Reconciling electrothermal de-icing and broadband electromagnetic transparency via a hexagonal honeycomb graphene glass fabric metasurface with impedance modulation and resonant coupling

عندما تطير الطائرة عبر هواء بارد ورطب، يمكن أن يتراكم الجليد على حوافها الأمامية، وهي الأجزاء الأمامية من الأجنحة والذيل. يغير هذا الجليد شكل الجناح، مما يجعل بقاء الطائرة محلقة في الجو أصعب ويجعل التحكم بها أكثر صعوبة. وللوقاية من ذلك، تستخدم الطائرات الحديثة غالبًا نظام إزالة الجليد بالحرارة الكهربائية، وهو نظام يمرر الكهرباء عبر عناصر تسخين خاصة مدمجة في جلد الطائرة لإذابة الجليد. ومع ذلك، يجب أن تكون جلود هذه الطائرات أيضًا شفافة لموجات الرادار. فأنظمة الرادار، الضرورية للملاحة والسلامة، ترسل إشارات راديوية تحتاج إلى المرور عبر الجلد لاكتشاف الأجسام خارج الطائرة والعودة إليها. وإذا كانت عناصر التسخين مصنوعة من المعدن، فإنها تعمل كمرآة لهذه الموجات الراديوية، مما يحجب الرادار ويخلق نقطة عمياء خطيرة. لعقود من الزمن، واجه المهندسون خيارًا صعبًا: استخدام سخانات معدنية فعالة تحجب الرادار، أو استخدام مواد شفافة تكون أضعف من أن تذيب الجليد بسرعة.

لقد وجد فريق من الباحثين طريقة للحصول على كليهما. فقد طوروا مادة جديدة تسخن بكفاءة لإذابة الجليد مع بقائها غير مرئية تقريبًا للرادار عبر مجموعة واسعة من الترددات. ويكمن الحل في مزيج ذكي من المواد والهندسة. إن جوهر ابتكارهم هو نسيج مصنوع من ألياف زجاجية مغلفة بطبقة رقيقة من الجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون المعروف بكونه موصلًا وشفافًا في آن واحد. وبدلاً من ترك هذا النسيج كصفيحة صلبة، استخدم الباحثون ليزرًا لمسح أجزاء محددة منه بعناً، مما خلق نمطًا من الثقوب السداسية الصغيرة. هذا النمط، الذي يشبه خلية النحل، يكسر المسار المستمر الذي تسلكه التيارات الكهربائية وموجات الراديو عادةً. ومن خلال القيام بذلك، تمكنوا من ضبط المادة بحيث توصل الكهرباء جيدًا بما يكفي لتوليد الحرارة، ولكنها تشتت موجات الراديو بطريقة تسمح لها بالمرور بدلاً من الارتداد.

بدأ الباحثون باختبار نسخ مختلفة من هذا النسيج المغطى بالجرافين لإيجاد التوازن الصحيح. واكتشفوا أنه إذا كانت المادة موصلة للغاية، فإنها تحجب الموجات الراسية؛ وإذا كانت مقاومتها عالية للغاية، فلا يمكنها توليد حرارة كافية. لقد استقروا على نسخة ذات مستوى محدد من المقاومة الكهربائية سمحت لهم بتحقيق هدفهم. وباستخدام ليزر قابل للبرمجة، قاموا بنقش شبكة سداسية دقيقة في النسيج. هذه العملية، المعروفة باسم المحو المباشر بالليزر، تزيل الجرافين انتقائيًا على طول خطوط النمط، تاركة وراءها شبكة من الخيوط الموصلة المفصولة بمساحات فارغة. والنتيجة هي هيكل يبدو مثل شبكة رقيقة ولكنه يعمل كمرشح متطور للطاقة.

عندما اختبر الفريق هذه الشبكة الجديدة، وجدوا أنها تعمل بشكل ملحوظ. ففي الظروف العادية، سمح الهيكل لأكثر من 80 بالمائة من الموجات الراديوية المارة عبره بالوصول إلى الجانب الآخر، عبر طيف واسع جدًا من الترددات المستخدمة في أنظمة الرادار الحديثة. وظلت هذه الشفافية قائمة حتى عندما تصطدم الموجات بالمادة من زوايا واتجاهات مختلفة. حلل الباحثون كيفية حركة الموجات عبر المادة ووجدوا أن نمط خلية النحل يعمل عن طريق كسر التدفق السلس والكبير للتيارات الكهربائية التي تسبب عادةً انعكاس الموجات الراديوية. فبدلاً من وجود تيار واحد قوي يتدفق عبر السطح بأكمله، تُجبر التيارات على السفر على طول الخيوط الرفيعة للشبكة، وتغير اتجاهها عند زوايا الأشكال السداسية. هذا التقسيم يقلل من كمية الطاقة التي ترتد، مما يسمح للموجات بالمرور.

بالإضافة إلى السماح بمرور الموجات الراديوية، أثبتت المادة أنها سخان ممتاز. فعندما طبق الباحثون كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية، ارتففت درجة حرارة السطح بأكم ل بالكامل. وقاسوا ارتفاع درجة الحرارة بمعدل ثابت قدره 0.04 درجة مئوية في الثانية. ولاختبار قدرتها في العالم الحقيقي، رش الباحثون المادة بالماء وجمدوها في طبقة من الجليد. وعندما قاموا بتشغيل الطاقة، ذاب الجليد وانزلق عن السطة، مما أثبت أن المادة يمكنها إزالة الجليد بفعالية دون الحاجة لأن تكون سميكة أو ثقيلة. كان التسخين منتظمًا عبر اللوحة بأكملها، مما يعني عدم وجود نقاط باردة حيث يمكن أن يبقى الجليد.

استكشف الباحثون أيضًا كيف يمكن لهذه المادة أن تعمل جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأخرى، وتحديدًا المواد الماصة للرادار المصممة لإخفاء الطائرات عن الكشف. فقد وضعوا طبقة من مادة ماصة للرادار، مكونة من مسحوق الحديد الممزوج بالبوليمر، تحت شبكة الجرافين الجديدة. ووجدوا أن الجمع بينهما يعمل بشكل أفضل من المادة الماصة وحدها. لم تمنع الشبكة الطبقة الماصة للرادار من القيام بعملها؛ بل عملت الطبقتان معًا لامتصاص نطاق أوسع من الترددات، من 9.2 إلى 15.2 جيجاهرتز. علاوة على ذلك، لم تؤدِ عملية وجود الشبكة إلى زيادة كمية طاقة الرادار المنعكسة إلى المصدر. في الواقع، قلل الجمع بينهما من البصمة الرادارية للجسم أكثر من المادة الماصة بمفردها، مما يجعل الطائرة أصعب في الكشف مع الحفاظ على جلدها دافئًا بما يكفي للتخلص من الجليد.

يشير هذا العمل إلى مسار عملي مستقبلي لتصميم الطائرات. فمن خلال استخدام مادة تعمل كمسخن ونافذة للرادار في آن واحد، يمكن للمهندسين القضاء على المقايضة التي عقدت تصميم الطائرات لفترة طويلة. إن هيكل خلية النحل السداسي، الذي تم إنشاؤه من خلال القطع الدقيق بالليزر لنسيج مغطى بالجرافين، يوفر وسيلة لإبقاء الطائرات آمنة من الجليد دون المساس بقدرتها على "رؤية" العالم من حولها. وتؤكد الدراسة أنه من الممكن التوفيق بين هاتين الحاجتين المتعارضتين، مما يوفر مخططًا لجلود متعددة الوظائف يمكنها حماية الطائرات من العناصر مع بقائها غير مرئية للرادار.