Flugzeuge mit Stromimpuls enteisen

10. September 2019, 13:00 Uhr
Nenad Miljkovic (links) und Team. Bild: L. Brian Stauffer.
Nenad Miljkovic (links) und Team. Bild: L. Brian Stauffer.

A short electrical impulse with very high power produces a film of water causing the ice on a wing to slip. This process is energy saving.
All types of blades, from aircraft to helicopter and wind turbine rotors to air heater pumps, have problems with surface icing at low temperatures. De-icing techniques require a considerable amount of energy and often entail melting a lot of ice completely. Researchers at the University of Illinois and Kyushu University in Japan have now developed a new technique that requires only a thin layer of ice to be melted at the surface boundary so that the entire layer of ice slips by gravity or wind.
 
The main advantage of this new technique is that it requires less than 1% of the energy and even less than 0.1‰ of the time of traditional de-icing techniques, as described in Applied Physics Letters in the article "Pulse interfacial defrosting".
 
Conventional systems not only melt the ice itself, but also heat the icy structure, as wings and/or metal surfaces of shells, etc. The ice is then heated by the ice. This leads to an overall high energy consumption and a corresponding time requirement. Not to mention other disadvantages.
Principle of de-icing
The researchers propose using an electrical pulse of very high energy to generate a thin film of water at the boundary layer between the ice and the surface. A thin coating of indium tin oxide on the surface of the structure to be de-iced serves as a "heating resistor". Since the ice then no longer sticks firmly, gravity or wind is sufficient to allow the ice layer to glide.
 
A coated vertical glass plate was cooled to -15°C and -70°C as a test. This temperature range corresponds to the real occurrence in refrigeration and aerospace applications. In all tests, it was possible to remove the ice with an pulse of less than 1 s duration.
Aircraft wings, however, would require a lot of peak power even though the average power is very low. In order to provide the high peak power, further developments in aircraft electronics would therefore be necessary.


Alle Arten von Flügeln vom Flugzeug über die Rotoren von Hubschraubern und Windturbinen bis hin zur Luft-Wärmerpumpen haben bei niedrigen Temperaturen Probleme mit der Vereisung der Oberflächen. Enteisungstechniken benötigen viel Energie und erfordern oft, dass viel Eisvollständig geschmolzen werden muss. Forscher der University of Illinois und der Kyushu University in Japan haben nun neues Verfahren entwickelt, bei der nur eine dünne Eisschicht an der Grenzschicht zur Oberfläche geschmolzen werden muss, damit das komplette Eis durch Schwerkraft oder Wind abrutsch.
 
Der sehr große Vorteil dieser neuen Technik ist, dass sie weniger als 1% der Energie und sogar weniger als 0,1‰ der Zeit traditioneller Enteisungstechniken benötigt, wie in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters im Artikel „Pulse interfacial defrosting“ beschrieben. 
 
Konventionelle Systemen schmelzen nicht nur das Eis selbst, sondern erhitzen zudem die vereiste Struktur, als Flügel und/oder Metalloberflächen von Hüllen etc. Dies führt zu insgesamt hohem Energieverbrauch entsprechendem Zeitbedarf. Von anderen Nachteilen ganz zu schweigen.

Prinzip der Enteisung

Die Forscher schlagen vor, mit einem elektrischen Impuls sehr hoher Energie an an der Grenzschicht zwischen Eis und Oberfläche einen dünnen Wasserfilm zu erzeugen. Als „Heizwiderstand“ dient eine dünne Beschichtung aus Material Indiumzinnoxid auf der Oberfläche der zu enteisenden Struktur. Da dann das Eis nicht mehr fest haftet, reicht die Schwerkraft oder der Wind aus, um die Eisschicht abgleiten zu lassen.
 
Als Test wurde eine beschichtete vertikale Glasplatte auf -15°C und -70°C abgekühlt. Dieser Temperaturbereich entspricht dem realen Vorkommen bei  Kälte- und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Bei allen Tests konnte das Eis mit einem Impuls von weniger als 1 s Dauer entfernt werden.
Flugzeugflügel allerdings würden sehr viel Spitzenleistung benötigen, obwohl die mittlere Leistung sehr niedrig ist. Um die hohe Spitzenleistung bereitstellen zu können, wären daher weitere Entwicklungen an der Flugzeugelektronik erforderlich.
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