Büyük yüzeylerden bile zahmetsizce buzu tutan yeni bir kaplama sınıfı, araştırmacıları; buz geçirmez kargo gemileri, uçaklar, elektrik hatları ve diğer büyük yapılardaki yıllardır süren hedeflerine yaklaştırdı.
Michigan Üniversitesi‘nde geliştirilen püskürtülen kaplamalar; sadece hafif bir esinti kuvveti veya çoğunlukla buzun ağırlığı ile, boyutlarından bağımsız olarak yapılardan ayrılmasına neden olur. Sahte güç hattındaki bir testte, kaplama; buzu hemen döker.
Araştırmacılar önceki buz tutmaz kaplamalara göre büyük bir gelişme gösterdi. Küçük alanlarda çalıştıklarında, saha testlerinde umdukları kadar etkili performans gösterdiler. Ancak; buz büyük yüzeylerde en büyük sorunlara neden olma eğilimindedir: Verimi düşürmek, güvenliği tehlikeye atmak ve kaldırılmasının çok masraflı olması…
Bu engeli “mekaniğin güzel bir gösterimi” ile aştılar. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Doçenti Anish Tuteja, kendisinin ve meslektaşlarının buzlanma araştırmalarında iyi bilinmeyen bir özelliğe nasıl döndüğünü anlattı.
Tuteja: “On yıllardır kaplama araştırmaları, yapışma kuvvetini (yüzeydeki buz tabakasını yırtmak için gereken birim alandaki kuvveti) azaltmaya odaklandı. Bu stratejiyle ilgili sorun, buz tabakası ne kadar büyükse, o kadar fazla kuvvetin gerekli olmasıdır. Düşük yapışma dayanımı sınırlarına çarptığımızı ve yüzey alanımız yeterince genişlediğinde kaplamalarımızın etkisiz kaldığını tespit ettik.”
Araştırmacılar, yeni kaplamalardaki sorunu ikinci bir strateji sunarak çözüyor: Düşük Arayüzey Dayanıklılığı (LIT). Arayüzey tokluğunun düşük olduğu yüzeyler buz ve yüzey arasında çatlaklar oluşmasını teşvik eder. Buz tabakasının yüzeye yapışması; kırmanın aksine, tüm tabakanın serbest olarak yırtılmasını gerektirir. Çatlak, yüzeyi sadece ön kenarı boyunca serbest bırakır. Bu çatlak başladıktan sonra, büyüklüğünden bağımsız olarak hızla buzlu yüzeye yayılabilir.
Janine Johnson Weins Makine Mühendisliği Profesörü Michael Thouless: “Zeminden bir halı çektiğinizi düşünün. Halı büyüdükçe hareket etmesi de zorlaşır. Halı ve zemin arasındaki tüm arabirimin gücüyle karşı koyulur. Sürtünme kuvveti, arayüzey kuvvetine benzerdir. Ancak şimdi; o halıda bir kırışıklık olduğunu hayal edin. Halının ne kadar büyük olduğuna bakılmaksızın, o kırışıklığı halının üzerine iterek tutmak kolaydır.”
Thouless, Arayüzey Kırılma Tokluğu kavramının, kırma mekaniği alanında iyi bilindiğini belirtiyor ve burada, lamine yüzeyler ve yapışkan bazlı uçak derzleri gibi ürünlerin altını çiziyor. Ancak şimdiye kadar buz azaltma işleminde uygulanmadı. İlerleme, Thouless’in Tuteja’nın önceki çalışmalarını öğrenmesiyle gelişti.
Thouless: “Geleneksel olarak, kırılma mekaniği araştırmacıları yalnızca arayüzey sertliğine ve buz azaltma arayüzey kuvvetine önem veriyor. Ancak her iki parametre de yapışmayı anlamak için önemlidir. Araştırmacı Anish’e; artan buz uzunluklarını test ederse, arayüzey gücü önemliyken başarısızlık yükünün artacağını belirlediğini, ancak daha sonra sertliğin önemli hale geldiği bir platoda bulunduğunu belirttim. Bu ayrıca mekaniğin gerçekten güzel bir gösterimi ve buzun yapışması için yeni bir konsept demek. ”
Bu fikri test etmek için, Tuteja ekibi; önceki kaplama araştırmaları sırasında ilerlediği bir teknik kullandı. Geniş bir madde kütüphanesinin özelliklerini belirleyerek ve denklemin yapışma dayanımının yanı sıra arayüzey sertliği ekleyerek, her birinin fiziksel olarak test edilmesine gerek kalmadan bir kaplamanın özelliklerini matematiksel olarak tahmin edebildiler. Bu, her biri arayüzey sağlamlığı ile yapışma mukavemeti arasında özel olarak uyarlanmış bir dengeye sahip olan, çok çeşitli kombinasyonları oluşturmalarını sağlamıştır.
Geniş yüzeylerde çeşitli kaplamaları test ettiler. Yaklaşık 3 fit kare sert bir alüminyum levha ve yaklaşık 1 inç genişliğinde ve 3 fit uzunluğunda esnek bir alüminyum parçayı güç hattını taklit etmek için test ettiler. Her yüzeyde buz; kendi ağırlığı nedeniyle hemen düştü. Bununla birlikte, büyüklüğü aynı olan kontrol yüzeylerine hızlı bir şekilde yapıştı. Yüzeylerden biri kaplanmamış ve bir başkası daha önce bir sifobik kaplama ile kaplanmıştır.
Ekibin bir sonraki adımı, LIT kaplamaların dayanıklılığını artırmaktır.
