di Rukmava Chatterjee
La vista dei fiocchi di neve che cadono a migliaia dal cielo invernale è un’esperienza deliziosa fino alle sue tristi conseguenze. L’accumulo di ghiaccio e brina sulle superfici funzionali e la sua ostinata aderenza rappresentano un enorme problema per un ampio spettro di industrie che vanno dall’energia ai sistemi di trasporto. I rapporti di ricerca sull’energia nell’ultimo decennio hanno stimato che le tempeste di ghiaccio gravi sono responsabili di interruzioni di energia elettrica fino al 10%, con un impatto sulla vita di 3 milioni di persone negli Stati Uniti ogni inverno. In generale, le conseguenze indesiderate del gelo hanno un effetto irrefutabile sulle attività umane quotidiane.
Naturalmente, le tecnologie che possono ritardare la formazione di ghiaccio/gelo sulle superfici o facilitare la sua rimozione passiva giocano un ruolo fondamentale nelle applicazioni industriali che operano in climi freddi. Di conseguenza, il mercato finanziario per i materiali antighiaccio e “icephobic” ammonta a 20 miliardi di dollari all’anno. Sfortunatamente, la maggior parte delle tecniche passive per la rimozione del ghiaccio tipicamente impiegate, hanno costi di fabbricazione elevati o soffrono di una scarsa durata a lungo termine. A causa di queste sfide intrinseche, non hanno visto un’adozione commerciale diffusa. Quindi, le tecniche attive come il riscaldamento elettrotermico, lo sbrinamento chimico e la buona vecchia raschiatura meccanica rimangono il fondamento dell’industria per mitigare i problemi di ghiaccio/sbrinamento, nonostante siano energeticamente costose e abbiano un’impronta ambientale negativa.
Tra questi, i prodotti chimici antighiaccio monopolizzano in particolare la quota di mercato miliardaria a causa della loro facile disponibilità e rapida applicabilità. Per esempio, il dragaggio delle ali degli aerei con migliaia di galloni di glicole antigelo per prevenire la formazione di ghiaccio al suolo e garantire il loro decollo sicuro è uno spettacolo comune durante gli inverni freddi. Ma essendo liquidi, questi prodotti chimici sono facilmente spazzati via o dissolti, rendendoli così misure temporanee. Portati via, finiscono nei corsi d’acqua dolce locali inquinandoli e disturbando l’equilibrio ecologico marino.
Per affrontare questi problemi scottanti, i ricercatori dell’Università dell’Illinois Chicago (UIC) hanno formulato un’ampia libreria di più di ottanta composizioni con proprietà superiori di protezione dal gelo. La libreria di formulazioni può essere ampiamente classificata come soluzioni polimeriche, emulsioni, creme e gel. Lo scheletro dei rivestimenti sviluppati è composto da dimetilsolfossido, un crioprotettore di derivazione naturale e biocompatibile che possiede proprietà medicinali miracolose ed è stato saldamente bloccato in una matrice polimerica, che gli garantisce una maggiore resistenza contro la dissoluzione e la rimozione guidata dal taglio. Rispetto alle superfici metalliche industriali non trattate, questi nuovi rivestimenti sono in grado di ritardare simultaneamente la formazione di ghiaccio (~87 volte più a lungo) garantendo al contempo una facile rimozione del ghiaccio (~665 volte più facilmente); un completo game-changer rispetto alla maggior parte dei rivestimenti commerciali disponibili oggi sul mercato (Figura 1).
Con la graduale transizione del mondo verso fonti di energia sostenibili e rinnovabili, è fondamentale dotare i cavalli di battaglia coinvolti (ad esempio, turbine eoliche, impianti fotovoltaici solari, linee di trasmissione dell’energia) di adeguati pacchetti per le condizioni invernali per garantire prestazioni a prova di errore in ambienti freddi. Negli stati più freddi dell’America, del Canada e dell’Europa, dove la temperatura invernale scende ben al di sotto dello zero, la formazione di ghiaccio sulle pale delle turbine eoliche le porta a sfruttare la potenza in modo meno efficiente. L’attrezzatura invernale tipicamente impiegata per prevenire la formazione di ghiaccio include il riscaldamento elettrotermico. Ironicamente, questo implica consumare energia per generare energia. Nel loro ultimo studio, i ricercatori dell’UIC dimostrano l’efficacia dei loro rivestimenti sviluppati per varie applicazioni che vanno dalle eliche di turbine eoliche/aerei ai cavi di trasmissione di energia.
Nel loro esperimento (Figura 2), gli scienziati hanno sottoposto due pale di elica in scala ridotta, una nuda (a sinistra) e l’altra rivestita a condizioni climatiche invernali simulate. Dopo pochi minuti dall’inizio dell’esperimento, la pala dell’elica nuda è stata vista diventare bianca a causa dell’accumulo di ghiaccio ed è stato osservato un incidente di ‘lancio di ghiaccio’. Il termine “lancio del ghiaccio” è un eufemismo nell’industria dell’energia eolica per il fenomeno per cui pezzi di ghiaccio vengono espulsi dalle eliche rotanti. Con la graduale formazione di brina sulle eliche, arriva un momento in cui la sua soglia di carico è compromessa, con il risultato che i frammenti di ghiaccio accumulati vengono espulsi dalle forze gravitazionali e centrifughe. Questi frammenti di ghiaccio che cadono dal cielo sono dannosi per le persone vicine.
La ricerca è stata pubblicata su Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.202109930).