Pasif güneş enerjili sistem; uçaklarda, rüzgar türbinlerinde, elektrik hatlarında ve diğer yüzeylerde donmayı önleyebilir.
Buz birikimi; uçak kanatlarında, hava enerji hatlarında ve rüzgar türbinlerinin dev bıçaklarında; performans aksaklıklarından, katastrofik arızaya kadar çeşitli sorunlara neden olabilir. Ancak, bu birikmeyi önlemek; genellikle çevre açısından zararlı yoğun enerji gerektiren, ısıtma sistemleri veya kimyasal spreyleri zorunlu kılar. MIT araştırmacıları, buz birikimiyle mücadelede tamamen pasif; güneş enerjili bir yol geliştirdi.
Sistem, tedavi edilecek yüzeylere uygulanabilecek veya püskürtülebilecek üç katmanlı bir malzemeye dayanan, oldukça basit bir işlemdir. Güneş ışınımını toplar, ısıya dönüştürür ve bu ısıyı yayar. Böylece erime; sadece güneş ışığına maruz kalan alanlarla sınırlı değildir. Ayrıca uygulandıktan sonra, başka bir eylem veya güç kaynağı gerektirmez. Yapay aydınlatma kullanarak, geceleri buz çözme işlerini bile yapabilir.
Yeni sistem; Science Advances Dergisi’nde, MIT Doçent Mühendisliği Kripa Varanasi ve Postdocs Susmita Dash ve Jolet de Ruiter‘in bir makalesinde açıklanmaktadır.
Varanasi: “Buzlanma; uçaklar, rüzgar türbinleri, enerji hatları, açık deniz petrol platformları ve diğer birçok yer için önemli bir sorundur. Etrafında dolaşmanın geleneksel yolları; spreyleri buzdan arındırmak ya da ısıtmaktır, ancak bu işlemlerde sorunlar vardır.”
Güneş’ten Gelen ilham
Uçak ve diğer uygulamalar için her zamanki buz çözme spreyleri; çevre dostu olmayan bir kimyasal etilen glikol kullanır. Havayolları hem maliyet hem de güvenlik nedenleriyle aktif ısıtmayı kullanmaktan hoşlanmaz. Bunun üzerine Varanasi ve diğer araştırmacılar; pasif paslanmayı önlemek için süperhidrofobik yüzeylerin kullanımını araştırdılar. Ancak bu kaplamalar; buz dökme özelliklerine yüzey veren, mikroskobik dokular doldurmaya eğilimli don oluşumu nedeniyle bozulabilir.
Varanasi ve ekibi; Güneş‘in verdiği enerjiyi alternatif olarak sorguladılar: Bu sıcağı yakalamanın ve pasif bir yaklaşımda kullanmanın bir yolu var mı?…
Takımın bulduğu buz kütlesini eritmek için; yeterli ısı üretmek gerekli değildir. Gerekli olan her şey; sınır tabakası için, buzun yüzeye birleştiği yerde, ince bir su tabakası oluşturacak kadar eriyerek, yüzeyi kayganlaştıracak; böylece herhangi bir buz, anında kayacaktır. Ekip, geliştirdikleri üç katmanlı malzeme ile bunu başardı.
Katman Katman
Üst katman; gelen güneş ışığını yakalayan ve ısıya dönüştüren bir emicidir. Varanasi; takımın kullandığı malzemenin yüksek oranda verimli olduğunu; gelen güneş ışığının yüzde 95’ini emdiğini ve yüzde 3’ünü yeniden radyasyona maruz bıraktığını söylüyor.
Prensip olarak, bu tabaka kendi içinde buz oluşumunu engellemeye yardımcı olabilir; ancak iki sınırlama vardır: Sadece doğrudan güneş ışığı alan bölgelerde çalışacak ve ısının çoğu alt tabaka malzemesine (uçak kanadı, elektrik hattı… gibi) yardımcı olmaz. Bu nedenle, lokalizasyonu telafi etmek için; ekip bir serpme tabakası ekledi. Bu tabaka çok ince bir alüminyum tabakadır. Sadece 400 mikrometre kalınlığında, üstündeki emici tabaka tarafından ısıtılıyor ve tüm yüzeyi kaplamak için ısıyı yanal olarak dışarı atıyor. Varanasi, malzemenin “ısının yeterince hızlı ısınmasını sağlayacak kadar hızlı bir ısıl tepki” oluşturarak, seçildiğini söylüyor.
Son katman; alt tabaka köpük ısı yalıtımından, bu ısının herhangi bir şekilde aşağı çekilmemesini ve gerektiğinde yüzeyde tutulması için gereken köpük izolasyonudur.
Dash: “Pasif buz çözücüye ek olarak, fototermal tuzak yüksek bir sıcaklıkta kalıyor, böylece buz birikimini tamamen önlüyor.”
Tümü ticari olarak temin edilebilen, ucuz malzemeden yapılan bu üç katman; daha sonra birbirine tutturulur ve korunması gereken yüzeye bağlanabilir. Araştırmacılar, bazı uygulamalarda; malzemenin bir yüzey üzerine püskürtülebileceğini söylüyor.
Ekip; sistemin etkinliğini kanıtlamak için, malzemelerin gerçek açık testleri ve ayrıntılı laboratuvar ölçümleri de dahil olmak üzere kapsamlı testler gerçekleştirdi.
Bu araştırma ile ilişkili olmayan University College London Nano-Mühendislik Profesörü Manish Tiwari: “Fototermal emicilerin kullanılması akıllıca bir fikirdir ve uygulanması kolaydır. Bu yaklaşımların ölçeklenebilirliği ve buz çözme katmanının uygun ambalajı, özgül ağırlığı…vb. mümkün.”
Varanasi’ye göre sistem; evler, okullar ve diğer binaların çatılarında buzlanmayı önlemek için paneller gibi daha geniş ticari kullanımları olabilir. Ekip, sistem üzerinde çalışmaya devam etmeyi, uzun ömürlülük için test etmeyi ve en uygun uygulama yöntemlerini kullanmayı planlamaktadır. Ancak temel sistemin; özellikle sabit uygulamalar başta olmak üzere, bazı kullanımlar için hemen hemen uygulanabileceğini söylüyor.