Naukowcy z Rice University opracowali bardzo cienkie taśmy grafenu, które w połączeniu z poliuretanową farbą stosowaną dotychczas do pokrycia samochodów posłuży jako warstwa ochronna dla wojskowych kopuł radarowych. Doskonale przewodząca ciepło i przepuszczalna dla fal radiowych powłoka ma zabezpieczać radar przed gromadzeniem się lodu.
Zadaniem kopuł anten radarowych (z ang. radome) jest ochrona anten przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi (wiatrem, zamarzającym deszczem, śniegiem). Obudowy skonstruowane są z materiałów minimalnie osłabiających sygnały elektromagnetyczne wysyłane i odbierane przez antenę. Kopuły anten radiolokatorów mogą być wykonane w różnych kształtach – sferycznym (kulistym), siatki geodezyjnej oraz płaskim. Same kopuły również muszą być oczyszczane z lodu i utrzymywane w dobrej kondycji. W przeciwnym razie mogą one ulec uszkodzeniu, co doprowadzi do niestabilności i pogorszenia przesyłu sygnałów. Tradycyjnymi materiałami używanymi do budowy są m.in. tkaniny z włókna szklanego oraz pokrycia z politetrafluoroetylenu (PTFE), czyli popularnego teflonu. Skomplikowane systemy ogrzewające umieszczone w metalowym szkielecie kopuły pokrytym nieorganicznym izolatorem – tlenkiem glinu (Al2O3) są zbyt ciężkie, mają niski współczynnik przewodności cieplej, wykorzystują dużo energii i często zakłócają pracę anten. Dlatego niektóre elementy urządzenia muszą być instalowane z daleka od radaru.
Badacze z Houston wraz z inżynierami z koncernu Lockheed Martin zdecydowali się wykorzystać grafen – dwuwymiarową, płaską strukturę złożoną z atomów węgla do budowy warstwy chroniącej kopułę przed lodem. Koncepcja zabezpieczenia powierzchni przed lodem polega na wykorzystaniu właściwości przewodzących grafenu i zjawiska nagrzewania oporowego, gdzie energia elektryczna zostaje zamieniona w energię cieplną. Użycie wąskich pasm grafenu w postaci nanotaśm (z ang. graphene nanoribbon, GNR) zwiększa przewodność cieplną warstwy po podpięciu do obwodu elektrycznego. GNR wytwarzane są w procesie przekształcenia wielościennych nanorurek węglowych MWCNT (z ang. multiwalled carbon nanotubes), które zbudowane są ze zwiniętego grafenu. Technika znana od 2009 roku jest wykorzystywana już w produkcji przemysłowej. Aby grafenowe nanowstążki zostały prawidłowo przytwierdzone do powierzchni, zastosowano poliuretanową farbę. Zapewniała ona stabilne połączenie z powierzchnią i spajała całość powłoki.
W badaniach laboratoryjnych podłoże stanowiło elastyczne tworzywo sztuczne – poliamid. Zostało ono pokryte farbą poliuretanową. Po wyschnięciu podłoże zostało umieszczone na płycie grzejnej aby zmiękczyć farbę. Następnie, za pomocą metody natryskowej naniesiono grafenowe nanotaśmy. Po wysuszeniu i utwardzeniu kompozytu, GNR nie można było usunąć. Grubość warstwy wyniosła około 100 nanometrów, a więc była około tysiąc razy cieńsza od ludzkiego włosa. Kolejnym krokiem było podpięcie powłoki do obwodu za pomocą elektrod platynowych i zamrożenie badanego materiału. Próbki ochłodzone do temperatury -4°F (w przybliżeniu -20°C) zostały odmrożone w ciągu kilku minut. Dalsze testy wykazały, że kompozyt poliuretanu i grafenu nie wpływał negatywnie na transfer sygnałów elektromagnetycznych.
Badacze sugerują, że bardzo lekka, trwała, niemetalowa warstwa pozwoli znacząco obniżyć koszty budowy osłon. Kompozyt zapewnia także redukcję wagi i wymiarów, a wypełnienie w postaci grafenowych pasków bardziej oszczędne i szybsze nagrzewanie. Powłoka może znaleźć jeszcze inne praktyczne zastosowanie, nie tylko dla radarów okrętowych i dużych naziemnych stacji radarowych. Naukowcy zamierzają zrealizować projekt budowy szyby samochodowej, pokrytej przezroczystą warstwą uniemożliwiającą osadzanie lodu.
Film przedstawia topnienie lodu na powierzchni pokrytej nanowstążkami w temperaturze -20°C.
Źródło:
[1] Radiofrequency Transparent, Electrically Conductive Graphene Nanoribbon Thin Films as De-icing Heating Layers. Vladimir Volman, Yu Zhu, Abdul-Rahman O Raji, Bostjan Genorio, Wei Lu, Changsheng Xiang, Carter Kittrell, and James M. Tour. ACS Applied Materials & Interfaces. DOI: 10.1021/am404203y
[2] http://news.rice.edu/2013/12/13/graphene-nanoribbons-an-ice-melting-coat-for-radar/ [19.12.2013]
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am404203y [19.12.2013]
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Radome [19.12.2013]
[5] Navy-Radome by All Hands Journalist First Class Preston Keres, June 2003, pg. 2, Wikimedia Commons, Public Domain