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

Lorsqu'un avion vole à travers de l'air froid et humide, de la glace peut s'accumuler sur ses bords d'attaque, les parties avant des ailes et de la queue. Cette glace modifie la forme de l'aile, rendant l'avion plus difficile à maintenir en l'air et plus difficile à contrôler. Pour éviter cela, les avions modernes utilisent souvent le dégivrage électrothermique, un système qui fait passer l'électricité à travers des éléments chauffants spéciaux intégrés dans la peau de l'appareil pour faire fondre la glace. Cependant, ces mêmes peaux d'avion doivent également être transparentes aux ondes radar. Les systèmes radar, essentiels pour la navigation et la sécurité, émettent des signaux radio qui doivent traverser la peau pour détecter des objets à l'extérieur et revenir vers l'avion. Si les éléments chauffants sont fabriqués en métal, ils agissent comme un miroir pour ces ondes radio, bloquant le radar et créant un angle mort dangereux. Pendant des décennies, les ingénieurs ont été confrontés à un choix difficile : utiliser des chauffages métalliques efficaces qui bloquent le radar, ou des matériaux transparents qui sont trop faibles pour faire fondre la glace rapidement.

Une équipe de chercheurs a trouvé un moyen d'obtenir les deux. Ils ont développé un nouveau matériau qui chauffe efficacement pour faire fondre la glace tout en restant presque invisible au radar sur une large gamme de fréquences. La solution réside dans une combinaison astucieuse de matériaux et de géométrie. Le cœur de leur invention est un tissu fait de fibres de verre revêtues d'une fine couche de graphène, une forme de carbone connue pour être à la fois conductrice et transparente. Au lieu de laisser ce tissu sous forme de feuille solide, les chercheurs ont utilisé un laser pour effacer soigneusement certaines parties, créant un motif de minuscules trous hexagonaux. Ce motif, qui ressemble à un nid d'abeille, brise le chemin continu que les courants électriques et les ondes radio suivraient normalement. En faisant cela, ils ont réussi à ajuster le matériau pour qu'il conduise suffisamment l'électricité pour générer de la chaleur, mais qu'il diffuse les ondes radio de manière à ce qu'elles passent à travers plutôt que de rebondir.

Les chercheurs ont commencé par tester différentes versions de ce tissu revêtu de graphène pour trouver le bon équilibre. Ils ont découvert que si le matériau était trop conducteur, il bloquait les ondes radio ; s'il était trop résistif, il ne pouvait pas générer assez de chaleur. Ils se sont arrêtés sur une version présentant un niveau spécifique de résistance électrique qui leur a permis d'atteindre leur objectif. À l'aide d'un laser programmable, ils ont gravé une grille hexagonale précise dans le tissu. Ce processus, appelé effacement laser direct, supprime sélectivement le graphène le long des lignes du motif, laissant derrière lui un réseau de brins conducteurs séparés par des espaces vides. Le résultat est une structure qui ressemble à un treillis délicat mais qui agit comme un filtre sophistiqué pour l'énergie.

Lorsque l'équipe a testé ce nouveau maillage, elle a constaté qu'il fonctionnait remarquablement bien. Dans des conditions normales, la structure permettait à plus de 80 pour cent des ondes radio de traverser le matériau pour atteindre l'autre côté, sur un spectre très large de fréquences utilisées par les systèmes radar modernes. Cette transparence restait vraie même lorsque les ondes frappaient le matériau sous différents angles ou avec différentes orientations. Les chercheurs ont analysé la façon dont les ondes se déplaçaient à travers le matériau et ont découvert que le motif en nid d'abeille fonctionne en brisant le flux important et fluide des courants électriques qui cause habituellement la réflexion des ondes radio. Au lieu d'un courant unique et puissant circulant sur toute la surface, les courants sont forcés de voyager le long des fins brins du maillage, changeant de direction aux coins des hexagones. Cette segmentation réduit la quantité d'énergie qui rebondit, permettant aux ondes de passer à travers.

En plus de laisser passer les ondes radio, le matériau s'est avéré être un excellent élément chauffant. Lorsque les chercheurs ont appliqué une petite quantité de puissance électrique, toute la surface s'est réchauffée uniformément. Ils ont mesuré une augmentation de température constante de 0,04 degré Celsius par seconde. Pour tester sa capacité en conditions réelles, ils ont vaporisé de l'eau sur le matériau et l'ont gelée en une couche de glace. Lorsqu'ils ont allumé l'alimentation, la glace a fondu et a glissé de la surface, démontant que le matériau pouvait effectivement dégivrer une surface sans avoir besoin d'être épais ou lourd. Le chauffage était uniforme sur toute la feuille, ce qui signifie qu'il n'y avait pas de points froids où la glace pourrait rester.

Les chercheurs ont également exploré comment ce matériau pourrait fonctionner aux côtés d'autres technologies, spécifiquement les matériaux absorbant les radars conçus pour cacher les avions de la détection. Ils ont placé une couche de matériau absorbant le radar, composé de poudre de fer mélangée à un polymère, sous leur nouveau maillage de graphène. Ils ont constaté que la combinaison fonctionnait mieux que l'absorbeur seul. Le maillage n'a pas empêché la couche absorbante de faire son travail ; au contraire, les deux couches travaillent ensemble pour absorber une gamme plus large de fréquences, de 9,2 à 15,2 gigahertz. De plus, la présence du maillage n'a pas augmenté la quantité d'énergie radar réfléchie vers la source. En fait, la combinaison a réduit la signature radar de l'objet encore plus que l'absorbeur par lui-même, rendant l'avion plus difficile à détecter tout en maintenant la peau assez chaude pour évacuer la glace.

Ce travail suggère une voie pratique pour la conception des futurs aéronefs. En utilisant un matériau qui est à la fois un élément chauffant et une fenêtre pour le radar, les ingénieurs peuvent éliminer l'arbitrage qui complique depuis longtemps la conception des avions. La structure hexagonale en nid d'abeille, créée par la découpe laser précise d'un tissu revêtu de graphène, offre un moyen de protéger les avions contre la glace sans compromettre leur capacité à « voir » le monde qui les entoure. L'étude confirme qu'il est possible de concilier ces deux besoins conflictuels, fournissant un modèle pour des peaux multifonctionnelles capables de protéger les aéronefs des éléments tout en restant invisibles au radar.