения скорости удаления льда при более высоких напряжениях. При выращивании льда на стеклянной изолирующей подложке, а не на медной, более высоким напряжениям соответствуют лишь немного худшие результаты.
Это указывало на то, что происходила утечка заряда из поляризованного льда в лежащую под ним подложку, особенно при высоких напряжениях. Утечку можно было смягчить, используя более изолирующую поверхность.
При обратном переходе на супергидрофобный субстрат, удерживающий воздух, приложение самого высокого напряжения поспособствовало удалению большей части льда, как и ожидалось изначально. Теперь повышение напряжения удаляет до 75 процентов льда.
При использовании супергидрофобной поверхности электростатическое размораживание было достаточно мощным, чтобы скрытый логотип Virginia Tech «VT» стал отчетливо виден на поверхности после того, как лед соскочил, говорит Венката Яшасви Лолла, ведущий научный сотрудник проекта, в настоящее время работающий над докторской диссертацией в Беркли.
Частью этого исследования будет устранение льда с различных поверхностей, что расширит потенциальные возможности применения как в промышленных, так и в потребительских целях. Эта концепция электрической борьбы с обледенением пока находится на очень ранней стадии разработки, говорит Джонатан Борейко.
Дальнейшей целью является улучшение EDF путем уменьшения утечки заряда и использования более высоких напряжений и мест размещения электродов, а также ряда других новых стратегий.
Можно надеяться, что в ближайшем будущем технология EDF окажется экономически эффективным, не требующим использования химикатов и энергосберегающим подходом к борьбе с обледенением.
Источник: Virginia Tech
