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

Wanneer een vliegtuig door koude, vochtige lucht vliegt, kan er ijsvorming optreden op de voorranden, de voorste delen van de vleugels en de staart. Dit ijs verandert de vorm van de vleugel, waardoor het voor het vliegtuig moeilijker wordt om in de lucht te blijven en moeilijker om te besturen. Om dit te voorkomen, maken moderne vliegtuigen vaak gebruik van elektrothermische de-icing, een systeem dat elektriciteit door speciale verwarmingselementen geleidt die in de huid van het vliegtuig zijn ingebed om het ijs te smelten. Deze vliegtuigskins moeten echter ook transparant zijn voor radargolven. Radarsystemen, die essentieel zijn voor navigatie en veiligheid, zenden radiosignalen uit die door de huid heen moeten gaan om objecten buiten het vliegtuig te detecteren en terug te keren naar het vliegtuig. Als de verwarmingselementen van metaal zijn gemaakt, werken ze als een spiegel voor deze radiogolven, waardoor de radar wordt geblokkeerd en er een gevaarlijke blinde vlek ontstaat. Decennialang stonden ingenieurs voor een moeilijke keuze: effectieve metalen verwarmers gebruiken die de radar blokkeren, of transparante materialen gebruiken die te zwak zijn om ijs snel te smelten.

Een team van onderzoekers heeft een manier gevonden om beide te hebben. Ze ontwikkelden een nieuw materiaal dat efficiënt opwarmt om ijs te smelten, terwijl het bijna onzichtbaar blijft voor radar over een breed scala aan frequenties. De oplossing ligt in een slimme combinatie van materialen en geometrie. De kern van hun uitvinding is een stof gemaakt van glasvezels die zijn voorzien van een dunne laag grafeen, een vorm van koolstof die bekend staat als zowel geleidend als transparant. In plaats van deze stof als een solide vel te laten, gebruikten de onderzoekers een laser om specifieke delen ervan zorgvuldig weg te wissen, waardoor een patroon van kleine, hexagonale gaatjes ontstond. Dit patroon, dat lijkt op een honingraat, breekt de continue route die elektrische stromen en radiogolven normaal gesproken zouden volgen. Door dit te doen, slaagden ze erin het materiaal zo af te stemmen dat het elektriciteit goed geleidt om warmte te genereren, maar radiogolven op een manier verstrooit waardoor ze erdoorheen kunnen passeren in plaats van terug te kaatsen.

De onderzoekers begonnen met het testen van verschillende versies van deze met grafeen gecoate stof om de juiste balans te vinden. Ze ontdekten dat als het materiaal te geleidend was, het de radiogolven blokkeerde; als het te resistief was, kon het niet genoeg warmte genereren. Ze kozen voor een versie met een specifiek niveau van elektrische weerstand waarmee ze hun doel konden bereiken. Met behulp van een programmeerbare laser etsten ze een precies hexagonaal rooster in de stof. Dit proces, bekend als directe laser-erosie, verwijdert selectief het grafeen langs de lijnen van het patroon, waardoor een netwerk van geleidende strengen achterblijft die gescheiden zijn door lege ruimtes. Het resultaat is een structuur die eruitziet als een delicaat gaas, maar functioneert als een geavanceerd filter voor energie.

Toen het team dit nieuwe gaas testte, bleek het opmerkelijk goed te presteren. Onder normale omstandigheden liet de structuur meer dan 80 procent van de passerende radiogolven naar de andere kant gaan, over een zeer breed spectrum van frequenties die door moderne radarsystemen worden gebruikt. Deze transparantie bleef behouden, zelfs wanneer de golven de materiaal onder verschillende hoeken en met verschillende oriëntaties raakten. De onderzoekers analyseerden hoe de golven door het materiaal bewogen en ontdekten dat het honingraatpatroon werkt door de grote, gladde stroom van elektrische stromen te onderbreken die normaal gesproken voor reflectie van radiogolven zorgt. In plaats van een enkele, sterke stroom die over het hele oppervlak stroomt, worden de stromen gedwongen om langs de dunne draden van het gaas te reizen, waarbij ze van richting veranderen bij de hoeken van de hexagonen. Deze segmentatie vermindert de hoeveelheid energie die terugkaatst, waardoor de golven kunnen passeren.

Naast het doorlaten van radiogolven bleek het materiaal ook een uitstekende verwarmer te zijn. Wanneer de onderzoekers een kleine hoeveelheid elektrische energie toepasten, warmde het gehele oppervlak gelijkmatig op. Ze maten dat de temperatuur met een constante snelheid van 0,04 graden Celsius per seconde steeg. Om de praktische bruikbaarheid te testen, besproeiden ze het materiaal met water en lieten ze er een laag ijs op bevriezen. Toen ze de stroom inschakelden, smolt het ijs en gleed het van het oppervlak af, wat aantoonde dat het materiaal effectief een oppervlak kon ontdooien zonder dik of zwaar te hoeven zijn. De verwarming was uniform over het hele vel, wat betekende dat er geen koude plekken waren waar ijs zou kunnen blijven zitten.

De onderzoekers verkenden ook hoe dit materiaal samen zou kunnen werken met andere technologieën, specifisch radarabsorberende materialen die ontworpen zijn om vliegtuigen ondetecteerbaar te maken. Ze plaatsten een laag radarabsorberend materiaal, gemaakt van ijzerpoeder gemengd met een polymeer, onder hun nieuwe grafeengaas. Ze ontdekten dat de combinatie beter werkte dan de absorber alleen. Het gaas blokkeerde de radarabsorberende laag niet in het uitvoeren van zijn taak; in plaats daarvan werkten de twee lagen samen om een breder scala aan frequenties te absorberen, van 9,2 tot 15,2 gigahertz. Bovendien zorgde de aanwezigheid van het gaas er niet voor dat de hoeveelheid gereflecteerde radarenergie naar de bron toenam. Sterker nog, de combinatie verminderde de radarhandtekening van het object zelfs meer dan de absorber alleen, waardoor het vliegtuig moeilijker te detecteren was terwijl de huid toch warm genoeg bleef om ijs af te werpen.

Dit werk suggereert een praktisch pad voor het ontwerp van toekomstige vliegtuigen. Door een materiaal te gebruiken dat zowel een verwarmingselement als een venster voor radar is, kunnen ingenieurs de afweging elimineren die het vliegtuigontwerp al lange tijd compliceert. De hexagonale honingraatstructuur, gecreëerd door precieze laserbewerking van een met grafeen gecoate stof, biedt een manier om vliegtuigen veilig te houden voor ijs zonder hun vermogen om de wereld om hen heen te "zien" te compromitteren. De studie bevestigt dat het mogelijk is om deze twee conflicterende behoeften te verzoenen, wat een blauwdruk biedt voor multifunctionele skins die vliegtuigen kunnen beschermen tegen de elementen terwijl ze onzichtbaar blijven voor radar.