La tecnologia di rilevamento del ghiaccio sviluppata dai ricercatori dell’Università di Toronto potrebbe accelerare il processo di sghiacciamento per aerei e altri veicoli aerospaziali, contribuendo a prevenire costosi ritardi dei voli.

In un articolo pubblicato sulla rivista Materiali avanzati, ricercatori del Laboratorio di materiali avanzati ingegnerizzati repellenti durevoli (DREAM). descrivono come il loro sensore nanogeneratore triboelettrico (TENG) è in grado di rilevare la formazione, lo scioglimento e il distacco del ghiaccio sulle superfici e fornire queste informazioni in tempo reale utilizzando pochissima energia.

Il laboratorio è guidato da Kevin Golovinprofessore associato di ingegneria meccanica e industriale presso la Facoltà di scienze applicate e ingegneria.

« Per quanto ne sappiamo, questo è il primo sistema triboelettrico di rilevamento del ghiaccio di questo tipo ad essere descritto nella letteratura scientifica », afferma il ricercatore post-dottorato Kamran Alasvand Zarasvandricercatore capo e autore dell’articolo.

« Il sensore TENG è costituito da due strati: un elettrodo metallico e un sottile rivestimento di plastica dielettrica. Quando un altro materiale entra in contatto con questo rivestimento e poi si separa, si scambiano una carica, producendo un segnale elettrico acuto. Il segnale cambia a seconda dell’evento che si verifica, quindi la formazione del ghiaccio genera un modello di segnale, mentre lo scioglimento e il distacco del ghiaccio ne creano uno diverso. »

La maggior parte dei sistemi di rilevamento del ghiaccio esistenti possono rilevare il ghiaccio solo in un punto localizzato, il che significa che la formazione di ghiaccio a pochi centimetri di distanza dal sensore può passare inosservata. Alasvand Zarasvand afferma che il sensore triboelettrico, al contrario, è molto più affidabile perché forma uno strato continuo sulla superficie.

« È estremamente leggero: solo due strati sottili, semplice da fabbricare e può essere applicato su qualsiasi superficie, anche su geometrie complesse, come le ali degli aerei o le pale delle turbine eoliche. »

Il sensore può anche rilevare la rottura o il distacco del ghiaccio dalla superficie.

« In base al segnale e alla temperatura, possiamo anche distinguere tra tipi di precipitazioni, come la brina ghiacciata – un tipo che si forma quando gli aerei volano attraverso la nebbia o le nuvole – o la pioggia gelata, che è più pericolosa per gli aerei », dice Alasvand Zarasvand.

“Il ghiaccio può danneggiare veicoli come gli aerei in diversi modi, portandoli a restare a terra o necessitando di manutenzione, e ad aumentare i costi e i ritardi per i viaggiatori”.

Poiché il rivestimento è leggero e versatile, può essere applicato su molte superfici, compresi i piccoli droni, dove Alasvand Zarasvand vede un potenziale significativo.

« Gli incidenti dei droni quando fa freddo sono comuni. I droni utilizzati per ispezioni commerciali delle linee elettriche o per fornire aiuti in regioni remote necessitano di un rilevamento affidabile del ghiaccio », afferma. “Il nostro sistema risponde in meno di un millisecondo, così i droni possono atterrare prima che la formazione di ghiaccio provochi un incidente”.

A differenza degli aerei più grandi che vengono sottoposti a test approfonditi nel mondo reale, Alasvand Zarasvand afferma che la maggior parte degli attuali test sulle pale dei droni per la formazione di ghiaccio vengono eseguiti in condizioni simulate. Le pale sono fissate a un mozzo rotante in una galleria del vento dove si accumula ghiaccio su tutta la superficie, ma ciò non corrisponde alle condizioni di volo reali.

« Un drone è molto sensibile al ghiaccio e si schianta molto prima che si accumuli così tanto ghiaccio. »

Se riuscissimo a evitare la necessità di atterraggi di emergenza per i veicoli aerei e la necessità di liquidi antigelo, allora si tratterebbe di un impatto reale

Per valutare con maggiore precisione l’impatto del ghiaccio su un drone e l’efficacia dei sensori, Alasvand Zarasvand ha fatto volare il drone davanti a un sistema di ugelli che spruzzavano acqua a temperature note mantenendo l’ambiente sotto lo zero. Una volta che il ghiaccio ha cominciato a formarsi, non c’è voluto molto prima che il drone si schiantasse.

« Una delle sorprese della nostra ricerca è stata la vulnerabilità dei droni in condizioni climatiche fredde. Anche una linea molto sottile di ghiaccio sulla pala di un drone ha causato incidenti. »

Un’altra caratteristica che distingue il nuovo sensore è il suo potenziale di riscaldamento. Alasvand Zarasvand spera che lo strato di elettrodi possa anche fungere da sistema di sghiacciamento elettrotermico per sciogliere il ghiaccio una volta rilevato.

« Una volta che il sistema rileva la formazione di ghiaccio, è possibile attivare una funzione di riscaldamento finché il sensore non rileva che il ghiaccio si è sciolto », afferma. « È un risparmio energetico, poiché non è necessario tenere costantemente acceso il riscaldamento. »

Attualmente, lo sghiacciamento degli aerei con fluido è costoso e richiede molto tempo. I viaggiatori invernali spesso trovano i loro voli in ritardo perché l’aereo è ricoperto di una soluzione antighiaccio, che è tossica per la fauna selvatica.

Alasvand Zarasvand spera che il suo sistema possa far risparmiare tempo e denaro alle compagnie aeree e ai passeggeri, offrendo allo stesso tempo un modo più sicuro e rispettoso dell’ambiente per rilevare e rimuovere il ghiaccio.

« Se riusciamo a evitare la necessità di atterraggi di emergenza per i veicoli aerei e la necessità di liquidi antigelo, allora l’impatto sarà reale », afferma.

Sono previste ulteriori ricerche, compresi test sui droni all’aperto, l’integrazione di riscaldamento e rilevamento e l’adattamento del sistema per diverse applicazioni.

« Con qualcosa come un drone, devi davvero concentrarti sulla leggerezza dei sensori, mentre se stai creando il rivestimento per una turbina eolica, questo non è un grosso problema », dice.

“Quello che abbiamo è il primo passo e ora che sappiamo che questo sistema funziona, sarà entusiasmante portarlo oltre”.

Fonte: Università di Toronto