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

Quando un aeromobile vola attraverso aria fredda e umida, il ghiaccio può accumularsi sui suoi bordi d'attacco, ovvero le parti anteriori delle ali e della coda. Questo ghiaccio modifica la forma dell'ala, rendendo più difficile per l'aereo rimanere in volo e più difficile da controllare. Per prevenire ciò, gli aerei moderni utilizzano spesso il de-icing elettrotermico, un sistema che fa scorrere elettricità attraverso speciali elementi riscaldanti incorporati nella pelle dell'aeromobile per sciogliere il ghiaccio. Tuttavia, queste stesse pelli degli aeromobili devono anche essere trasparenti alle onde radar. I sistemi radar, essenziali per la navigazione e la sicurezza, inviano segnali radio che devono passare attraverso la pelle per rilevare oggetti all'esterno e tornare all'aereo. Se gli elementi riscaldanti sono fatti di metallo, agiscono come uno specchio per queste onde radio, bloccando il radar e creando un pericoloso punto cieco. Per decenni, gli ingegneri hanno affrontato una scelta difficile: usare efficaci riscaldatori metallici che bloccano il radar, o usare materiali trasparenti che sono troppo deboli per sciogliere rapidamente il ghiaccio.

Un team di ricercatori ha trovato un modo per avere entrambe le cose. Hanno sviluppato un nuovo materiale che si scalda efficientemente per sciogliere il ghiaccio pur rimanendo quasi invisibile al radar in un'ampia gamma di frequenze. La soluzione risiede in una combinata combinazione di materiali e geometria. Il cuore della loro invenzione è un tessuto fatto di fibre di vetro rivestite con un sottile strato di grafene, una forma di carbonio nota per essere sia conduttiva che trasparente. Inve di lasciare questo tessuto come un foglio solido, i ricercatori hanno usato un laser per cancellare con cura parti specifiche di esso, creando un motivo di piccoli fori esagonali. Questo motivo, che ricorda un nido d'ape, interrompe il percorso continuo che le correnti elettriche e le onde radio normalmente seguirebbero. Facendo questo, sono riusciti a calibrare il materiale in modo che conduca l'elettricità abbastanza bene da generare calore, ma disperda le onde radio in un modo che permetta loro di passare attraverso invece di rimbalzare.

I ricercatori hanno iniziato testando diverse versioni di questo tessuto rivestito di grafene per trovare il giusto equilibrio. Hanno scoperto che se il materiale era troppo conduttivo, bloccava le onde radio; se era troppo resistivo, non riusciva a generare abbastanza calore. Si sono stabiliti su una versione con un livello specifico di resistenza elettrica che permetteva loro di raggiungere il proprio obiettivo. Utilizzando un laser programmabile, hanno inciso una precisa griglia esagonale nel tessuto. Questo processo, noto come cancellazione laser diretta, rimuove selettivamente il grafene lungo le linee del motivo, lasciando dietro di sé una rete di filamenti conduttivi separati da spazi vuoti. Il risultato è una struttura che sembra una delicata maglia ma agisce come un sofisticato filtro per l'energia.

Quando il team ha testato questa nuova maglia, ha scoperto che performava in modo straordinario. In condizioni normali, la struttura permetteva a più dell'80 percento delle onde radio che passavano attraverso di essa di raggiungere l'altro lato, attraverso uno spettro molto ampio di frequenze utilizzate dai moderni sistemi radar. Questa trasparenza rimaneva valida anche quando le onde colpivano il materiale da diverse angolazioni o con diverse orientazioni. I ricercatori hanno analizzato come le onde si muovevano attraverso il materiale e hanno scoperto che il motivo a nido d'ape funziona rompendo il grande e fluido flusso di correnti elettriche che solitamente causa la riflessione delle onde radio. Invece di una singola, forte corrente che scorre su tutta la superficie, le correnti sono costrette a viaggiare lungo i sottili filamenti della maglia, cambiando direzione agli angoli degli esagoni. Questa segmentazione riduce la quantità di energia che rimbalza indietro, permettendo alle onde di passare attraverso.

Oltre a lasciare passare le onde radio, il materiale si è dimostrato un eccellente riscaldatore. Quando i ricercatori hanno applicato una piccola quantità di potenza elettrica, l'intera superficie si è riscaldata uniformemente. Hanno misurato la temperatura salire a un ritmo costante di 0,04 gradi Celsius al secondo. Per testare la sua capacità nel mondo reale, hanno spruzzato il materiale con acqua e lo hanno congelato in uno strato di ghiaccio. Quando hanno acceso l'alimentazione, il ghiaccio si è sciolto ed è scivolato via dalla superficie, dimostrando che il materiale può effettivamente sbrinare una superficie senza bisogno di essere spesso o pesante. Il riscaldamento era uniforme su tutto il foglio, il che significa che non c'erano punti freddi dove il ghiaccio potesse rimanere.

I ricercatori hanno anche esplorato come questo materiale potesse lavorare insieme ad altre tecnologie, specificamente i materiali assorbenti radar progettati per nascondere gli aeromobili dal rilevamento. Hanno posizionato uno strato di materiale assorbente radar, fatto di polvere di ferro mescolata con un polimero, sotto la loro nuova maglia di grafene. Hanno scoperto che la combinazione funzionava meglio del solo assorbitore. La maglia non bloccava il lavoro dello strato assorbente radar; invece, i due strati lavoravano insieme per assorbire una gamma più ampia di frequenze, da 9,2 a 15,2 gigahertz. Inoltre, la presenza della maglia non aumentava la quantità di energia radar riflessa verso la sorgente. Di fatto, la combinazione riduceva la firma radar dell'oggetto ancora di più rispetto all'assorbitore da solo, rendendo l'aeromobile più difficile da rilevare pur mantenendo la pelle abbastanza calda da eliminare il ghiaccio.

Questo lavoro suggerisce una via pratica per la progettazione dei futuri aeromobili. Utilizzando un materiale che è sia un riscaldatore che una finestra per il radar, gli ingegneri possono eliminare il compromesso che ha a lungo complicato la progettazione aeronautica. La struttura a nido d'ape esagonale, creata attraverso il preciso taglio laser di un tessuto rivestito di grafene, offre un modo per mantenere gli aerei al sicuro dal ghiaccio senza compromettere la loro capacità di "vedere" il mondo intorno a loro. Lo studio conferma che è possibile conciliare questi due bisogni contrastanti, fornendo una tabella di marcia per pelli multifunzionali che possono proteggere gli aeromobili dagli elementi pur rimanendo invisibili al radar.