Een ionische oplossing voor vorst: elektrostatisch ontdooien verwijdert ijs zonder hitte of chemicaliën

Tijdens de wintermaanden kan vorst ijzige schade aanrichten aan auto’s, vliegtuigen, warmtepompen en nog veel meer. Maar thermisch ontdooien met verwarmingstoestellen is zeer energie-intensief, terwijl chemisch ontdooien duur en giftig is voor het milieu.

Jonathan Boreyko, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Virginia Tech, en zijn onderzoeksteam hebben mogelijk een nieuwe en verbeterde methode voor het ontdooien gevonden. Zijn filosofie is om ijs te bestrijden door gebruik te maken van de eigen fysica in plaats van hitte of chemicaliën te gebruiken, waardoor methoden voor ijsverwijdering ontstaan ​​die kosteneffectiever en milieuvriendelijker zijn.

Hun eerdere werk maakte gebruik van de kleine hoeveelheid spanning die van nature aanwezig is in vorst om een ​​nabijgelegen waterfilm te polariseren, waardoor een elektrisch veld ontstond dat microscopisch kleine ijskristallen kon losmaken.

Nu versterkt zijn team dit concept door een hoge spanning aan te leggen op een tegenoverliggende elektrode om de rijp met meer kracht van het oppervlak te verwijderen. Het resultaat is een nieuwe methode die het team ‘elektrostatisch ontdooien’ (EDF) heeft genoemd. De aanpak om het te creëren is gepubliceerd in Kleine methoden.

Vooruit opladen

Terwijl ijskristallen groeien, rangschikken de watermoleculen zich in een netjes ijsrooster. Maar soms landt een watermolecuul een beetje afwijkend van het patroon – misschien heeft het een extra waterstofatoom in de buurt (H₃O⁺) of er ontbreekt er één geheel (OH^–). Deze kleine foutjes veroorzaken wat wetenschappers ionische defecten noemen: plekken in de vorst waar er iets te veel positieve of negatieve lading is.

Het team veronderstelde dat bij het aanleggen van een positieve spanning op een elektrodeplaat die boven de vorst wordt gehouden, de negatieve ionische defecten zouden worden aangetrokken en naar de bovenkant van de ijslaag zouden “migreren”, terwijl de positieve ionische defecten zouden worden afgestoten en naar de basis van de vorst zouden migreren.

Met andere woorden, de vorst zou sterk gepolariseerd raken en een sterke aantrekkingskracht op de elektrode uitoefenen. Als deze aantrekkingskracht sterk genoeg is, kunnen ijskristallen afbreken en in de elektrode springen.

Zelfs zonder enige aangelegde spanning verwijderde de overhangende koperen plaat 15% van de rijp. Dit komt omdat vorst zwak zelfpolariserend kan zijn, zelfs zonder aangelegd elektrisch veld. Het aanleggen van spanning vergroot echter dramatisch de mate van polarisatie. Toen het team de stroom van 120 volt aanzette, werd 40% van de rijp verwijderd. Bij 550 volt was 50% verwijderd.

“We dachten echt dat we hier iets op het spoor waren”, zei Boreyko. “Als je de spanning steeds hoger zet, zal er nog meer vorst wegspringen, toch? Wat onverwacht was, was toen het tegenovergestelde gebeurde.”

Toen we de stroom verder opschroefden, gebeurde er iets merkwaardigs: er sprong minder vorst weg, waardoor de verwijdering slechts 30% bedroeg bij 1.100 volt en 20% bij 5.500 volt. De resultaten waren in tegenspraak met het theoretische model, dat voorspelde dat de prestaties voortdurend zouden moeten verbeteren bij toenemende spanning.

Het team vond een mogelijke verklaring voor deze daling in het verwijderen van ijs bij hogere spanningen. Bij het laten groeien van rijp op een isolerend glazen substraat, in plaats van op een koperen substraat, presteerden de hogere spanningen slechts iets slechter. Dit gaf aan dat er ladingslekkage van de gepolariseerde vorst naar het onderliggende substraat plaatsvond, vooral bij hoge spanningen, wat kon worden verzacht door een meer isolerend oppervlak te gebruiken.

Door opnieuw te upgraden naar een luchtvangend superhydrofoob substraat, verwijderde de hoogste spanning nu de meeste rijp, zoals aanvankelijk verwacht. Door de spanning hoger te zetten, werd nu tot 75% van de vorst weggenomen.

“Bij gebruik van het superhydrofobe oppervlak was het elektrostatisch ontdooien krachtig genoeg om een ​​verborgen Virginia Tech ‘VT’-logo duidelijk zichtbaar te maken op het oppervlak nadat de vorst eraf was gesprongen”, zegt Venkata Yashasvi Lolla, de hoofdonderzoeker van het project, nu in postdoctoraal werk in Berkeley.

Het onderzoek gaat door, richting het uiteindelijke doel van 100% ijsverwijdering. Een deel van dit onderzoek omvat het verwijderen van rijp op meerdere soorten oppervlakken, waardoor de potentiële toepassingen voor zowel industrieel als consumentengebruik worden uitgebreid.

“Dit concept van elektrisch ontdooien bevindt zich nog in een zeer vroeg stadium”, zei Boreyko.

“Naast dit eerste artikel is ons doel om EDF te verbeteren door het verminderen van ladingslekkage en het proberen van hogere spanningen en plaatsing van elektroden, naast verschillende andere opkomende strategieën. We hopen dat EDF in de nabije toekomst een kosteneffectieve, chemicaliënvrije en energiezuinige benadering van ontijzing zal blijken te zijn.”