Forscher entwickeln innovative Anti-Frost-Beschichtungen
Forschende haben eine Technologie entwickelt, die Frostbildung auf verschiedensten Oberflächen verhindert – von Flugzeugflügeln bis hin zu Stromleitungen. Diese Lösung könnte nicht nur die Sicherheit erhöhen, sondern auch Millionen an Wartungskosten sparen und die Energieeffizienz verbessern.
Forschende entwickeln spezielle Oberfläche mit Graphenoxid, um Frostbildung auf Stromleitungen und anderen Oberflächen zu verhindern.
Foto: PantherMedia / Thomas Riegler
Frost verursacht nicht nur das morgendliche Kratzen am Auto, sondern betrifft auch die Luftfahrt und die Energieversorgung. Auf Flugzeugflügeln kann sich Eis ansammeln, was die Aerodynamik stört und zu gefährlichen Problemen führen kann. Auch die Stromversorgung ist betroffen: Wenn Frost und Eis sich auf Strommasten und -leitungen ablagern, kann dies zu Ausfällen führen.
Doch nun gibt es Hoffnung, dass einige dieser winterlichen Herausforderungen künftig besser gemeistert werden können.
Denn: Ingenieure und Ingenieurinnen der Northwestern University haben eine neue Methode entwickelt, um die Bildung von Frost auf Oberflächen zu verhindern. In einer aktuellen Studie fanden sie heraus, dass eine spezielle Oberflächenstruktur zusammen mit einer dünnen Schicht aus Graphenoxid die Frostbildung zu 100 % für eine Woche oder länger verhindern kann. Das ist 1000 Mal länger als bei herkömmlichen anti-frostbeschichteten Oberflächen.
„Unerwünschte Frostansammlungen sind ein großes Problem in der Industrie, im Wohnbereich und im öffentlichen Sektor“, kommentierte Kyoo-Chul Kenneth Park von der Northwestern University, der die Studie leitete. „Ein Beispiel ist die Stromkrise in Texas im Jahr 2021, die 195 Milliarden Dollar an Schäden verursachte und direkt durch Frost, Eis und extreme Kältebedingungen über mehr als 160 Stunden verursacht wurde. Daher ist es entscheidend, Techniken zur Frostvermeidung zu entwickeln, die unter extremen Umweltbedingungen über lange Zeiträume hinweg robust sind.“
Blätter als Inspiration
Die neue Studie basiert auf früheren Forschungen von Park und seinem Team. Das Forschungsteam um Parks entdeckte 2020, dass kleine Texturen auf einer Oberfläche die Frostbildung um bis zu 80 % verringern können. Diese Entdeckung, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, wurde von der wellenförmigen Struktur von Blättern inspiriert.
Das Forschungsteam sah, dass sich bei Blättern mehr Wasser auf Erhebungen sammelt, während es in Vertiefungen verdampft und dort frostfreie Bereiche schafft. Auf dieser Basis entwickelten die Wissenschaftler eine Oberfläche mit kleinen Erhebungen und Vertiefungen, die einen Großteil der Frostbildung verhindern kann.
„Es bildet sich mehr Frost auf den konvexen Bereichen eines Blattes“, sagte Park damals. „Auf den konkaven Bereichen (den Adern) sehen wir deutlich weniger Frost. Das wurde seit mehreren Tausend Jahren beobachtet. Bemerkenswerterweise gab es bisher keine Erklärung, wie sich diese Muster bilden. Wir fanden heraus, dass es die Geometrie – nicht das Material – ist, die das steuert.“
Schicht aus Graphenoxid
In ihrer Veröffentlichung im Fachmagazin Science Advances erklärten die Forschenden, dass sie die Oberfläche nun mit einer dünnen Schicht aus Graphenoxid in den Vertiefungen ergänzt haben. Diese nur 600 Mikrometer dicke Schicht verhindert die Frostbildung.
„Graphenoxid zieht Wasserdampf an und schließt die Wassermoleküle in seiner Struktur ein“, erklärte Park. „Die Graphenoxid-Schicht wirkt wie ein Behälter, der verhindert, dass der Wasserdampf gefriert. Wenn wir Graphenoxid mit der makroskopischen Textur der Oberfläche kombinierten, widerstand sie lange Zeit Frost, selbst bei hoher Übersättigung. Die hybride Oberfläche wird zu einer stabilen, langanhaltenden, frostfreien Zone.“
Widerstandsfähigkeit gegenüber Rissen, Kratzern und Verschmutzungen
Ein weiterer Vorteil dieser neuen Technologie ist ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Rissen, Kratzern und Verschmutzungen. Die Forschenden erwarten, dass durch den Einsatz dieser Technologie in der Infrastruktur Unternehmen und Behörden jährlich Milliarden an Wartungskosten und Energieverlusten sparen könnten. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
„Die meisten anderen Anti-Frost-Oberflächen sind anfällig für Schäden durch Kratzer oder Verunreinigungen, was die Leistung der Oberfläche mit der Zeit verschlechtert“, sagte Park. Die Anti-Frost-Beschichtung soll einfach anzuwenden und problemlos per 3D-Druck herzustellen sein.
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