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Investigación con materiales hidrofóbicos. Superficies anti-hielo.

17 noviembre 2009

Joev de GE AntihieloDesde hace unos años, un equipo de investigadores de la compañía estadounidense General Electric (GE) y encabezados por Joseph Vinciquerra, ha estado investigando con nanotecnología para comprender el comportamiento de los materiales superhidrofóbicos. La principal utilidad es la de llegar a crear superficies que no generen hielo bajo ciertas condiciones climáticas.

Bajo el término superhidrofóbicos, englobamos materiales que repelen agua. De manera parecida a cómo actúan los tejidos que transpiran sin dejar transpasar la humedad, estos materiales pueden ser de gran utilidad en aerogeneradores, turbinas de aeronaves, etc. que mantienen un claro contacto con agua y/ó se emplean en zonas áltamente húmedas y a baja temperatura, formando hielo en dichas superficies.

En una pala de un aerogenerador que trabaja a una altura media de 60 m desde la base, una capa de hielo puede provocar un aumento de la componente aerodinámica de arrastre, reduciendo así la eficiencia de la máquina. En el caso de las turbinas de aviones que vuelan a 10.000 m, la ingeniería ha conseguido dar soluciones a este problema pero todas pasan por reducir la eficiencia del motor. Pero, ¿y si pudiéramos instalar estas nano-capas en dichos elementos, repeliendo así el agua y por tanto la formación del hielo? Si, de esta manera, consiguiéramos eliminar los complejos sistemas para eliminación intensiva de hielo, daríamos con un gran aumento en la eficiencia global de estos equipos.

Este equipo de investigadores ha recreado las condiciones atmosféricas típicas en las que se da el crecimiento de sucesivas capas de hielo, y así probar lo que ellos llaman “superhydrophobic materials”. Han creado un programa de ensayos en túneles de viento que les permita experimentar los diversos comportamientos de estos materiales. Además, han conseguido reunir un gran número de ambientes y exposiciones tales como erosión por arena a alta velocidad de transporte, alta exposición UV, etc. para poder comprobar que estos materiales son suficiéntemente robustos para el “mundo real”. Con todas estas herramientas y un equipo humano formado por químicos, ingenieros de materiales, ingenieros mecánicos y aeroespaciales, han conseguido un sustancial progreso a estas nuevas capas que no solo poseen una reducida resistencia de adhesión de las capas de hielo formado, si no que resisten también las inclemencias del ambiente en servicio.

En el video que se puede ver en su página, enfrentan dos muestras en un tunel de viento con crecimiento de hielo. El especimen de la izquierda esta fabricado en titanio y el de la derecha, en aleación de aluminio con una fina capa superficial de uno de los materiales investigados.  Al comienzo del video, se puede observar cómo se va formando una capa creciente de hielo en ambos perfiles tras sucesivas rachas de aire. Mientras el espesor va aumentando, los especímenes rotan a la vez que el flujo sigue impactando sobre ellos. Al final, la muestra protegida  se desprende fácilmente del hielo formado.

En este ejemplo, la fuerza que provoca el desprendimiento de la capa helada es de tipo convectivo (aire circulante), pero la principal baza es que no ha sido necesario ningún otro tipo de aporte energético suministrado por algún sistema auxiliar (calor, etc…). Mientras los resultados hablan ya de grandes posibilidades para estos nano-materiales, éste equipo de investigadores siguen trabajando para encontrarle aplicación a estos productos, basándose en principios similares.

Joseph Vinciquerra es jefe de proyectos de integración mecánica y operaciones de laboratorio en el Centro de Investigación Global de la compañía General Electric, en  Niskayuna, Nueva York.

Complete english version  here

4 comentarios leave one →
  1. 19 noviembre 2009 12:29

    Imagino que además de mejorar la eficiencia de las máquinas, simplificará mucho la fabricación de alas y álabes, con el abaratamiento extra que eso implica.

    Gran avance éste.

  2. Ruben Carvajal permalink
    29 noviembre 2009 14:26

    Salvador,
    aunque con retraso, he estado leyendo tu artículo, y parece interesante. La instalación de botas antihielo, o de sistemas calefactados en los bordes de ataque de alas y timones se evitaría con este tipo de materiales… ahorro en horas de ingeniería, de montaje… ahorro en el mantenimiento de los sistemas… ¿Tienen limitaciones estructurales, o de adhesión a los materiales?

    • 29 noviembre 2009 14:27

      Hola Rubén,
      la verdad es que abriría un nuevo camino a las protecciones superficiales. Desde luego, por lo que dejan leer (poco, claro) se trata de un recubrimiento en forma de película con lo cual no es estructural. La no adherencia se puede conseguir de dos formas distintas, a mi parecer, aprovechando la alta polaridad del agua (adherencia electro-química) y/o que ese recubrimiento tenga una rugosidad relativa muy baja ó muy alta, según se mire (adhesión mecánica). En cualquier caso habría también que ver el rango de temperaturas en el que puede trabajar dicho recubrimiento. Parece ser que a bajas temperaturas se comporta bien, pero habría que comprobar en caso de no estar trabajando, además de ciclos de vida, etc.

      Pero sin duda, creo que es un buen camino.

      Un saludo.

  3. isma permalink
    6 noviembre 2012 16:46

    Pienso que es un gran avance, pero la sustitucion de los sistemas que eliminan el hielo de manera intensiva, ¿es rentable y eficiente este nuevo metodo alternativo?. Porque el tiempo de eliminacion del hielo puede influir bastante en la acumulacion de este y podria llegar a ser un problema para dichas turbinas y elementos aeronauticos.

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