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

जब एक विमान ठंडी और नम हवा के बीच से उड़ता है, तो इसके अग्रणी किनारों (leading edges), यानी पंखों और पूंछ के अगले हिस्सों पर बर्फ जम सकती है। यह बर्फ पंख के आकार को बदल देती है, जिससे विमान के लिए हवा में टिके रहना और उसे नियंत्रित करना कठिन हो जाता है। इसे रोकने के लिए, आधुनिक विमान अक्सर इलेक्ट्रोथर्मल डी-आइसिंग का उपयोग करते हैं, जो एक ऐसी प्रणाली है जिसमें विमान की त्वचा में लगे विशेष हीटिंग तत्वों के माध्यम से बिजली प्रवाहित की जाती है ताकि बर्फ को पिघलाया जा सके। हालाँकि, विमान की इन सतहों को रडार तरंगों के लिए पारदर्शी भी होना चाहिए। रडार सिस्टम, जो नेविगेशन और सुरक्षा के लिए आवश्यक हैं, रेडियो सिग्नल भेजते हैं जिन्हें बाहरी वस्तुओं का पता लगाने और विमान तक वापस आने के लिए त्वचा के माध्यम से गुजरना पड़ता है। यदि हीटिंग तत्व धातु के बने हों, तो वे इन रेडियो तरंगों के लिए एक दर्पण की तरह काम करते हैं, जो रडार को ब्लॉक कर देते हैं और एक खतरनाक ब्लाइंड स्पॉट (अंधा क्षेत्र) बना देते हैं। दशकों से, इंजीनियरों को एक कठिन विकल्प का सामना करना पड़ा है: प्रभावी धातु हीटरों का उपयोग करना जो रडार को ब्लॉक करते हैं, या पारदर्शी सामग्रियों का उपयोग करना जो बर्फ को तेजी से पिघलाने के लिए बहुत कमजोर होती हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने दोनों चीजें हासिल करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक नई सामग्री विकसित की है जो बर्फ को पिघलाने के लिए कुशलतापूर्वक गर्म होती है, लेकिन आधुनिक रडार की आवृत्तियों (frequencies) की एक विस्तृत श्रृंखला में लगभग अदृश्य रहती है। इस समाधान का आधार सामग्रियों और ज्यामिति (geometry) का एक चतुर संयोजन है। उनके आविष्कार का मुख्य हिस्सा एक कपड़ा है जो ग्लास फाइबर से बना है और जिस पर ग्राफीन की एक पतली परत चढ़ी हुई है—ग्राफीन कार्बन का एक रूप है जो चालक (conductive) और पारदर्शी दोनों होता है। इस कपड़े को एक ठोस शीट के रूप में छोड़ने के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक लेजर का उपयोग करके इसके विशिष्ट हिस्सों को सावधानीपूर्वक मिटाया, जिससे छोटे, षट्कोणीय (hexagonal) छिद्रों का एक पैटर्न बन गया। यह पैटर्न, जो मधुमक्खी के छत्ते (honeycomb) जैसा दिखता है, उस निरंतर पथ को तोड़ देता है जिसका विद्युत धाराएं और रेडियो तरंगें सामान्यतः अनुसरण करती हैं। ऐसा करके, वे इस सामग्री को इस तरह से ट्यून करने में सफल रहे कि यह गर्मी उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त बिजली का संचालन तो करती है, लेकिन रेडियो तरंगों को इस तरह बिखेरती है कि वे वापस टकराने के बजाय गुजर सकें।

शोधकर्ताओं ने सही संतुलन खोजने के लिए इस ग्राफीन-लेपित कपड़े के विभिन्न संस्करणों का परीक्षण करना शुरू किया। उन्होंने पाया कि यदि सामग्री बहुत अधिक सुचालक (conductive) थी, तो वह रेडियो तरंगों को रोक देती थी; यदि यह बहुत अधिक प्रतिरोधी (resistive) थी, तो यह पर्याप्त गर्मी उत्पन्न नहीं कर पाती थी। वे एक ऐसे संस्करण पर पहुँचे जिसमें विद्युत प्रतिरोध का एक विशिष्ट स्तर था जिसने उन्हें अपने लक्ष्य को प्राप्त करने में सक्षम बनाया। एक प्रोग्राम करने योग्य लेजर का उपयोग करके, उन्होंने कपड़े में एक सटीक षट्कोणीय ग्रिड उकेरा। 'डायरेक्ट लेजर इरेज़र' के रूप में जानी जाने वाली इस प्रक्रिया में, पैटर्न की रेखाओं के साथ ग्राफीन को चुनिंदा रूप से हटाया जाता है, जिससे खाली स्थानों से अलग किए गए चालक धागों का एक नेटवर्क पीछे रह जाता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसी संरचना बनती है जो एक नाजुक जाल (mesh) की तरह दिखती है लेकिन ऊर्जा के लिए एक परिष्कृत फिल्टर के रूप में कार्य करती है।

जब टीम ने इस नए जाल का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह उल्लेखनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन करता है। सामान्य परिस्थितियों में, यह संरचना आधुनिक रडार प्रणालियों द्वारा उपयोग की जाने वाली आवृत्तियों के एक बहुत व्यापक स्पेक्ट्रम में, गुजरने वाली रेडियो तरंगों के 80 प्रतिशत से अधिक हिस्से को दूसरी ओर जाने देती है। यह पारदर्शिता तब भी बनी रही जब तरंगें विभिन्न कोणों या विभिन्न दिशाओं से सामग्री से टकराईं। शोधकर्ताओं ने यह विश्लेषण किया कि तरंगें सामग्री के माध्यम से कैसे चलती हैं और पाया कि हनीकॉम्ब पैटर्न उस बड़े, सुचारू विद्युत प्रवाह को तोड़ने का काम करता है जो आमतौर पर रेडियो तरंगों के परावर्तन (reflection) का कारण बनता है। पूरी सतह पर बहने वाले एक एकल, मजबूत करंट के बजाय, करंट को जाल के पतले धागों के साथ यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है, जहाँ वे षट्कोणों के कोनों पर दिशा बदलते हैं। यह विभाजन ऊर्जा की उस मात्रा को कम करता है जो वापस उछलती है, जिससे तरंगें गुजर पाती हैं।

रेडियो तरंगों को गुजरने देने के अलावा, यह सामग्री एक उत्कृष्ट हीटर भी साबित हुई। जब शोधकर्ताओं ने थोड़ी मात्रा में विद्युत शक्ति लागू की, तो पूरी सतह समान रूप से गर्म हो गई। उन्होंने मापा कि तापमान 0.04 डिग्री सेल्सियस प्रति सेकंड की स्थिर दर से बढ़ रहा है। इसकी वास्तविक क्षमता का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने सामग्री पर पानी छिड़का और उसे बर्फ की एक परत में जमा दिया। जब उन्होंने बिजली चालू की, तो बर्फ पिघल गई और सतह से फिसल गई, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि यह सामग्री बिना भारी या मोटा हुए सतह को प्रभावी ढंग से डी-आइस (बर्फ मुक्त) कर सकती है। हीटिंग पूरी शीट में समान थी, जिसका अर्थ था कि वहां कोई ठंडा स्थान नहीं था जहां बर्फ रह सकती थी।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि यह सामग्री अन्य तकनीकों, विशेष रूप रूप से रडार-अवशोषक सामग्रियों (radar-absorbing materials) के साथ कैसे काम कर सकती है, जिन्हें विमान को पहचान से छिपाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने अपने नए ग्राफीन मेश के नीचे आयरन पाउडर और पॉलीमर से बनी रडार-अवशोषक सामग्री की एक परत रखी। उन्होंने पाया कि यह संयोजन अकेले अवशोषक (absorber) की तुलना में बेहतर काम करता है। मेश ने रडार-अवशोषक परत को अपना काम करने से नहीं रोका; इसके बजाय, दोनों परतें मिलकर 9.2 से 15.2 गीगाहर्ट्ज़ तक की एक विस्तृत श्रृंखला की आवृत्तियों को अवशोषित करती हैं। इसके अलावा, मेश की उपस्थिति ने स्रोत की ओर परावर्तित होने वाली रडार ऊर्जा की मात्रा को नहीं बढ़ाया। वास्तव में, इस संयोजन ने वस्तु के रडार सिग्नेचर को अकेले अवशोषक की तुलना में और भी कम कर दिया, जिससे विमान को पकड़ना कठिन हो गया और साथ ही उसकी त्वचा को बर्फ हटाने के लिए पर्याप्त गर्म भी रखा गया।

यह कार्य भविष्य के विमानों के डिजाइन के लिए एक व्यावहारिक मार्ग का सुझाव देता है। एक ऐसी सामग्री का उपयोग करके जो हीटर और रडार के लिए एक खिड़की दोनों है, इंजीनियर उस व्यापार-बंद (trade-off) को समाप्त कर सकते हैं जिसने लंबे समय से विमान डिजाइन को जटिल बना रखा है। ग्राफीन-लेपित कपड़े की सटीक लेजर कटिंग के माध्यम से निर्मित षट्कोणीय हनीकॉम्ब संरचना, विमान को दुनिया को "देखने" की अपनी क्षमता से समझौता किए बिना बर्फ से सुरक्षित रखने का एक तरीका प्रदान करती है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन दो परस्पर विरोधी जरूरतों के बीच सामंजस्य स्थापित करना संभव है, जो बहु-कार्यात्मक त्वचा (multifunctional skins) के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो विमान को तत्वों से बचाने के साथ-साथ रडार के लिए अदृश्य भी रख सकती है।