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

Quando uma aeronave voa através de ar frio e úmido, o gelo pode se acumular em suas bordas de ataque, as partes frontais das asas e da cauda. Esse gelo altera a forma da asa, tornando mais difícil para o avião permanecer no ar e mais difícil de controlar. Para evitar isso, os aviões modernos frequentemente utilizam o degelo eletrotérmico, um sistema que conduz eletricidade através de elementos de aquecimento especiais incorporados na pele da aeronave para derreter o gelo. No entanto, essas mesmas peles de aeronaves também devem ser transparentes às ondas de radar. Os sistemas de radar, que são essenciais para a navegação e segurança, enviam sinais de rádio que precisam passar pela pele para detectar objetos fora e retornar ao avião. Se os elementos de aquecimento forem feitos de metal, eles agem como um espelho para essas ondas de rádio, bloqueando o radar e criando um ponto cego perigoso. Durante décadas, os engenheiros enfrentaram uma escolha difícil: usar aquecedores metálicos eficazes que bloqueiam o radar, ou materiais transparentes que são muito fracos para derreter o gelo rapidamente.

Uma equipe de pesquisadores encontrou uma maneira de ter ambos. Eles desenvolveram um novo material que aquece eficientemente para derreter o gelo, mantendo-se quase invisível ao radar em uma ampla gama de frequências. A solução reside em uma combinação inteligente de materiais e geometria. O núcleo de sua invenção é um tecido feito de fibras de vidro revestidas com uma fina camada de grafeno, uma forma de carbono conhecida por ser tanto condutora quanto transparente. Em vez de deixar este tecido como uma folha sólida, os pesquisadores usaram um laser para apagar cuidadosamente partes específicas dele, criando um padrão de pequenos furos hexagonais. Este padrão, que se assemelha a um favo de mel, interrompe o caminho contínuo que as correntes elétricas e as ondas de rádio normalmente seguiriam. Ao fazer isso, eles conseguiram ajustar o material para que ele conduza eletricidade bem o suficiente para gerar calor, mas disperse as ondas de rádio de uma forma que permita que elas passem em vez de ricochetearem.

Os pesquisadores começaram testando diferentes versões deste tecido revestido de grafeno para encontrar o equilíbrio certo. Eles descobriram que, se o material fosse muito condutor, bloquearia as ondas de rádio; se fosse muito resistivo, não conseguiria gerar calor suficiente. Eles estabeleceram uma versão com um nível específico de resistência elétrica que permitiu alcançar seu objetivo. Usando um laser programável, eles gravaram uma grade hexagonal precisa no tecido. Este processo, conhecido como apagamento direto a laser, remove seletivamente o grafeno ao longo das linhas do padrão, deixando para trás uma rede de fios condutores separados por espaços vazios. O resultado é uma estrutura que parece uma malha delicada, mas atua como um filtro sofisticado para energia.

Quando a equipe testou esta nova malha, descobriu que ela desempenhou um papel notável. Sob condições normais, a estrutura permitiu que mais de 80 por cento das ondas de rádio que passavam por ela chegassem ao outro lado, através de um espectro muito amplo de frequências usadas pelos sistemas de radar modernos. Esta transparência manteve-se constante mesmo quando as ondas atingiam o material de diferentes ângulos ou com diferentes orientações. Os pesquisadores analisaram como as ondas se moviam através do material e descobriram que o padrão de favo de mel funciona ao quebrar o fluxo grande e suave das correntes elétricas que normalmente causam o reflexo das ondas de rádio. Em vez de uma única corrente forte fluindo por toda a superfície, as correntes são forçadas a viajar ao longo dos fios finos da malha, mudando de direção nos cantos dos hexágonos. Essa segmentação reduz a quantidade de energia que ricocheteia, permitindo que as ondas passem.

Além de permitir a passagem das ondas de rádio, o material provou ser um excelente aquecedor. Quando os pesquisadores aplicaram uma pequena quantidade de potência elétrica, toda a superfície aqueceu uniformemente. Eles mediram a temperatura subindo a uma taxa constante de 0,04 graus Celsius por segundo. Para testar sua capacidade no mundo real, eles borrifaram água sobre o material e a congelaram em uma camada de gelo. Quando ligaram a energia, o gelo derreteu e deslizou pela superfície, demonstrando que o material poderia efetivamente descongelar uma superfície sem precisar ser espesso ou pesado. O aquecimento foi uniforme em toda a folha, o que significa que não houve pontos frios onde o gelo pudesse permanecer.

Os pesquisadores também exploraram como este material poderia trabalhar em conjunto com outras tecnologias, especificamente materiais absorvedores de radar projetados para esconder aeronaves da detecção. Eles colocaram uma camada de material absorvedor de radar, feito de pó de ferro misturado com um polímero, abaixo da nova malha de grafeno. Descobriram que a combinação funcionou melhor do que o absorvedor sozinho. A malha não bloqueou a camada absorvedora de radar de fazer o seu trabalho; em vez disso, as duas camadas trabalharam juntas para absorver uma gama mais ampla de frequências, de 9,2 a 15,2 gigahertz. Além disso, a presença da malha não aumentou a quantidade de energia de radar refletida de volta à fonte. Na verdade, a combinação reduziu a assinatura de radar do objeto ainda mais do que o absorvedor por si só, tornando a aeronave mais difícil de detectar enquanto mantém a pele quente o suficiente para eliminar o gelo.

Este trabalho sugere um caminho prático para o design de futuras aeronaves. Ao usar um material que é tanto um aquecedor quanto uma janela para o radar, os engenheiros podem eliminar o compromisso que há muito tempo complica o design de aeronaves. A estrutura de favo de mel hexagonal, criada através do corte a laser preciso de um tecido revestido de grafeno, oferece uma maneira de manter os aviões seguros contra o gelo sem comprometer sua capacidade de "ver" o mundo ao seu redor. O estudo confirma que é possível reconciliar estas duas necessidades conflitantes, fornecendo um modelo para peles multifuncionais que podem proteger aeronaves contra os elementos enquanto permanecem invisíveis ao radar.