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

Wenn ein Flugzeug durch kalte, feuchte Luft fliegt, kann sich Eis an seinen Vorderkanten, den vorderen Teilen der Flügel und des Leitwerks, ansammeln. Dieses Eis verändert die Form des Flügels, was es für das Flugzeug schwieriger macht, in der Luft zu bleiben und die Kontrolle zu behalten. Um dies zu verhindern, verwenden moderne Flugzeuge oft elektrothermische Enteisung, ein System, bei dem Elektrizität durch spezielle Heizelemente geleitet wird, die in die Außenhaut des Flugzeugs eingebettet sind, um das Eis zu schmelzen. Diese Flugzeug-Häute müssen jedoch auch transparent für Radarwellen sein. Radarsysteme, die für die Navigation und Sicherheit unerlässlich sind, senden Radiosignale aus, die durch die Haut dringen müssen, um Objekte außerhalb des Flugzeugs zu erkennen und zum Flugzeug zurückzusenden. Wenn die Heizelemente aus Metall bestehen, wirken sie wie ein Spiegel für diese Radiowellen, blockieren das Radar und erzeugen so einen gefährlichen blinden Fleck. Jahrzehntelang standen Ingenieure vor einer schwierigen Wahl: effektive Metallheizer verwenden, die das Radar blockieren, oder transparente Materialien verwenden, die zu schwach sind, um Eis schnell zu schmelzen.

Ein Forschungsteam hat einen Weg gefunden, beides zu erreichen. Sie entwickelten ein neues Material, das effizient aufheizt, um Eis zu schmelzen, während es über einen weiten Frequenzbereich für das Radar fast unsichtbar bleibt. Die Lösung liegt in einer klugen Kombination von Materialien und Geometrie. Der Kern ihrer Erfindung ist ein Gewebe aus Glasfasern, das mit einer dünnen Schicht Graphen, einer Kohlenstoffform, die sowohl leitfähig als auch transparent bekannt ist, beschichtet wurde. Anstatt dieses Gewebe als eine durchgehende Fläche zu belassen, verwendeten die Forscher einen Laser, um gezielt bestimmte Teile davon zu entfernen und so ein Muster aus winzigen, hexagonalen Löchern zu erzeugen. Dieses Muster, das einem Wespennest ähnelt, unterbricht den kontinuierlichen Pfad, dem elektrische Ströme und Radiowellen normalerweise folgen würden. Durch dies gelang es ihnen, das Material so abzustimmen, dass es Elektrizität gut genug leitet, um Wärme zu erzeugen, aber Radiowellen so streut, dass sie hindurchgehen, anstatt zurückzuprallen.

Die Forscher begannen damit, verschiedene Versionen dieses graphenbeschichteten Gewebes zu testen, um das richtige Gleichgewicht zu finden. Sie entdeckten, dass das Material das Radar blockierte, wenn es zu leitfähig war, und nicht genügend Wärme erzeugen konnte, wenn es zu resistent war. Sie entschieden sich für eine Version mit einem spezifischen Grad an elektrischem Widerstand, der es ihnen ermöglichte, ihr Ziel zu erreichen. Mit einem programmierbaren Laser ätzten sie ein präzises hexagonales Gitter in das Gewebe. Dieser Prozess, bekannt als direkte Laser-Erosion (Direct Laser Erasure), entfernt selektiv das Graphen entlang der Linien des Musters und hinterlässt ein Netzwerk aus leitfähigen Strängen, die durch leere Räume getrennt sind. Das Ergebnis ist eine Struktur, die wie ein zartes Netz aussieht, aber wie ein ausgeklügeltes Filter für Energie wirkt.

Als das Team dieses neue Netz testete, stellten sie fest, dass es hervorragend funktionierte. Unter normalen Bedingungen ermöglichte die Struktur mehr als 80 Prozent der durch sie hindurchgehenden Radiowellen, die andere Seite zu erreichen, und zwar über ein sehr breites Spektrum von Frequenzen, die moderne Radarsysteme nutzen. Diese Transparenz blieb auch bestehen, wenn die Wellen das Material aus verschiedenen Winkeln oder mit unterschiedlichen Orientierungen trafen. Die Forscher analysierten, wie sich die Wellen durch das Material bewegten, und fanden heraus, dass das Wabenmuster dadurch funktioniert, dass es den großen, glatten Fluss der elektrischen Ströme unterbricht, der normalerweise Radiowellen reflektieren lässt. Anstatt eines einzelnen, starken Stroms, der über die gesamte Oberfläche fließt, werden die Ströme gezwungen, entlang der dünnen Stränge des Netzes zu wandern und an den Ecken der Hexagone die Richtung zu ändern. Diese Segmentierung reduziert die Menge der zurückspringenden Energie, sodass die Wellen hindurchgehen können.

Zusätzlich zu der Eigenschaft, Radiowellen passieren zu lassen, erwies sich das Material als exzellenter Heizer. Als die Forscher eine kleine Menge elektrischer Leistung anlegten, erwärmte sich die gesamte Oberfläche gleichmäßig. Sie maßen, dass die Temperatur mit einer konstanten Rate von 0,04 Grad Celsius pro Sekunde anstieg. Um die reale Leistungsfähigkeit zu testen, besprühten sie das Material mit Wasser und ließen es zu einer Eisschicht gefrieren. Als sie die Stromzufuhr einschaleteten, schmolz das Eis und glitt von der Oberfläche ab, was demonstrierte, dass das Material eine Oberfläche effektiv enteisen kann, ohne dick oder schwer sein zu müssen. Die Erwärmung war über die gesamte Fläche gleichmäßig, was bedeutete, dass es keine Kaltstellen gab, an denen Eis verbleiben konnte.

Die Forscher untersuchten auch, wie dieses Material neben anderen Technologien funktionieren könnte, insbesondere neben radarabsorbierenden Materialien, die darauf ausgelegt sind, Flugzeuge vor Entdeckung zu verbergen. Sie platzierten eine Schicht aus radarabsorbierendem Material, bestehend aus Eisenpulver gemischt mit einem Polymer, unter ihrem neuen Graphennetz. Sie fanden heraus, dass die Kombination besser funktionierte als der Absorber allein. Das Netz blockierte die radarabsorbierende Schicht nicht bei ihrer Arbeit; stattdessen arbeiteten die beiden Schichten zusammen, um ein breiteres Spektrum von Frequenzen zu absorbieren, von 9,2 bis 15,2 Gigahertz. Darüber hinaus erhöhte das Vorhandensein des Netzes nicht die Menge der vom Radar reflektierten Energie. Tatsächlich reduzierte die Kombination die Radarsignatur des Objekts sogar noch stärker als der Absorber allein, was das Flugzeug schwerer detektierbar machte, während die Haut gleichzeitig warm genug gehalten wurde, um Eis abzustreifen.

Diese Arbeit deutet auf einen praktischen Weg für das Design zukünftiger Flugzeuge hin. Indem Ingenieure ein Material verwenden, das sowohl ein Heizer als auch ein Fenster für das Radar ist, können sie den Kompromiss eliminieren, der die Flugzeugkonstruktion lange Zeit kompliziert gemacht hat. Die hexagonale Wabenstruktur, die durch präzises Laserschneiden eines graphenbeschichteten Gewebes erzeugt wurde, bietet eine Möglichkeit, Flugzeuge sicher vor Eis zu halten, ohne ihre Fähigkeit zu beeinträchtigen, die Welt um sie herum zu „sehen“. Die Studie bestätigt, dass es möglich ist, diese zwei gegensätzlichen Bedürfnisse in Einklang zu bringen, und liefert einen Bauplan für multifunktionale Außenhüllen, die Flugzeuge vor den Elementen schützen und gleichzeitig für das Radar unsichtbar bleiben können.