Forradalmi jégmentesítés

A téli hónapok alatt a fagy nemcsak az autókra, de a repülőgépekre, a hőszivattyúkra és számos egyéb ipari létesítményre is rátelepszik. A melegítéssel történő jégtelenítés rendkívül energiaigényes, a vegyi olvasztás pedig drága és ártalmas a környezetre. Jonathan Boreyko mérnök és kutatótársai most a Virginia Tech-en egy új és az eddigieknél jobb módszert találtak a jégtelenítésre. A kutatók víziója az, hogy hő és vegyszerek helyett fordítsuk a jég ellen a saját fizikai tulajdonságait, mert így költséghatékonyabb és környezetkímélőbb jégmentesítési eljárásokhoz juthatunk. Korábbi munkájuk során a jégben természetes úton fellépő csekély mértékű elektromos feszültséget arra használták, hogy a rajta található vékony vízréteget polarizálják, s ezáltal olyan elektromos mezőt hozzanak létre, amely képes mikroszkopikus jégkristályokat leválasztani. A csoport most ezt a koncepciót alkalmazza nagyobb léptékben, amikor egy elektródlapra nagy feszültséget kapcsolva erélyesebben távolítja el a jeget a képződési felszínéről. Az új, elektrosztatikus jégmentesítésnek elnevezett módszer elvét a kutatók a Small Methods szakfolyóiratban publikálták, számol be az origo.hu.

A jégmentesítés fizikája

Miközben a víz megfagy, a jégkristályok úgy növekednek, hogy a vízmolekulák szép szabályos rendbe szerveződnek. Azonban némelyik vízmolekula kicsit kilóg a sorból, talán mert a hátán hord egy plusz protont – ez az oxóniumion vagy H3O+ --, vagy éppen hiányzik neki egy, mint a hidroxidionnak (OH-). Olyan ez, mintha egy puzzle-t kicsit sietősen raknánk össze, így egy-egy darab rossz helyre kerülne vagy teljesen kimaradna.

• Ezek a szabálytalanságok képezik az ún. ionos kristályhibákat, vagyis azokat a helyeket a jég szerkezetén belül, ahol pozitív vagy negatív töltéstöbblet keletkezik.

A kutatók abból a feltételezésből indultak ki, hogy a jégréteg fölé helyezett elektródlapra pozitív feszültséget kapcsolva a negatív ionos kristályhibák a vonzás hatására az elektród felé fognak vándorolni, a pozitív hibák pedig a taszítástól az ellentétes irányba, a jégréteg alapja felé mozdulnak el. Más szóval a feszültség hatására a jégréteg polarizálódni fog, és vonzás lép fel az elektród és a polarizált jég között.

Ha ez a vonzás elég erős, jégkristályok fognak letörni a jégtömegből, és átugranak az elektródra.

A jég fölé helyezett rézlemez már mindenfajta külső feszültség rákapcsolása nélkül is eltávolította a jégréteg 15 százalékát. Ez azért lehetséges, mert a jég kis mértékben külső elektromos mező nélkül is spontán polarizálódik. A feszültség ráadása ugyanakkor drasztikus mértékben növelte a polarizáció mértékét: 120 voltos feszültséggel a jég 40 százalékát, 550 volttal pedig a jég 50 százalékát tudták eltávolítani.

„Úgy gondoltuk, jó nyomon vagyunk – mesélte Boreyko. – Csak tovább emeljük a feszültséget, és egyre több jeget tudunk lehámozni. Kézenfekvő, nem? Csak arra nem számítottunk, hogy ennek éppen az ellenkezője történik majd.”

A feszültség növelése ugyanis furcsa hatással bírt: 1100 voltnál már csak 30 százalékos, 5500 voltnál pedig 20 százalékos volt a jégtelenítés hatásfoka. Ez az eredmény ellentmondott az elméleti modellnek, amely azt jósolta, hogy a jégtelenítési teljesítmény a feszültséggel arányosan fog növekedni.

A csoport aztán megfejtette, mi magyarázhatja a jégtelenítés hatékonyságának csökkenését a magasabb feszültségeknél. Ha a jégréteget nem rézfelszínre, hanem elektromosan szigetelő üvegfelszínre növesztették, a magasabb feszültségek csak kicsit teljesítettek rosszabbul.

Ebből arra következtettek, hogy töltés szivárog el a polarizált jégből az őt hordozó felszín felé, különösen magasabb feszültségeknél, és ezt a jelenséget szigetelő hordozófelszínnel tompítani lehetett.

Amikor egy szigetelő levegőréteget magába foglaló, szuper-víztaszító felszínre váltottak át, a rendellenes viselkedés megszűnt: a magasabb feszültségek – ahogy azt eredetileg is várták – hatékonyabban jégtelenítettek. A legmagasabb alkalmazott feszültség most a jég 75 százalékát eltüntette.

„A szuper-víztaszító felület alkalmazásával az elektrosztatikus jégtelenítés elég hatékony volt ahhoz, hogy előbújtassa és jól láthatóvá tegye a jégpáncél alá rejtett ’Virginia Tech VT’ logót” – mondta el Venkata Yashasvi Lolla, a projekt vezető kutatója, aki most a Berkeley-n tölt be posztdoktori pozíciót.

Mi a következő lépés?

A kutatás természetesen folytatódik, egészen addig, amíg a kitűzött célt, a 100 százalékos jégtelenítést el nem érik. A munka részeként különböző felszíneket fognak kipróbálni, hogy kiterjesszék a módszer alkalmazhatóságát a legkülönbözőbb ipari és lakossági alkalmazások felé.

Az elektrosztatikus jégtelenítés koncepciója egyelőre még nagyon gyerekcipőben jár – hangsúlyozta Boreyko. – Most, hogy túl vagyunk az első publikáción, célunk az eljárás hatékonyságának növelése a töltésszivárgás csökkentése, valamint a magasabb feszültségek és különféle elektród-elhelyezések kipróbálása révén, hogy csak néhányat említsek az előttünk álló stratégiák közül. Bízunk benne, hogy az elektrosztatikus jégtelenítéssel költséghatékony, vegyszermentes és alacsony energiaigényű jégmentesítési módszert adunk az emberek kezébe.”