DE69935346T2

DE69935346T2 - Systeme und verfahren zum verändern der klebkraft von eis

Info

Publication number: DE69935346T2
Application number: DE69935346T
Authority: DE
Inventors: Victor Hanover PETRENKO
Original assignee: Dartmouth College
Current assignee: Dartmouth College
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: CA2348282A1; ATE355222T1; DK1124721T3; CN1332685A; JP2003517555A; CN1106319C; EP1124721A4; DE69935346D1; WO2000024634A9; EP1124721B1; KR20010080910A; AU1324200A; WO2000024634A1; EP1124721A1; US6427946B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Modifizieren des Eis-Haftvermögens zwischen Eis und ausgewählten Materialien. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Systeme und Verfahren, die elektrische Energie auf die Verbindungsstelle zwischen Eis und derartigen Materialien anwenden, um so das Eis-Haftvermögen zu erhöhen oder zu verringern und dadurch gewünschte Ergebnisse zu erzielen.
Hintergrund der Erfindung
Die Eis-Haftung an bestimmten Oberflächen verursacht zahlreiche Probleme. Beispielsweise bedroht eine übermäßige Ansammlung von Eis auf den Tragflächen eines Flugzeuges das Flugzeug und dessen Insassen. Eis auf Schiffskörpern erzeugt Navigationsschwierigkeiten, den Aufwand zusätzlicher Energie, um durch Wasser und Eis zu navigieren, sowie bestimmte gefährliche Bedingungen. Das Erfordernis, Eis, das sich auf Kraftfahrzeug-Windschutzscheiben bildet, abzukratzen, wird von den meisten Personen als mühsame und ständig zu wiederholende Arbeit empfunden, wobei Eisrückstände das Sichtvermögen des Fahrers und dessen Sicherheit beeinträchtigen.
Die Vereisung und die Eis-Haftung verursacht Probleme bei Rotorblättern und öffentlichen Straßen. Millionen von Dollar werden für das Räumen und Beseitigen von Eis und Schnee aufgewendet. Eis haftet zudem an Metallen, Kunststoffen, Glas und Keramik und bereitet auf diese Weise täglich Schwierigkeiten. Die Vereisung von Starkstromleitungen ist ebenfalls problematisch. Die Vereisung erhöht das Gewicht von Starkstromleitungen, was zu Stromausfällen führt, die zu direkten und indirekten Kosten in Millionenhöhe führen.
GB 2.252.285 beschreibt ein System zum Modifizieren des Eis-Haftvermögens von Eis, das an einem Gegenstand haftet, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beim Stand der Technik unterscheiden sich die Verfahren zu Handhabung der Eis-Haftung, wenngleich die meisten Techniken eine bestimmte Art des Kratzens, Schmelzens oder Brechens beinhalten. Die Luftfahrtindustrie verwendet eine Enteisungslösung, wie etwa Ethylglykol, um Tragflächen zu besprühen und so das Eis auf diesen zu schmelzen. Dieser Vorgang ist sowohl kostenintensiv als auch umweltgefährdend; das Sicherheitsrisiko der Passagiere rechtfertigt jedoch seine Verwendung. Bei anderen Flugzeugen wird ein Gummischlauch verwendet, der entlang der Vorderseite der Flugzeugtragfläche ausgerichtet ist, wobei der Schlauch periodisch aufgeblasen wird, um Eis zu brechen, das sich auf diesem angesammelt hat. Schließlich leiten andere Flugzeuge die Düsentriebwerkswärme auf die Tragfläche, um so das Eis zu schmelzen.
Diese Verfahren des Standes der Technik haben Einschränkungen und bereiten Schwierigkeiten. Ersten haben propellergetriebene Flugzeuge keine Düsentriebwerke. Zweitens ist ein Gummischlauch an der Vorderseite von Flugzeugtragflächen aerodynamisch nicht effizient. Drittens sind die Enteisungskosten extrem hoch, wie etwa 2.500$ bis 3.500$ je Anwendung, wobei die Enteisung an einem bestimmten Flugzeug bis zu zehnmal am Tag angewendet werden kann!
Die oben erwähnten Probleme entstehen aus der Neigung des Eises, an Oberflächen zu haften und sich an diesen zu bilden. Eis erzeugt jedoch dahingehend Schwierigkeiten, dass es einen extrem geringen Reibungskoeffizienten hat. Beispielsweise verursacht Eis auf den Straßen jedes Jahr zahlreiche Autounfälle, die sowohl Menschenleben kosten als auch umfangreichen Schaden am Eigentum bewirken. Würden Kraftfahrzeugreifen besser auf dem Eis greifen, gäbe es wahrscheinlich weniger Unfälle.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge darin, Systeme und Verfahren anzugeben, die das Eis-Haftvermögen vorteilhaft modifizieren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Systeme zum Verringern der Eis-Haftung auf Fahrzeugoberflächen, wie etwa Flugzeugtragflächen, Schiffskörpern und Windschutzscheiben anzugeben, um die Enteisung zu erleichtern.
Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Systeme zum Erhöhen des Reibungskoeffizienten zwischen eisigen Straßen und Autoreifen sowie zwischen Eis und anderen Gegenständen, wie etwa Schuhsohlen und Langlaufschiern, anzugeben.
Diese und andere Aufgaben werden in der folgenden Beschreibung verständlich.
Übersicht über die Erfindung
Bestimmte der oben erwähnten Probleme würde abgemindert werden, wenn das Eis-Haftvermögen zwischen dem Eis und der Oberfläche, auf der sich das Eis bildet, vermindert würde. Wenn beispielsweise das Haftvermögen zwischen Eis und einer Flugzeugtragfläche ausreichend vermindert werden würde, würde der Windruck, das Abschlagen oder leichtes Bürsten von Hand das Eis von der Trägfläche entfernen. In ähnlicher Weise wäre das Abkratzen einer Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe, um diese vom Eis zu befreien, weitaus weniger schwierig, wenn das Eis-Haftvermögen zwischen dem Eis und der Windschutzscheibe verringert würde.
Andere oben beschriebene Probleme würden abgemindert werden, wenn das Eis-Haftvermögen zwischen dem Eis und den Oberflächen, die das Eis berühren, vergrößert werden würde. Wenn beispielsweise das Eis-Haftvermögen zwischen Autoreifen und vereisten Straßen erhöht werden würde, gäbe es weniger Schlupf und weniger Unfälle.
Eis hat bestimmte physikalische Eigenschaften, die es der vorliegenden Erfindung gestatten, wahlweise die Haftung des Eises an leitfähigen (und halb leitfähigen) Oberflächen zu modifizieren. Zunächst ist ein protonischer Halbleiter, eine kleine Klasse von Halbleitern, deren Ladungsträger Protonen anstelle von Elektronen sind. Dieses Phänomen resultiert aus der Wasserstoffbindung innerhalb des Eises. Die Wasserstoffbindung tritt auf, weil sich die Wasserstoffatome von Wassermolekülen in Eis ihre Elektronen mit einem Sauerstoffatom teilen. Somit bleibt der Kern des Wassermoleküls – lediglich ein einzelnes Proton – verfügbar, um eine Bindung mit benachbarten Wassermolekülen einzugehen.
Ähnlich zu typischen Halbleitern auf Elektronenbasis ist Eis elektrisch leitfähig. Wenngleich diese elektrische Leitfähigkeit im allgemeinen schwach ist, kann die Leitfähigkeit dadurch verändert werden, dass chemische Stoffe hinzugefügt werden, die zusätzliche ladungstragende Partikel, d.h. Protonen im Fall von Eis, spenden oder aufnehmen.
Eine weitere physikalische Eigenschaft von Eis ist dessen Verdampfungsfähigkeit. Die Verdampfungsfähigkeit einer Substanz ist eine Funktion des Dampfdrucks an der Substanzoberfläche. Bei den meisten Materialien fällt der Dampfdruck am Übergang von flüssig zu fest rapide ab. Bei Eis jedoch besteht nahezu keine Änderung des Dampfdrucks am Übergang von flüssig zu fest. Der Grund hierfür ist, dass die Oberfläche des Eises mit einer flüssigkeitsähnlichen Schicht ("LLL") bedeckt ist.
Die LLL hat wichtige physikalische Eigenschaften. Zunächst ist die LLL nur Nanometer dick. Zweitens hat sie eine Viskosität im Bereich von beinahe Wasser bei Temperaturen am oder in der Nähe des Gefrierpunktes bis zu sehr viskos bei geringeren Temperaturen. Weiterhin existiert die LLL bei Temperaturen von etwa –100°C und besteht somit für die meisten Temperaturen um den Planeten.
Die LLL ist zudem ein Hauptfaktor für das Eis-Haftvermögen. Wenn man beispielsweise die glatte Oberfläche von Eis mit der glatten Oberfläche einer Flugzeugtragfläche in Berührung bringt, befindet sich die tatsächliche Kontaktfläche zwischen den beiden Oberflächen im Bereich eines Tausendstel der gesamten Berührungsfläche zwischen den beiden Oberflächen. Die LLL fungiert als Benetzungssubstanz zwischen den Oberflächen – das Prinzip hinter beinahe sämtlichen Haftstoffen – und erhöht wesentlich die wirkungsvolle Kontaktfläche zwischen den Oberflächen. Diese Erhöhung der Kontaktfläche beeinflusst in starkem Maße die Haftung des Eises.
Die Kombination der Halbleitereigenschaften von Eis und der LLL gestattet es, wahlweise das Eis-Haftvermögen zwischen Eis und anderen Oberflächen zu verändern. Im allgemeinen sind Wassermoleküle innerhalb eines Eisstückes zufallsartig ausgerichtet. Auf der Oberfläche sind die Moleküle jedoch im wesentlichen in derselben Richtung, entweder auswärts oder einwärts, ausgerichtet. Infolgedessen sind sämtliche ihrer Protonen und somit die positiven Ladungen nach außen oder innen gewandt. Wenngleich der exakte Mechanismus nicht bekannt ist, ist es wahrscheinlich, dass die Zufallsartigkeit von Wassermolekülen zu einer geordneten Ausrichtung innerhalb der LLL übergeht. Das praktische Ergebnis der Ausrichtung besteht jedoch darin, dass eine hohe Dichte elektrischer Ladungen, entweder positiv oder negativ, an der Oberfläche auftritt. Wenn eine Ladung an der Oberfläche erzeugt wird, die mit dem Eis in Berührung gerät, ist es demzufolge möglich, wahlweise die Haftung zwischen den beiden Oberflächen zu modifizieren. Das sich gleiche Ladungen abstoßen und ungleiche anziehen, verringert oder erhöht eine extern angelegte elektrische Vorspannung an der Grenzschicht des Eises und der anderen Oberfläche die Haftung zwischen dem Eis und der Oberfläche.
Gemäß der Erfindung wird ein System zum Modifizieren des Eis-Haftvermögens von Eis, das an einem Objekt haftet, angegeben, enthaltend eine Elektrode, die durch eine Isolierschicht gegenüber dem Objekt isoliert ist, und eine Gleichstromquelle, die mit der Elektrode gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröses Material über wenigstens einen Teil des Objektes angeordnet ist, um Dotierstoffe freizugeben und die Eis-Leitfähigkeit zu erhöhen; und die Gleichstromquelle mit dem Objekt gekoppelt ist und eine Gleichstrom-Vorspannung an einer Grenzfläche zwischen dem Eis und dem Objekt erzeugt, wobei die Gleichstrom-Vorspannung eine Spannung hat, die das Eis-Haftvermögen, verglichen mit dem Eis- Haftvermögen bei im wesentlichen Null-Vorspannung an der Grenzfläche, selektiv modifiziert. Die leitfähige Oberfläche kann beispielsweise eine Flugzeugtragfläche oder ein Schiffskörper (oder sogar die Farbe, die auf die Konstruktion aufgebracht ist) sein. Eine erste Elektrode ist mit der Oberfläche verbunden; ein nicht leitfähiges oder elektrisch isolierendes Material ist als Gitter über die Oberfläche aufgebracht; und eine zweite Elektrode ist ausgebildet, indem ein leitfähiges Material, wie etwa eine leitfähige Farbe, über dem isolierenden Material aufgebracht ist, dieses jedoch nicht Oberfläche berührt. Der Oberflächenbereich der zweiten Elektrode sollte im Vergleich zur Gesamtoberfläche, die durch das System geschützt ist, klein sein. Beispielsweise sollte der geschützte Oberflächenbereich (d.h. die Fläche die "eisfrei" sein sollte) wenigstens etwa zehnmal größer sein als der Oberflächenbereich der zweiten Elektrode.
Ein oder mehrere Drähte verbinden die zweite Elektrode mit der Stromquelle; während ein oder mehrere Drähte die erste Elektrode mit der Stromquelle verbinden. Eis, das sich auf der Oberfläche und der zweiten leitfähigen Gitterelektrode bildet, vervollständigt die Schaltung. Eine Spannung wird anschließend selektiv an die Schaltung angelegt und modifiziert steuerbar das Eis-Haftvermögen des Eises an der Oberfläche.
Ein Spannungsregel-Teilsystem ist mit der Schaltung vorzugsweise so verbunden, dass es die Spannung, die über die Grenzfläche anliegt, justierbar steuert, um so eine Steuerung des Eis-Haftvermögens zu erreichen. Beispielsweise kann Eis, das aus unterschiedlichen Ionenkonzentrationen besteht, die optimale Spannung modifizieren, für die das Eis-Haftvermögen minimal ist; wobei das Spannungsregel-Teilsystem dadurch einen Mechanismus bereitstellt, durch den das Minimum selektiv geändert werden kann.
Andere Teilsysteme sind vorzugsweise mit der Schaltung verbunden, um andere Funktionen bereitzustellen, wie etwa zu erfassen, ob Wasser oder Eis die Schaltung vervollständigt. Bei einem Aspekt ist die Stromquelle eine Gleichstromquelle (z.B. eine Batterie), die der Schaltung Spannung zuführt und die mit den Abtauelektroden verbunden ist. In einem weiteren Aspekt ist ein Gleichstrommesser mit der Schaltung verbunden, um die Gleichstrom-Leitfähigkeit des Eises zu messen (d.h. die Halbleiterschicht, die die beiden Elektroden "kurzschließt", wenn sie auf der Oberfläche und einem beliebigen Teil der zweiten Gitterelektrode ausgebildet ist). In einem weiteren Aspekt ist eine Wechselstromquelle mit der Schaltung verbunden, um selektiv Wechselspannungen zwischen etwa 10 kHz und 100 kHz zu erzeugen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Wechselstrommesser ebenfalls mit der Schaltung verbunden, um die Wechselstrom-Leitfähigkeit des Eises bei Frequenzen zu messen, die im Bereich von 10 bis 100 kHz liegen. Bei einem weiteren Aspekt vergleicht ein Stromkomparator die Wechselstrom- und die Gleichstromleitfähigkeit.
Diese Aspekte geben somit eine Schaltung an, die beispielsweise unterscheiden kann, ob die Halbleiterschicht, die auf der Oberfläche ausgebildet ist, Eis, das gefährlich sein kann, oder Oberflächenwasser ist. Die Wechselstrom-Leitfähigkeit (im oben erwähnten Bereich) und die Gleichstrom-Leitfähigkeit von Wasser sind im wesentlichen gleich. Im Bezug auf Eis unterscheiden sich jedoch die Wechselstrom-Leitfähigkeit und die Gleichstrom-Leitfähigkeit um zwei oder drei Größenordnungen. Dieser Unterschied der Leitfähigkeit wird durch die entsprechenden Messer gemessen und im Stromkomparator verglichen. Wenn der Unterschied der Leitfähigkeit größer als ein vorbestimmter Einstellpunkt ist, signalisiert der Stromkomparator einen Vereisungsalarm. An diesem Punkt können die Spannungsregel-Teilsysteme beispielsweise so arbeiten, dass sie eine Gleichstrom-Vorspannung an die Schaltung – und somit an die Grenzfläche – mit einer geeigneten Feldstärke anlegen, die in ausreichendem Maße das Eis-Haftvermögen verringert. Wenn Eis auf einer Flugzeugtragfläche erfasst wird, initiiert gemäß einem Aspekt der Erfindung die Vereisungs-Warneinrichtung eine Rückkopplungsschleife innerhalb des Systems, die (a) Leitfähigkeiten des Eises misst, (b) geeignete Vorspannungen bestimmt, um minimale (oder beinahe minimale) Eis-Haftzustände zu erreichen, und (c) eine Vorspannung an die vereiste Tragflächen-Grenzfläche anlegt, um das Entfernen des Eises zu erleichtern.
Der Fachmann wird verstehen, dass das oben beschriebene System auf zahlreiche Oberflächen angewendet werden kann, bei denen es erwünscht ist, das Eis- Haftvermögen zu verringern, wie etwa auf Autowindschutzscheiben, Schiffskörper und Stromleitungen. Wenn in derartigen Fällen das Oberflächenmaterial schwach leitfähig ist, ist es wünschenswert das Oberflächenmaterial derart zu "dotieren", dass es ausreichend leitfähig ist. Dotiertechniken sind den Fachleuten bekannt. Autoreifen können beispielsweise mit Jod dotiert werden, um das Gummi leitfähig zu machen. Autoglas kann in ähnlicher Weise entweder mit ITO oder fluoriddotiertem SnO₂ dotiert werden, um die Windschutzscheibe zu einem geeigneten Halbleiter zu machen.
Bei einem weiteren Aspekt sind das oben beschriebene System und die Schaltung jedoch auch auf Situationen anwendbar, bei denen es gewünscht ist, das Eis-Haftvermögen zu erhöhen. Wenn bei diesem Aspekt die Vereisungs-Warneinrichtung beispielsweise Eis erfasst, aktiviert das System die Rückkopplungsschleife, um die an der Grenzfläche angelegten Gleichspannungen so zu regeln, dass das Eis-Haftvermögen erhöht wird. Situationen und Oberflächen, die aus diesem System Vorteile erlangen können, beinhalten beispielsweise die Unterseite der Sohle eines Schuhs (oder Schuhen) einer Person und Autoreifen auf vereisten Straßen.
Bei einem weiteren Aspekt kann die Erfindung ein variables Eis-Haft-/Spannungs-Steuersystem beinhalten, das selektiv das Eis-Haftvermögen zwischen dem Eis und der Oberfläche erhöht und anschließend verringert. Beispielsweise weisen Langlaufschier (oder Telemarkschier) im Idealfall eine höhere Reibung beim Anstieg (oder in bestimmten Situationen beim Abstieg) auf und haben eine geringere Reibung wenn mit den Schiern abgefahren wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind das Eis-Haftsystem und die Schaltung, die hier beschrieben sind, in einer Schaltung in den Schiern angebracht, wobei die Bedienperson die Schireibung selektiv justierbar steuern kann.
Anderer geeigneter Hintergrund der Erfindung findet sich unter Bezugnahme auf die folgenden Druckschriften, die hier jeweils durch Bezugnahme enthalten sind: Petrenko, The Effect of Static Fields on Ice Friction, J. Appl. Phys. 76(2), 1216-1219 (1994); Petrenko, Generation of Electric Fields by Ice and Snow Friction, J. Appl. Phys. 77(9), 4518-4521 (1995); Khustadinov et al., Electrical Properies of the Ice/Solid Interface, J. Phys. Chem. B, 101, 6212-6214 (1997); Petrenko, Study of the Surface of Ice, Ice/Solid and Ice/Liquid Interfaces with Scanning Force Microscopy, J. Phys. Chem. B, 101, 6276-6281 (1997); Petrenko et al., Surface States of Charge Carriers and Electrical Properties of the Surface Layer of Ice, J. Phys. Chem. B, 101, 6285-6289 (1997); und Ryzhkin et al., Physical Mechanisms Responsible for Ice Adhesion, J. Phys. Chem. B, 101, 6267-6270 (1997).
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, wobei deutlich werden wird, dass unterschiedliche Hinzufügungen und Weglassungen sowie Modifikationen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein umfangreicheres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erlangt werden.
1A–1C zeigen Auswirkungen der Gleichstromvorspannung auf die Eis-Haftung an einem flüssigen Metall (Quecksilber), wobei kleinere Kontaktwinkel Θ ein stärkeres Haften kennzeichnen;
2 zeigt schematisch ein Eis-Manometer, das bei Messungen der Energie an der Eis-Quecksilber-Grenzfläche verwendet wird, wie es in 1A–1C gezeigt ist;
3 zeigt graphisch Versuchsergebnisse der Gleichstromvorspannung gegenüber der Energie an der Eis-Hg-Grenzfläche für Eis, das mit 0,5% NaCl dotiert ist, T = –10°C;
4 zeigt, wie die Erzeugung von Gasblasen an der Eis/Metall-Grenzfläche als Grenzflächenriss fungiert, um die Grenzflächenfestigkeit zu verringern;
5 zeigt ein System das aufgebaut ist, um die Eis-Haftung an einem generischen Leiter- (oder Halbleiter-) Material zu modifizieren;
6 zeigt eine Querschnittsansicht (nicht maßstäblich) des Systems von 5;
7 zeigt ein System zur Verringerung des Eis-Haftvermögens von Eis, das sich auf einer Flugzeigtragfläche bildet;
8 zeigt ein System zum Entfernen von Eis und Schnee von Stromleitungen durch Aufbringen einer Beschichtung auf der Stromleitung;
9 zeigt das Aufbringen einer ferroelektrischen Beschichtung auf einer nicht aktiven Oberfläche, um von dieser das Eis zu entfernen;
10 zeigt eine poröse Schicht, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, um so Ionen in das Eis freizugeben und eine Verringerung der Eis-Haftung zu ermöglichen;
11 zeigt zusätzliche Details einer Stromleitung; und
12 zeigt eine dicht gepackte einschichtige Moleküllage, die aufgebaut ist, um die Verringerung der Eis-Haftung an Oberflächen zu ermöglichen.
Die Erfindung beschäftigt sich nur mit der Modifizierung der Eis-Haftung durch Überziehen einer Oberfläche mit einer porösen Schicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung umfasst ein Verfahren und ein System, die das Eis-Haftvermögen an Materialien, wie etwa Metallen und Halbleitern, durch das Anlegen einer Gleichstromvorspannung an die Grenzfläche zwischen dem Eis und den Materialien modifizieren. Der Erfindung kann somit benutzt werden, um die Haftung von Eis auf derartigen Materialien zu verringern und in einigen Fällen zu beseitigen.
Versuche und theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass Eisoberflächen hochdichte elektrische Ladungen von 10^–2 C/m² bis 3·10^–2 C/m² aufweisen. Siehe Petrenko et al., Generation of Electric Fields in Ice ans Snow Friction, J. Appl. Phys., 77(9):4518-21 (1995); Petrenko, A Study of the Surface of Ice, Ice/Solid and Ice/Liquid Interfaces with Scanning Force Microscopy, J. Phys. Chem. B. 101,6276 (1997); und Dosch et al., Surface Science 366, 43 (1996), die jeweils hiermit durch Bezugnahme enthalten sind. Diese Ladungsdichte hat ihren Ursprung in der starken Polarisation von Wassermolekülen in der Eis-Unteroberflächenschicht.
Die Interaktion zwischen den Eisoberflächenladungen und der Ladung, die in einem Festkörper induziert wird, beeinflusst die Festigkeit einer Eis-Festkörper-Grenzschicht. Durch Schätzung ist die elektrostatische Anziehung (negativer Druck P_el) von zwei Flächen-Oberflächenladungen gegeben durch:
wobei ε₀ die dielektrische Leitfähigkeit des Vakuums und E die elektrische Feldstärke im Zwischenraum zwischen den Ladungen ist. Da die Ladungsverteilung das Kontaktpotential V_c der beiden Materialien bestimmt, können wir E als V_c/L schätzen, wobei L der Abstand zwischen den Flächenladungen ist, die sich im Eis und im Festkörper befinden. V_c für die Eis-Metall-Grenzschichten schwankt zwischen einigen V/10 und etwa 1V. Siehe Buser et al., Charge Separation by Collision of Ice Particles on Metals: Electronic Surface States, Journal of Glaciology, 21(85): 547-57 (1978), die hiermit durch Bezugnahme enthalten ist.
Nimmt man L ≈ 1 nm (die Hauptabschirmlänge bei den obigen Darstellungen des dotierten Eises), ε = 3,2 (die hochfrequente dielektrische Leitfähigkeit von Eis) und V_c = 0,5 V (die typische Größe eines Kontaktpotentials), zeigt Gleichung (1), dass P_el ≈ 3,3 Mpa ist, eine Größe, die mit der makroskopischen Zugfestigkeit von Eis bei 1,5 MPa vergleichbar ist, diese jedoch überschreitet. Siehe Schulson et al., A Brittle to Ductile Transition in Ice Under Tension, Phil. Mag., 49, 353-63 (1984), die hiermit durch Bezugnahme enthalten ist.
Aufwendigere Berechnungen der elektrostatischen Interaktionsenegie zwischen Eis-Oberflächenladungen und Metallen sind im folgenden dargestellt, wobei reale Raumladungsverteilungs- und Ladungsrelaxations-Berechnungen Anwendung finden. Insbesondere ist im folgenden dargestellt, dass diese Interaktionsenergie 0,01 bis 0,5 J/m² bei –10°C beträgt. Die Untergrenze von 0,01 J/m² entspricht reinem Eis, während der obere Wert 0,5 J/m² einer starken Dotierung entspricht. Diese Werte sind mit anderen Versuchsergebnissen vergleichbar, die im folgenden beschrieben sind und bei denen die Rasterkraftmikroskopie ("SFM") Verwendung findet. Die SFM-Ergebnisse bestimmten eine elektrostatische Interaktionsenergie von 0,0810,012 J/m² und Versuche an Eis/Quecksilber-Grenzschichten ergaben 0,150 +/– 0,015 J/m² für diesen elektrostatischen Teil der Eis/Metall-Haftung.
Da die elektrostatischen Interaktionen zu den Eis-Haftungen beitragen, wird das Haftvermögen zwischen Eis und einem leitfähigen Material (z.B. Metall oder einem Halbleiter) durch eine externe Gleichstromvorspannung geändert, die über die Eis-Material-Grenzfläche angelegt wird.
Um die Auswirkung der Gleichstromvorspannung auf die Eis-Haftung zu bestimmen, wurde die Grenzschicht als Flüssigkeits-Festkörper-Grenzschicht anstelle einer Festkörper-Festkörper-Grenzschicht modellhaft ausgebildet. Tatsächlich wird die Grenzschicht-Energie, die die Haftung bestimmt, zuverlässig in einem Kontaktwinkelversuch gemessen, wenn ein Material eine Flüssigkeit und das andere ein Festkörper ist, wie bei einer Wasser-Metall-Situation. Eine ähnliche Technik wird somit bei einer Eis-Metall-Grenzschicht verwendet, sofern sich das Metall in der flüssigen Phase befindet. Quecksilber beispielsweise, mit seinem Schmelzpunkt bei –38,83°C, seiner geringen chemischen Aktivität und einfachen Art der Bereitstellung einer sauberen Oberfläche eignet sich besonders dazu, das Modell zu bestätigen, wobei die Auswirkungen geringer Gleichstromvorspannungen auf die Haftung von Eis an Quecksilber in 1A–1C gezeigt sind.
1A zeigt eine anfängliche Haftung von Quecksilber 18 an Eis 20, wobei das Haftvermögen durch Θ₀ ausgedrückt ist. Demzufolge steht Θ₀ für das Haftvermögen ohne angelegte Spannung (d.h. V = 0). 1B zeigt andererseits das resultierende Haftvermögen Θ₁, das bei Anlegen von –1,75 V auftritt, die von einer Gleichstromspannungsquelle 22 zugeführt wird. Die Quelle 22 kann beispielsweise eine Batterie oder eine andere Spannungsquelle sein, die nach dem Stand der Technik bekannt ist. Eine Verdrahtung 24 verbindet die Quelle 22 mit dem Quecksilber 18 und mit dem Eis 20, um die Schaltung zu vervollständigen. 1C zeigt ein weiteres Haftvermögen Θ₂, das aus einer angelegten Spannung von –5 V resultiert, die von der Quelle 22 zugeführt wird. Es ist bemerkenswert, dass Θ₂ < Θ₀ Θ₁ ist, obwohl die angelegte Spannung zwischen 0 V (1A), –1,75 V (1B) und –5 V (1C) schwankt, wodurch sich eine deutliche Änderung des Haftvermögens durch einen kleinen Bereich von negativen Spannungsunterschieden ausdrückt. Das Haftvermögen Θ₁ weist eine relativ "schwache" Haftung im Vergleich zu Θ₂ oder selbst Θ₀ auf. Das Haftvermögen Θ₂ andererseits, ist im Vergleich zu Θ₁ und Θ₀ relativ "stark".
Um die Oberflächenspannung der Eis-Quecksilber-Grenzschicht 16 von 1 zu messen, wurde ein Eismanometer 26 (das schematisch in 2 dargestellt ist) verwendet. Die Gleichstromquelle 22' wurde anstelle der Quelle 22 von 1 verwendet. Ein Gleichstrommesser 28 befand sich in der Monometerschaltung 26, um den Stromfluss zu messen. Die Quelle 22' ist in einer Schaltung mit dem Quecksilber 18' und einer Gewebelektrode 30 verbunden, die mit dem Eis 20' verbunden ist. Demzufolge ist die Schaltung 26 durch den Stromfluss durch das Quecksilber 18' und das Eis 20' vervollständigt. Das Quecksilber 18' steht in Fluidverbindung mit dem Eis 20' durch eine kleine Kapillare 32 eines gewählten Durchmessers. Ändert sich die Gleichstromvorspannung, ändert sich die Eis-Haftung zwischen dem Quecksilber 18' und dem Eis 20', wobei Kräfte infolge der Schwerkraft die Höhe "h" des Quecksilbers 18' innerhalb des Eises 20' (d.h. innerhalb der Kapillare 32, die sich aufwärts in das Eis 20' erstreckt) einstellen.
Insbesondere ist die Gleichgewichtsposition h des Quecksilbers 18' in der Kapillare 32: h ≅ 2·(Wi/a – Wi/Hg)/grρ (2)wobei g die Erdbeschleunigung, r der Kapillarenradius, ρ die Dichte von Quecksilber, W_i/a die Oberflächenenergie der Eis-Luft-Grenzschicht und W_i/Hg die Oberflächenenergie der Eis-Hg-Grenzschicht ist. Wird h gemessen, wird Gleichung (2) verwendet, um W_i/Hg und dadurch das Haftvermögen von Eis am flüssigen Metall (Quecksilber) zu berechnen. In 2 war der Kapillarenradius r 0,25 oder 05 mm während des Versuches.
Zusätzliche Versuche, wie etwa innerhalb der Konfigurationen von 1 und 2 beinhalten 99,9998% reines Electronic-Grade-Quecksilber und polykristalline Eise, die gezüchtet wurden aus: sehr reinem entionisiertem Wasser; destilliertem Wasser; unbehandeltem Leitungswasser und entionisiertem Wasser, das mit geringen Konzentrationen von NaCl oder KOH oder HF dotiert ist. Die Versuche wurden in einem kalten Raum bei einer Temperatur im Bereich von –20°C bis –5°C ausgeführt (die meisten Versuche wurden bei –10°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 89-91 % durchgeführt). Bei dotierten Eisen wurde festgestellt, dass die Gleichstromvorspannung eine starke Auswirkung auf die Eis-Quecksilber-Grenzflächenenergie hatte. Die Größe und das Vorzeichen der Energieänderung Δ(W_i/a – W_i/Hg) hängt von der Vorspannungspolarität und -größe sowie dem Typ und der Konzentration des Dotiermittels ab. 3 zeigt beispielsweise Δ(W_i/a – W_i/Hg) gegenüber der Vorspannung V an, gemessen bei T = –10°C für Eis, das mit 0,5% NaCl dotiert war. Wie gezeigt, kann die Vorspannung die Haftung des Eises am Quecksilber verringern oder erhöhen: bei etwa –1,75 V wurde ein minimales Haftvermögen erreicht, während das Haftvermögen von –2 V bis –6 V zunahm. Die Auswirkung auf die Grenzschichtenergie zeigt sich deutlicher bei NaCl-Konzentrationen über 0,05%.
Bei geringeren Konzentrationen von NaCl, oder bei Eis, das aus Leitungswasser gezüchtet wurde, schwankte das Haftvermögen sehr gering und war kaum reproduzierbar, wenn eine geringe Gleichstromvorspannung angelegt wurde. Bei Eis, das mit 0,5% NaCl dotiert war, bewegte sich das Quecksilber andererseits unverzüglich, nachdem die Vorspannung angelegt worden war, wobei der Effekt vollständig reversibel war, d.h. W_i/Hg wurde wiederhergestellt, nachdem die Vorspannung abgeschaltet worden war. Diese Ergebnisse sind reproduzierbar und einfach zu beobachten. Die maximale Änderung bei h war 12 mm für einen Kapillarenradius von r = 0,25 mm.
Messungen der Strom-Spannungs-Eigenschaften zeigen zudem, dass es die Spannung und nicht der Strom ist, die die Änderungen des oben beschriebenen Haftvermögens verursacht. Typische Versuche bewirkten beispielsweise Stromstärken des Zehnfachen von μA, wobei die geschätzte Rate der Temperaturänderung ge ringer als 10^–6°C/s war. Bei Eis, das mit KOH, oder NF dotiert war, bewirkte das Anlegen einer Gleichstromvorspannung eine beinahe symmetrische Abnahme bei W_i/Hg, was in der Größe mit dem vergleichbar war, was man bei NaCl-dotiertem Eis feststellte. Das Anlegen einer Wechselstromspannung mit einer Amplitude von bis zu 40 V und im Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz erzeugte keine bemerkbaren Veränderungen bei W_i/Hg. Bei reinem entionsierten oder destillierten Wasser erzeugte das Anlegen einer Gleichstromspannung von bis zu 40 V ebenfalls keine feststellbaren Veränderungen bei W_i/Hg. Es werden somit 1 kV bis 3 kV benötigt, um die Haftung von sehr reinem Eis an Metall zu verändern. Unterschiedliche Reaktionen von reinem und dotiertem Eis auf eine Gleichstromspannung sind auf ihre Unterschiede bei der Abschirmlänge und der elektrischen Relaxationszeit zurückzuführen.
Der obige Versuche bestätigt die wichtige Rolle, die von elektrischen Doppelschichten auf Eis-Metall-Grenzschichten bei der Eis-Haftung gespielt wird. Wenngleich die absolute Größe von W_i/Hg für den Fall von festem Quecksilber geringfügig anders sein kann, sind die elektrostatischen Interaktionen in beiden Fällen (für flüssiges Hg und festes Hg) im wesentlichen dieselben. Es hat sich durch Versuche zudem gezeigt, dass die Eis-Haftung an Metall wirkungsvoll modifiziert wird, indem eine geringe Potentialdifferenz zwischen Eis und Metall angelegt wird. Schwankungen des Haftvermögens treten zudem bei einer Gleichstromvorspannung auf, die an Eis, das unterschiedliche Verunreinigungen enthält, an unterschiedliche feste Metalle und bei unterschiedlichen Temperaturen angelegt wird.
Der Erfinder hat zudem ein elektrostatisches Modell der Eis-Haftung auf der Basis der Existenz der Oberflächenzustände von protonischen Ladungsträgern auf der Oberfläche von Eis untersucht. Bei Abständen, die größer sind als ein intermolekularer Abstand, ergibt das Modell eine Größenordnung für die Haftenergie an, die deutlich größer ist als die chemische Bindungsenergie wie auch die Van-der-Waals-Kräfte. Es liefert zudem eine Erklärung der zeit- und temperaturabhängigen Phänomene, die den Unterschied zwischen Hafteigenschaften von Eis und Wasser, die physikalischen Mechanismen der Bindung zwischen Eis und anderen Festkör pern sowie die Natur und die Stärke der Molekularbindung zwischen Eis und unterschiedlichen Festkörpern erläutert.
Es ist angebracht, die Bindungsmechanismen in eine von drei Gruppen zu unterteilen: einen kovalenten oder chemischen Bindungsmechanismus, eine Dispersion oder Fluktuation der elektromagnetischen Interaktion (Van-der-Waals-Kräfte) oder eine direkte elektrostatische Interaktion. Siehe z.B. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, 2nd ed., Academic Press: London, Ch. 2 (1991), das hier durch Bezugnahme enthalten ist. Der erste Mechanismus entspricht chemischen Reaktionen und der Bildung von Grenzschichtverbindungen. Bei der kovalenten oder chemischen Verbindung resultiert die Haftenergie aus dem Absinken der quantenmechanischen Energie des Systems infolge der Überlappung der Wellenfunktionen der interagierenden Festkörper. Eine derartige Interaktion ist lediglich bei einem Abstand in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 nm wesentlich. Darüber hinaus ist dieser Typ der Haftung sehr empfindlich für die chemische Beschaffenheit von haftenden Festköropern. Bei einer perfekten Berührung kann der chemische Bindungsmechanismus eine Haftenergie von ≤ 0,5 J/m² erzeugen, einen Wert, der als der geringste Wert der Haftenergie für den chemischen Bindungsmechanismus erachtet wird.
Im Gegensatz zur chemischen Bindung sind Van-der-Waals-Kräfte weitreichend und wirken zwischen sämtlichen Substanzen. Diese Kräfte sind lediglich durch die makroskopischen Eigenschaften eines Festkörpers (dielektrische Funktion bei unterschiedlichen Frequenzen) definiert und sind aus diesem Grund gegen Versuchsbedingungen relativ unempfindlich. Siehe z.B. Mahanty et al., Dispersion Forces, Academic Press, London, Chapter 9 (1976); Barash et al., The Dielectric Function of Condensed Systems, Eds. Keldysh, et al., Elsiever Science, Amsterdam, Chapter 9 (1989), die jeweils durch Bezugnahme enthalten sind.
Zusätzlich zu den chemischen Verbindungs- und Dispersionskräften erzeugen zwei Festkörper, die nicht kompensierte oder räumlich getrennte Ladungen enthalten, ebenfalls elektrostatische Kräfte. Deren Wichtigkeit und Wichtigkeit für die Haftung wurden kürzlich neu entdeckt. Siehe Stoneham et al., J. Phys. C: Solid State Phy sics, 18, L543 (1985); und Hays, Fundamentals of Adhesion, Ed. Lee, Plenum Press, New York, Chapter 8 (1991), die jeweils durch Bezugnahme enthalten sind.
Modell der Haffeigenschaften von Eis
Als nächstes wird ein Modell entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche von Eis zu beschreiben. Das Modell macht eine Verbindung zwischen der Eis-Haftung und anderen Eigenschaften von Eis deutlich. Das Modell wird mit Van-der-Waals-Kräften, dem chemischen Bindungsmechanismus und mit Versuchsergebnissen verglichen.
Die Hauptfolgerung des Modells, das unten beschrieben ist, besteht darin, dass die elektrostatische Interaktion eine bedeutende Rolle, wenn nicht, die Hauptrolle bei der Eis-Haftung spielt. Ein wichtiger Parameter bei diesem Modell besteht in der Ordnung von Wassermolekülen, die benachbart zur Eis-Festkörper-Grenzschicht sind, oder mit anderen Worten im Auftreten der Oberflächenzustände für protonische Ladungsträger. Dadurch wird das Problem auf eines der Simulation des Wassermolekülverhaltens an der Festkörperoberfläche reduziert. Die folgende Beschreibung geht jedoch davon aus, dass es Oberflächenzustände gibt, die von protonischen Punktdefekten besetzt werden. Die Besetzung dieser Oberflächenzustände ist durch die Wechselwirkung der Coulomb-Energie gefangener Ladungsträger und der Energietiefe der Oberflächenzustände definiert. Dann wird entweder der Besetzungskoeffizient eines Oberflächenzustandes (in Fall eines Nicht-Gleichgewichtes) oder die Energietiefe des Oberflächenzustandes als Parameter herangezogen.
Eis enthält polare Wassermoleküle, die stark mit einem Festkörpersubstrat interagieren, das eine dielektrische Leitfähigkeit aufweist, die sich von der von Eis unterscheidet. Darüber hinaus gibt es theoretischen und experimentellen Beweis für die Existenz einer Oberflächenladung in Eis. Diese Oberflächenladung kann zudem mit dem Substrat interagieren. Hier gehen wir davon aus, dass die Oberflächenladung aus der Erfassung protonischer Ladungsträger durch die Eisoberfläche ent steht. Die erfassten Defekte sind mutmaßlich D-Defekte, H₃O⁺-Ionen oder Protonen. Positive Ionen sind kleiner als negative Ionen, da sie über weniger Elektronen verfügen oder überhaupt keine aufweisen, und existieren als Protonen. Somit können wir die Bildladungstheorie für geringere Abstände verwenden, wobei die potentielle Energie der Ladung und ihres Bildes geringer sein kann als die Ladungsenergie innerhalb des Eises. Bei negativen Ionen einer größeren Größe ist es schwieriger, dies zu erreichen. Bei einem thermischen Gleichgewicht ist die Besetzung dieser Oberflächenzustände nicht perfekt, da der Energiegewinn infolge der gefangenen Ladungsträger durch den Anstieg der elektrostatischen Energie kompensiert wird. Die elektrostatische Energie an sich kann jedoch deutlich durch eine Ladungsneuverteilung innerhalb des Substrates (durch induzierte Ladungen) verringert werden. Dies kann zu einer perfekten Besetzung der Oberflächenzustände und zu einer relativ hohen Haftenergie (nahe der elektrostatischen Energie) führen.
Die räumliche Verteilung der Ladungsträger in der Unteroberflächenschicht von Eis ist unten beschrieben. Das erste Integral der Poisson-Gleichung kann wie folgt geschrieben werden:
wobei E und V die elektrische Feldstärke bzw. das elektrostatische Potential sind (beides sind Funktionen der Raumkoordinate z); σ = e_B·λ·N die effektive Ladung der Bjerrum-Deffekte ist; N die Konzentration des Wassermoleküle; λ die Abschirmlänge ist, die durch
gegeben ist; ε und ε₀ die dielektrischen Leitfähigkeiten von Eis (≈ 3,2) bzw. eines Vakuums sind und k sowie T die Boltzmann-Konstante bzw. die Temperatur sind. Die Funktion f(V) ist durch die folgenden Gleichungen definiert:
Hier nutzen wird die Bjerrum-Defekte als Ladungsträger, die in den Oberflächenzuständen gefangen werden. Die Gleichung (3) gilt an einem beliebigen Punkt des Eiskristalls. Durch Anwenden derselben auf die Eisoberfläche erhalten wir die Beziehung zwischen der Oberflächenladungsdichte σ_s und dem Oberflächenpotential V_s:σ_S = σ₀f(V_s).
Mit Hilfe der Gleichungen (3) bis (6) können wir nun den elektrostatischen Beitrag zur Haftenergie von Eis berechnen. Zunähst wird die elektrostatische Energie der Abschirmschicht von Eis als Funktion des Oberflächenpotentials berechnet, da sie die Obergrenze für die Haftenergie vorgibt. Unter Verwendung der Definition der elektrostatischen Energie und Gleichung (3) erhalten wir:
Nun sei eine Metallplatte in einem Abstand d von einer Eisoberfläche betrachtet. Die nicht gleichmäßige Ladungsverteilung im Eis induziert eine Oberflächenladung auf dem Metall und somit ein elektrisches Feld zwischen dem Eis und der Metallplatte. Die gesamte elektrostatische Energie des Systems pro Einheitsfläche kann in folgender Form geschrieben werden:
V in Gleichung (8) ist jedoch das Oberflächenpotential von Eis, das aus der Minimierung der Energie für jeden Wert des Abstandes d ermittelt werden muss. Die Oberflächenladungsdichte kann als konstant betrachtet werden, was wohl einer nicht im Gleichgewicht befindlichen Besetzung der Oberflächenzustände entspricht. Durch Ausführen eines Minimierungsvorgangs für W_e(d,V) gelangen wir zur Haftenergie pro Einheitsfläche als eine Funktion von d: Wa(d) = Wmin(d) – Wmin(∞) (9)
Unter Gleichgewichtsbedingungen nimmt die Oberflächenladungsdichte des Eises mit einer Abnahme des Abstands d infolge der Abschirmung der Eisoberflächenladung durch eine induzierte Ladung auf der Metallplatte zu. Tatsächlich nimmt in diesem Fall die Coulomb-Energie der gefangenen Ladungskörper ab, so dass eine höhere Besetzung möglich wird. Bei der Berücksichtigung dieses Falles muss man zunächst die elektrostatische Energie, den Energiegewinn infolge der Besetzung der Oberflächenzustände und den Entropiebeitrag der Oberflächendefekte addieren:
Hier ist E₀ die Energie der Oberflächenzustände (vorausgesetzt E₀ = –0,5 eV), σ_m e/S und S der Oberflächenbereich eines Wassermoleküls. Die freie Energie F wird anschließend über V und σ minimiert. Dieser Vorgang setzt zudem voraus, dass das chemische Potential der Eismasse konstant bleibt und gleich null ist. Durch das Vorgehen in dieser Weise für jeden Wert von d gelangen wir zur sich im Gleichgewicht befindlichen freien Energie als eine Funktion des Abstandes oder zur Gleichgewichts-Haftenergie.
Ein ähnlicher Vorgang versetzt uns in die Lage, die Gleichgewichts-Besetzung des Oberflächenzustandes oder das Oberflächenpotential von Eis als eine Funktion der Energie von Oberflächenzuständen E₀ oder der Temperatur festzustellen. Es sei angenommen, dass die Metallplatte unendlich weit von der Eisoberfläche entfernt ist. Um dann das erste positive Element in Gleichung (8) zu minimieren, wird angenommen, dass σ = σ₀ f(V) ist. F wird dann zu einer Funktion lediglich eines Parame ters, entweder V oder σ. Es ist etwas einfacher, die abschließende Minimierung über V durchzuführen, wobei die Ergebnisse jedoch als eine Funktion von σ neu berechnet werden können.
Typische Werte der Haftenergie befinden sich zwischen 1,3 J/m² und 0,08 J/m², abhängig vom Typ der Ladungsträger und der Energie ihrer Oberflächenzustände. Diese Größe ist vergleichbar mit oder sogar höher als die experimentell gemessene Haftenergie der Eis-Metall-Grenzflächen bei –20°C. Tatsächlich ist die Haftenergie so groß wie der chemische Bindungsmechanismus, wobei jedoch im Gegensatz zum letztgenannten der elektrostatische Mechanismus bis zu einem größeren Abstand (etwa 10·r₀₀; r₀₀ = 0,276 nm) signifikant bleibt. Somit ist bei Abständen von mehr als r₀₀ der elektrostatische Mechanismus deutlich wichtiger als der chemische Bindungsmechanismus. Demzufolge überschreitet bei Abständen, die größer als r₀₀ sind, die elektrostatische Energie jene der Van-der-Waals-Kräfte, sofern die Hamaker-Konstante gleich 3·10^–20 J ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die letzte Schätzung eine Eis-Eis- (oder Wasser-Wasser-) Grenzschicht betrifft, nicht jedoch eine Eis-Metall-Grenzschicht. Die Van-der-Waals-Interaktion zwischen Eis und Metall, die ebenfalls weitereichend ist, kann ebenso berücksichtigt werden.
Die Haftenergie ist somit gleich 0,01 J/m², auch bei z ≈ 90·r₀₀ für die Maximaldichte der Oberflächenladung, wodurch die weitreichende Eigenschaft gekennzeichnet ist. Die Haftenergie für einen Nicht-Gleichgewicht-Löse-Versuch sollte größer sein als die für einen Anbringungs-Versuch. Letztgenannter kann durch eine effiziente Abschirmung der elektrostatischen Energie durch eine Metallplatte erklärt werden, wenn sich Eis und Metall berühren. Das Verhalten der Haftenergie mit Abstand bei Gleichgewichts-Versuchen ist somit einfach verständlich. Bei geringen Abständen schirmt eine Metallplatte die elektrostatische Energie ab, wobei es eine hohe Haftenergie gibt, da die Besetzung der Oberflächenzustände hoch ist. Wenn jedoch der Abstand zunimmt, nimmt ebenfalls die elektrostatische Energie zu, was zu niedrigeren Besetzungskoeffizienten und einer geringeren Oberflächenladungsdichte führt. Diese Kurven sind äquivalent zu dem schnelleren Abfall freier Energie bei Abstand als für den Fall konstanter Besetzung.
Das Verhalten des Besetzungskoeffizienten (für das Modell der Oberflächenzustände für D-Defekte) als eine Funktion der Oberflächenzustandsenergie E_S wird ebenfalls berücksichtigt. Der Besetzungskoeffizient ist beinahe null, wenn E_S ≈ 0,1 eV ist. Ein Grund, warum die Ladungsträger in den Oberflächenzuständen mit positiver Energie gefangen werden, hat mit dem Entropiegewinn bei der freien Energie zu tun. Aus demselben Grund existieren Defekte in der Eismasse. Es wird darauf hingewiesen, dass für die Massen-D-Defekte die "Erzeugungsenergie" gleich 0,34 eV pro Defekt ist, wobei diese Energie deutlich größer als 0,1 eV ist. Schließlich führt dies zu einem "Besetzungs-Koeffizienten" für die Massenzustände im Bereich von 3·10^–7.
Zudem können zeitabhängige Phänomene mit der Eis-Haftung in Verbindung stehen und sind beim oben beschriebenen Modell inhärent. Um in den Oberflächenzustand einzutreten oder diesen zu verlassen, müssen die Defekte eine gewisse elektrostatische Barriere überwinden, wobei dies zu Nicht-Gleichgewichts-Situationen und zeitabhängigen Phänomenen führt.
Ein wichtiges Element dieses Modells ist die elektrostatische Anziehung zwischen den Eisoberflächenladungen und den Ladungen, die in Metallen induziert werden, ein Mechanismus, der auch auf eine Eis-Isolier-Grenzschicht anwendbar ist, mit Ausnahme des Größenunterschiedes der induzierten Ladungen. Eine Ladung q auf der Eisoberfläche induziert die "Bildladung" –q in einem Metall, während dieselbe Ladung q eine kleinere "Bildladung" q' im Isolator gemäß der folgenden Beziehung erzeugt:
wobei ε die dielektrische Leitfähigkeit des Isolators ist. Bei den meisten dielektrischen Festkörpern ist ε weitaus größer als eins, wobei die induzierten Ladungen mit Ladungen verglichen werden können, die in Metallen induziert werden. Ein kleineres ε führt zu einer kleineren elektrostatischen Haftung. Beispielsweise hat Teflon eine dielektrische Leitfähigkeit ε = 2,04 und ist für seine geringe Haftung an Eis bekannt.
Es ist hilfreich zu betrachten, warum Eis stärker haftend ist als Wasser. Infolge der höheren Konzentrationen von Ladungsträgern in Wasser ist die Abschirmung der Oberflächenladung in Wasser (sofern sie vorhanden ist) wirkungsvoller als in Eis (die entsprechende anfängliche elektrostatische Energie ist weitaus geringer als in Eis). Somit kann die Abschirmung des dielektrischen Feldes infolge des Substrates die Energie nicht wesentlich absenken. Es wird darauf hingewiesen, dass bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes von Eis eine dünne Flüssigkeitsschicht auf einer Eis-Festkörper-Grenzfläche auftreten kann. Siehe Dash et al., Rep. Prog. Phys. 58, 115 (1995), die hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Das Modell kann somit aktualisiert werden, um den Effekt des Oberflächen-Vorschmelzens bei Eis-Haftung zu beinhalten.
Das oben beschriebene elektrostatische Modell der Eis-Haftung zeigt eine Beziehung zwischen den elektrischen Eigenschaften der Eisoberfläche und der Eis-Haftung. Das Modell liefert eine korrekte Größenordnung für die Haftenergie. Die elektrostatische Interaktion zwischen Eis und Metallen führt Energie zu, die deutlich größer ist als die chemische Bindungsenergie und die Van-der-Waals-Kräfte bei Abständen, die größer sind als intermolekulare Abstände. Das Modell stellt zudem eine intuitive Art und Weise bereit, um die zeit- und temperaturabhängigen Phänomene zu verstehen, die bei der Erläuterung des Unterschiedes bei Hafteigenschaften von Eis und Wasser hilfreich sind.
Wie es in 4 gezeigt ist, spielen Blasen 67 eine Rolle bei der Entwicklung von Grenzschichtrissen, die auftreten, wenn die Grenzschicht (zwischen dem Eis 69 und dem Metall 71) aufgeladen wird, wodurch die maximale Grenzschichtfestigkeit verringert wird.
5 (und die Querschnittsansicht 6) zeigen ein System 100. Das System 100 verringert die Haftung von Eis 102, das sich auf der Oberfläche 104a eines Materials 104 bildet. Das System 100 bildet eine Schaltung, die das Material 104, ein leitfähi ges Gitter 106 (das die dargestellten Punkte "A"-"F" auf dem Gitter enthält) und eine Stromquelle 109 enthält. Das Gitter 106 ist über der Oberfläche 104a derart aufgehängt, dass es vom Material 104 elektrisch isoliert bleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Aufhängung des Gitters 106 über der Oberfläche 104a durch Verwendung eines Isoliergitters 108 eingerichtet, das zwischen dem Gitter 106 und der Oberfläche 104a angeordnet ist. 6 zeigt das Gitter 108 in größerem Detail. Die Querschnittsansicht von 6 ist nicht maßstäblich, um so die Beziehung des Isoliergitters 108 und des leitfähigen Gitters 106 zu zeigen. In der Realität kann die Dicke (in der Dimension von 6) der Gitter 106, 108 weitaus weniger als ein Zoll (sogar 0,010 bis 0,020 Zoll) betragen und als "Beschichtungen" angesehen werden. Beispielsweise kann das Gitter 108 aus einer dünnen Beschichtung einer elektrisch isolierenden Farbe bestehen, während das Gitter 106 aus einer dünnen Beschichtung einer elektrisch leitfähigen Farbe bestehen kann. Das Gitter 106 ist derart angeschlossen, dass es als einzelne Elektrode fungiert. Das Material 104 wird somit zur ersten Elektrode des Systems 100, und das Gitter 106 wird zur zweiten Elektrode in der Schaltung.
Die Gitter 106, 108 können auch über die Oberfläche 104a schmiegsam oder formbar sein, um so eine beliebige Form anzunehmen, wenngleich eine flache Oberfläche 104a dargestellt ist. Beispielsweise kann das Material eine Flugzeugtragfläche oder eine Autowindschutzscheibe sein, wobei die Gitter 106, 108 an die Struktur des Materials 104 anpassbar sein können.
Wenn sich Eis 102 auf der Oberfläche 104a bildet, ist die Schaltung des Systems 100 vervollständigt, da das Eis als Halbleiter arbeitet (wie es oben erläutert wurde). Wenn die Schaltung vervollständigt ist, führt die Stromversorgung 109 eine Gleichstromvorspannung der Grenzschicht zwischen dem Eis 102 und dem Material 104 zu. Die Vorspannung ist normalerweise geringer als einige wenige Volt, wodurch eine Batterie als Quelle 109 arbeiten kann.
Die Größe der Vorspannung hängt von der gewünschten Verwendung ab. Für den Fall einer Autowindschutzscheibe, ist die Vorspannung derart gewählt, dass sie zu einer minimalen (oder beinahe minimalen) Haftung führt, wodurch das Entfernen des Eises 102 vom Material 104 erleichtert wird.
Ein Spannungsregler-Teilsystem 112 ist zudem vorzugsweise in der Schaltung mit dem System 100 verbunden. Wie es im folgenden detaillierter beschrieben wird, arbeitet das Spannungsregler-Teilsystem 112 in Rückkopplung mit der Schaltung und der Quelle 109, um so die Gleichstromvorspannung in optimaler Weise zu verringern oder zu erhöhen. Beispielsweise kann das Teilsystem eine Schaltung und einen Mikroprozessor 112a enthalten, um Daten von der Schaltung zu messen und die Leitfähigkeit (und/oder Temperatur) des Eises 102 zu messen. Derartige Messungen werden wiederum vom Teilsystem 102 verwendet, um ein Signal zu erzeugen, das wirkungsvoll die Größe der Gleichstromvorspannung ändert, die an der Schaltung anliegt. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform die Stromquelle 109 von diesem Signal abhängig, um die richtige Spannung an der Eis-Material-Grenzschicht zu erzeugen. Der Wert der Gleichstromvorspannung kann im Speicher 112b innerhalb des Teilsystems 112 etwa durch eine Suchtabelle und auf der Basis von Versuchsdaten gespeichert werden. Eis mit einer Leitfähigkeit von "X" (gemessen vom Teilsystem vorzugsweise in Echtzeit), das mit einem Material 104 der Leitfähigkeit "Y" (a priori bekannt, da das System 100 mit dem Material 104 für eine bestimmte Anwendung installiert ist) in Kontakt steht, wird durch die Suchtabelle im Speicher 112b verwendet, um zu bestimmen, welche Spannung an die Eis-Material-Grenzschicht angelegt werden soll.
Die Gitterelektrode 106 ist vorzugsweise so beabstandet, dass (so gut wie möglich) sichergestellt ist, dass Eis 102, das sich auf der Oberfläche 104a bildet, wenigstens einen bestimmten Teil des Gitters 106 berühren wird. Unter Bezugnahme auf 5 kommt das Eis 102 beispielsweise mit zahlreichen Bereichen des Gitters 106, die die Punkte "C"-"E" beinhalten, in Berührung. Demzufolge ist das Schaltungssystem 100 vervollständigt, da das Eis 102 wenigstens einen Teil des Gitters mit Materialelektroden 106 bzw. 104 kurzschließt.
Die tatsächliche Größe des Abstandes zwischen den leitfähigen Bereichen des Gitters 106 – wie etwa der Bereich 114 von 5 – sollte für die spezielle Anwendung bemessen sein. Wenn beispielsweise die Oberfläche 104a die Oberfläche einer Flugzeugtragfläche ist, kann der Abstand relativ gering sein, um eine ausreichend Stromdichte durch ein gering leitfähiges atmosphärisches Eis bereitzustellen. Bei einem leitfähigeren Gewässer- oder Treibeis, kann der Bereich 114 größer sein, sofern dies erwünscht ist.
7 zeigt ein System 130. Eine Elektrode des Teilsystems 130 ist die Flugzeugtragfläche 132. Die Flugzeugtragfläche 132 ist mit Erde 134 elektrisch gekoppelt. Eine Gleichstromquelle 136 ist mit einem Gleichstrommesser 138 elektrisch verbunden. Der Gleichstrommesser 138 ist mit einem Induktor 140 elektrisch verbunden. Der Induktor 140 ist mit einer Leitung 141 mit einer leitfähigen Farbe 142 (oder einem tragflächenkonformen Äquivalent) verbunden, die auf der Isolierschicht 144 aufgebracht ist, die auf der Flugzeugtragfläche 132 befestigt ist.
Die Isolierschicht 144 und die Farbe 142 sind vorzugsweise in einem Gittermuster angeordnet, wie es in Verbindung mit 5 beschrieben ist. Die Spannung, die an der Tragfläche 132 in 7 anliegt, ist im allgemeinen auf zwischen 5 und 50 Volt eingestellt, mit einem entsprechenden Strom unter 1 A bis 100 A pro m² der Gitterfläche, abhängig davon wie früh die Enteisung erfolgen sollte.
Der Fachmann wird verstehen, das eine große Vielfalt kommerziell verfügbarer Isolierlackierungen 144' und leitfähiger Farben 142 existiert, und dass eine spezielle Marke gewählt werden sollte, nachdem Versuche von Vereisungssimulationen ausgeführt wurden. Weiterhin sollte der optimale Abstand des Gitters 145 (d.h. um die Fläche 114 von 5 zu bemessen) ebenfalls experimentell oder durch Analyse für einen speziellen Aufbau bestimmt werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 7 kann der Gleichstrommesser 138 zusätzlich mit einem Rückkopplungs-Teilsystem 150 verbunden sein. Das Rückkopplungs-Teilsystem 150 ist seinerseits mit der Gleichstromquelle 136 verbunden, um die Gleichstromvorspannung, die an die Tragflächen-Eis-Grenzfläche angelegt wird, in Abhängigkeit von Eigenschaften, wie etwa der Eisleitfähigkeit und der Temperatur, zu "steuern". Ein Temperatursensor 152 ist somit vorzugsweise mit der Schaltung 130 verbunden, um die Temperatur des Eises 154 zu messen.
Weitere Merkmale des Systems 130 können eine Wechselstromquelle (die zwischen etwa 10 kHz und 100 kHz arbeitet) beinhalten, die mit einem Wechselspannungsmesser 158 elektrisch verbunden ist, der seinerseits mit der leitfähigen Farbe 142 elektrisch verbunden ist. Ein Stromkomparator 160 ist sowohl mit dem Wechselspannungsmesser 158 als auch den Gleichstrommesser 138 elektrisch verbunden.
Ein Vereisungswarn-Teilsystem 162 kann zudem im System 130 enthalten sein. Der Stromkomparator 160 kann beispielsweise mit dem Vereisungswarn-Teilsystem 162 und mit dem Rückkopplungs-Teilsystem 150 verbunden sein, um bestimmte Ereignisse zu initiieren, wie sie im folgenden beschrieben sind.
Der Gleichstrommesser kann verwendet werden, um die Gleichstromleitfähigkeit der Schaltung 130 zu messen. Die Gleichstromleitfähigkeits-Signalmessung wird dem Rückkopplungs-Teilsystem 150, das seinerseits die Spannung regelt, die durch die Gleichstromquelle 136 zugeführt wird, und dem Stromkomparator 160 zugeführt.
Der Wechselspannungsmesser kann verwendet werden, um die Wechselstromleitfähigkeit der Schaltung 130 innerhalb des angelegten Frequenzbereiches von beispielsweise 10 bis 100 kHz zu messen. Die Wechselstromleitfähigkeits-Signalmessung wird dem Stromkomparator 160 zugeführt (und wahlweise der Rückkopplung 150 für die A/D und die Datenverarbeitung). Ein Vergleich zwischen der Wechselstrom- und der Gleichstromleitfähigkeit wird vom System 130 verwendet, um zwischen Wasser und Eis zu unterscheiden, die beide die Schaltung "kurzschließen" und vervollständigen. Insbesondere ist das Verhältnis von Wechselstrom- zu Gleichstromleitfähigkeit im Fall von Eis zwei bis drei Größenordnungen höher als bei Wasser, wobei eine Signalmessung vorausgesetzt wird, die Eis von Wasser klar unterscheiden kann.
Wen sich Eis auf der Tragfläche 132 bildet, signalisiert der Stromkomparator das Rückkopplungs-Teilsystem 150, das seinerseits die Gleichstromquelle 136 anweist, die Gleichstromvorspannung an der Eis-Tragflächen-Grenzfläche zu erhöhen oder zu verringern. Die Gleichstromvorspannung wird in einer Größe (im allgemeinen zwischen 1 und 6 Volt gewählt), so dass das Eis-Haftvermögen des Eises 154 an der Tragfläche 132 minimiert wird.
Beim Enteisen der Tragfläche 132 fällt die Signaldifferenz, die vom Stromkomparator 160 empfangen wird, unter einen voreingestellten Wert ab, wobei der Stromkomparator 160 die Vereisungs-Warneinrichtung 162 deaktiviert. Gleichzeitig signalisiert der Stromkomparator 160 das Rückkopplungs-Teilsystem 150, das seinerseits die Gleichstromquelle 136 anweist, die Vorspannung auf den Ausgangswert zu verringern.
Insgesamt werden die Messer 138 und 158 verwendet, um die Leitfähigkeit des Materials zu messen, das die Gitterelektrode 142 mit der Tragfläche 132 kurzschließt. Wie gezeigt, ist dieses Material Eis 154. Das System 130 unterscheidet somit automatisch zwischen Eis und Wasser. Der Induktor 140 verhindert, dass die Wechselspannung in die "Gleichstromteile" der Schaltung eintritt, die präzise gesteuert werden sollte, um das Eis-Haftvermögen zu modifizieren. Das Rückkopplungs-Teilsystem 150 enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor und einen Speicher, um die Stromversorgung 136 auf eine beinahe optimale Gleichstromvorspannung auf der Basis von Rückkopplungsdaten, wie etwa der Eistemperatur und der Eisleitfähigkeit (und/oder Eisreinheit) zu befehlen und zu steuern. Die Rückkopplungsschaltung verringert oder erhöht vorzugsweise die Gleichstromvorspannungen auf einen Pegel, der eine Dichte von etwa 0,1 mA/cm² (oder etwa 1 mA/in² Stromdichte an der Eis-Tragflächen-Grenzfläche) erzeugt, nachdem ein Vereisungswarnsignal vom Teilsystem 162 empfangen wurde. Demzufolge ist bei einem Strom von etwa 10 bis 30 A ein Gesamtenergieverbrauch von etwa 110 bis 500 Watt für ein typisch großes Flugzeug erforderlich.
Die "Gleichstromteile" der Schaltung in 7 führen somit primär eine Gleichstromvorspannung der Eis-Tragflächen-Grenzfläche zu und messen sekundär (sofern gewünscht) die Gleichstromleitfähigkeit des Eises 154. Die "Wechselstromteile" der Schaltung in 7 messen somit primär die Wechselstromleitfähigkeit. Die übrigen Abschnitte der Schaltung aus 7 stellen somit bereit: (a) einen Induktor, um eine Signalkopplung zwischen den Gleichstrom- und den Wechselstromteilen zu verhindern; (b) eine Rückkopplungs-, Mess- und Steuerschaltung, um die angelegte Gleichstromvorspannung bei Erfassung von Eis (im Vergleich zu Wasser) und/oder gemessene Rückkopplungsparameter, wie etwa die Temperatur und Leitfähigkeit des Eises, zu steuern.
8 zeigt eine Ausführungsform, die sich dazu eignet, Eis auf Stromleitungen 700 zu verringern oder von diesen zu entfernen. Der Einsatz in 9 zeigt eine Querschnittsansicht der Stromleitung 700. Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, erzeugt eine herkömmliche Stromleitung 702 Strom bei 60 Hz, jedoch mit sehr starken E-Feldern, wie etwa 10.000 V pro Zoll. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Beschichtung 704 auf der Leitung 702 in einer Dicke "t" aufgebracht.
Bei einer Ausführungsform ist die Beschichtung 704 ein ferromagnetisches Material, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist. Ferroelektrische Materialien bestehen im wesentlichen aus Keramik, das eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante (z.B. 10.000) und einen sehr hohen dielektrischen Verlust (z.B. tanδ ≅ 10) bei bestimmten Bedingungen und eine relativ geringe Dielektrizitätskonstante (3-5) und einen geringen dielektrischen Verlust bei anderen Bedingungen aufweist. Eine Bedingung, die die Konstante verändern kann, ist die Temperatur. Bei einem bevorzugten Aspekt ist das Material so gewählt, dass über dem Gefrierpunkt die Dielektrizitätskonstante gering ist und unter dem Gefrierpunkt die Konstante hoch ist. Wenn die Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt abfällt, wird die Beschichtung durch das elektrische Wechselstromfeld infolge der hohen Dielektrizitätskonstante und des dielektrischen Verlustes intensiv erwärmt.
Der Fachmann wird verstehen, dass die oben beschriebene Ausführungsform selbstregulierend sein kann, um die Beschichtungstemperatur nahe (oder geringfügig über) dem Schmelzpunkt zu halten. Wird die Beschichtung durch das elektrische Feld der Stromleitung überhitzt, durchläuft sie automatisch eine Phasentrans formation vom ferroelektrischen zum normalen Zustand, wobei an diesem Punkt die Beschichtung aufhört, die Energie des elektrischen Feldes zu absorbieren. Durch Wählen einer Phasenübergangstemperatur kann somit die Beschichtungstemperatur durch Nutzervorgaben und Umgebungsbedingungen der lokalen Gegend justiert werden.
Die Beschichtung 704 erzeugt Wärme in Gegenwart eines Wechselstromfeldes, wie es etwa durch die Leitung 702 erzeugt wird. Insbesondere weist sie eine Hysterese auf, die Wärme im Verlauf des Wechselstromzyklus' erzeugt, wobei die Beschichtung auf diese Weise Wärme infolge des oszillierenden E-Feldes der Leitung 702 erzeugt.
Die Dicke "t" liegt normalerweise im Bereich von 1 bis 10 Millimetern, wenngleich andere Dicken abhängig von den Beschichtungsmaterialien und der gewünschten Erwärmung aufgebracht werden können. Durch Ändern der Dicke kann beispielsweise die Temperatur an der Oberfläche 704a um 1 bis 10 Grad oder mehr erhöht werden. Die Dicke "t" ist so gewählt, dass eine gewünschte Wärmemenge erzeugt wird (d.h. Wärme, die ausreicht, um im wesentlichen Eis und Schnee auf der Oberfläche 704a der Leitung 700 zu schmelzen).
Wenn die Beschichtung eine geringe dielektrische Konstante und Verlust aufweist (d.h. wenn die Beschichtung über dem "Gefrierpunkt" oder einer anderen gewünschten Temperatur liegt), wird weitaus weniger Wärme durch die Beschichtung 704 erzeugt und dadurch weitaus weniger Energie durch die Leitung 700 verbraucht.
Die Beschichtung 704 kann zudem aus ferromagnetischen Materialien mit demselben oder einer ähnlichen Wirkung bestehen. In diesem Fall absorbiert die Beschichtung die Energie des Magnetfeldes, das von der Stromleitung erzeugt wird.
Insbesondere wenn ein ferroelektrisches Material in einem oszillierenden elektrischen Feld (Wechselstrom) angeordnet ist, wird das Material durch das Feld infolge des dielektrischen Verlustes erwärmt. Die Wärmeleistung pro Kubikmeter ist:
wobei ε' eine relative dielektrische Leitfähigkeit ist (normalerweise ist ε' etwa 10⁴ für typische ferroelektrische Materialien), ε₀ eine dielektrische Leitfähigkeit des freien Raumes ist (ε₀ = 8,85E-12 F/m), ω eine Winkelfrequenz des Wechselstromfeldes ist (ω = 2πf, wobei feine gewöhnliche Frequenz für die Stromleitung ist, wie etwa 60 Hz bei herkömmlichen Stromleitungen), tanδ der Tangens des dielektrischen Verlustes ist und
der Durchschnitt des elektrischen Feldes im Quadrat ist.
Ferroeeektrische Materialien sind durch sehr hohe Werte von ε' und tanδ unter der sogenannten Curie-Temperatur T_c sowie ein geringes ε' und tanδ über T_c gekennzeichnet. Somit ist der dielektrische Verlust (oder die Wärmeleistung des Wechselstromfeldes) sehr hoch unter und in der Nähe von T_c und fällt um einen großen Faktor (z.B. 10⁶) über dieser Temperatur ab. Dadurch sind ferroelektrische Materialien mit T_c in der Nähe von oder gerade über der Schmelztemperatur die optimale Wahl für eine Beschichtung 704, wie sie oben beschrieben wurde. Derartige Beschichtungen absorbieren die elektrische Leistung, wenn die Außentemperaturen unter den Schmelzpunkt T_m abfallen, und werden durch das Feld auf eine Temperatur über T_m erwärmt, so dass sie sich wiederum in gewöhnliche Isolatoren umwandeln (d.h. nicht länger das elektrische Feld in signifikanter Größe absorbieren).
Wenn derartige Beschichtungen in einem Wechselstromfeld angeordnet sind, behält demzufolge das ferroelektrische Material eine konstante Temperatur, die Nahe T_c und gerade über T_m ist, bei. Dieser selbstjustierende Mechanismus zur Verhinderung einer Vereisung ist äußerst wirtschaftlich: die maximale Wärmeleistung je einem Meter der Stromleitung oder pro m² an einer beliebigen zu schützenden Oberfläche kann erhöht oder verringert werden, indem die Beschichtungsdicke geändert wird und/oder indem eine neutrale (nicht ferroelektrische) isolierende Farbe oder ein Kunststoff der Beschichtung beigemengt werden. Beispiele geeigneter ferroelektrischer Materialien gemäß der Erfindung beinhalten:
Tabelle 3: Ferroelektrische Materialien
Es seien beispielsweise die Wärmeleistungsberechnungen für Pb₃MgNb₂O_g betrachtet. Bei diesem Beispiel wird eine mittlere Stromleitung mit
= 10 kV und mit einem Leitungsdurchmesser von 1 cm = 2·Radius betrachtet. Die elektrische Feldstärke auf der Leitungsoberfläche ist:
oder 3 kV/cm, wobei L der Abstand zwischen den Leitungen ist (L = 1 m). Die Substitution, wie sei oben beschrieben ist, d.h.
= 3E5 V/m, ω = 2π·60 Hz, ε' = 104 und tanδ = 10, berechnet W (1 mm, 60 Hz) = 4,5E5 Watt/m³. Ein 1 mm dicker Film erzeugt somit 450 Watt/m², was mehr als ausreichend für das typische Schmelzen von Eis ist.
Wenn sie an Stromleitungen anliegt, ist die maximale Leistung, die in der Beschichtung abgebaut werden kann, durch die Kapazitanz C₂ zwischen den Leitungen beschränkt:
Bei Leitungen mit 2 cm Dicke mit 1 m Abstand zwischen den Leitungen ist C₂ 1,21E-11 F/m. Bei einer Stromleitung mit V = 350 kV, ist W_max ≅ 300 Watt/m, was eine ausreichende Energie ist, um eine 1 m lange Leitung eisfrei zu halten.
Zusätzlich zu ferroelektrischen Materialien erzeugt beinahe jede Halbleiterbeschichtung ähnliche Effekte. Um die maximale Leistung von Gleichung (24) zu erreichen sollte die dielektrische Leitfähigkeit σ der Beschichtung folgende Bedingung erfüllen: σ = ε ε0 ω (15)wobei ε die dielektrische Konstante der Beschichtung und ε₀ die des freien Raumes ist. Bei einer 60-Hz-Leitung und ε ≈ 10 ist σ ≈ 3,4E-8 (Ohm·m)^–1. Eine derartige Leitfähigkeit ist äußerst typisch für zahlreiche undotierte Halbleiter und Isolatoren geringer Qualität. Somit ist eine derartige Beschichtung nicht teuer (bestimmte Qualitäten qualifizieren sich für diese Beschichtungen). Darüber hinaus kann dieselbe Temperatur-"Abstimmung" – die oben beschrieben wurde – infolge einer starken Temperaturabhängigkeit oder Leitfähigkeit der Halbleitermaterialien (z.B. eine exponentiale Abhängigkeit) erzielt werden. Somit werden die optimalen Bedingungen gemäß Gleichung (22) lediglich in einem schmalen Temperaturintervall, wie etwa –10°C ≤ T ≤ 10°C, erreicht, wobei die Beschichtung Eis zum Schmelzen bringt und andernfalls wenig Energie verbraucht.
Der Fachmann wird verstehen, dass andere Oberflächen, wie sie hier beschrieben wurden, ebenfalls mit diesen Beschichtungen behandelt werden können. Das Aufbringen einer derartigen Beschichtung beispielsweise auf eine Flugzeugtragfläche stellt ebenfalls ein Schmelzverhalten bereit, indem die Beschichtung Wechselstrom ausgesetzt wird und insbesondere indem dieser Wechselstrom wie in Gleichung (19) oben erhöht wird. Bei Pb₃MgNb₂O_g erwärmt beispielsweise eine Frequenz von 100 kHz eine 1 mm dicke Beschichtung auf W (1 mm, 100 kHz, 3E5 V/m) = 750 kWatt/m².
Der Fachmann sollte beispielsweise verstehen, dass Gitterelektroden, wie sie etwa in Verbindung mit 5 beschrieben wurden, ebenfalls bei Oberflächen angewendet werden können, die das Dach eine Hauses, Ölpipelines, Fahrstraßen und andere Bereiche beinhalten, auf denen sich Eis ansammelt.
10 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung für die Verwendung einer porösen Schicht. Eine poröse Schicht 2904 eines Materials ist an einer Oberfläche 2902 angebracht. Eine erste Isolierschicht 2906 und eine zweite Isolierschicht 2908 sind an der porösen Schicht 2904 des Materials angebracht. Eine erste Elektrode 2910 ist an der ersten Isolierschicht 2906 angebracht. Eine zweite Elektrode 2912 ist an der zweiten Isolierschicht 2908 angebracht. Eis 2914 bedeckt die poröse Schicht 2904 des Materials, die erste Isolierschicht 2906, die zweite Isolierschicht 2908, die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912.
Die poröse Schicht 2904 des Materials kann ein beliebiges Material sein, das über Poren verfügt und dotiert werden kann, um Ionen in das Eis 2914 abzugeben. Das Material der porösen Schicht 2904 kann eine beliebige poröse Keramik, ein Metall oder eine Legierung sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die poröse Schicht 2904 eine sehr dünne Schicht sein, die in Wasser beinahe nicht löslich ist, wie etwa eine Beschichtung aus einer Farbe, die die Oberfläche 2902 bedeckt. Einige Beispiele des Materials der porösen Schicht 2904 sind:

(1) Perkolierte, poröse Elektroden, die aus einem gesinterten Metall bestehen; siehe, Vilar et al., Percolated porous electrodes composed of sintered metal – Hydrodynamics and mass transfer, Canadian Journal Of Chemical Engineering, 76:(1): 41-50 (1998), die hier durch Bezugnahme enthalten ist;
(2) Ein poröses Graphit-Interkalationssystem für wiederaufladbare Batterien; siehe, Barsukov, Porous Graphite-Intercalation System For Recharcheable Batteries, New Materials: Conjugated Double Bond Systems, 191: 265-268 (1995), die hier durch Bezugnahme enthalten ist; und
(3) Poröse Eisenelektroden, die Metallzusätze enthalten; siehe, Jayalakshmi et al., Electrochemical Characterization Of Porous Iron Electrodes, Proceedings Of The Indian Academy Of Sceiences-Chemical Sciences, 103:(6): 735-761 (1991), die hier durch Bezugnahme enthalten ist.

Die poröse Schicht 2904 des Materials ist mit einer Wasserlösung aus Dotiermitteln gesättigt, die die elektrische Leitfähigkeit verbessern. Diese Dotiermittel können Alkali, Säuren oder Salze sein. Einige Beispiele sind Elektrolytlösungen KOH, HF, NaCl und KCl. Wenn die poröse Schicht 2904 des Materials mit dem Eis 2914 oder superkalten Wassertropfen in Berührung kommt, gibt die poröse Schicht 2904 eine geringe Menge der Dotiermittel an das Eis 2914 ab. Die Dotiermittel dotieren das Eis 2914 mit Ionen. Die Leitfähigkeit des Eises wird infolge der Gegenwart der Dotiermittel erhöht. In sehr kalten Bedingungen auf großer Höhe, wie etwa im Flugverkehr, ist Eis sehr rein und/oder nicht leitfähig. Um die elektrische Leitfähigkeit von reinem Eis und von Eis bei einer sehr niedrigen Temperatur zu erhöhen, stellt die Funktion der porösen Schicht 2904 die fehlende Leitfähigkeit bereit. Die poröse Schicht 2904 kann mit Dotiermitteln wiederbefüllt werden, indem die Wasserlösung aus Dotiermitteln erneut auf die poröse Schicht 2904 aufgebracht wird.
Die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912 können eine beliebige Elektrode sein, an denen eine Spannung angelegt wird, um den elektrischen Strom zu transportieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode porös und geben Dotiermittel an das Eis 2914 ab, wie es bei der porösen Schicht 2904 beschrieben wurde. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912 in Gestalt eines Gitters ausgebildet sein. Diese Ausführungsformen sind aus Gründen der Klarheit in 29 nicht gezeigt. Die erste Isolierschicht 2906 und die zweite Isolierschicht können aus einem beliebigen Material bestehen, das verhindert, dass die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912 durch die poröse Schicht 2904 kurzgeschlossen werden.
Während des Betriebs wird eine Spannung an die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912 angelegt. Die erste Isolierschicht 2906 und die zweite Iso lierschicht 2908 verhindern, dass die erste Elektrode 2910 und die zweite Elektrode 2912 mit der porösen Schicht 2904 kurzgeschlossen werden. Das Eis 2914 beginnt, sich auf der porösen Schicht 2904 zu bilden. Die poröse Schicht 2904 gibt die Dotiermittel an das Eis 2914 ab, wodurch die Leitfähigkeit des Eises 2914 verbessert wird. Die Spannung, die von der ersten Elektrode 2910 und von der zweiten Elektrode 2912 zugeführt wird, verringert die Eis-Haftung des Eises 2914 und bringt das Eis 2914 zum schmelzen.
11 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsform zum Entfernen von Eis von einer Stromleitung 3000. Die Stromleitung 3000 hängt über der Erde 3002. Die Stromleitung 3000 ist mit einer ferroelektrischen, ferromagnetischen oder halbleitenden Beschichtung beschichtet, die eine geeignete Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Leitfähigkeit oder des magnetischen Verlustes aufweist. Wenn die Temperatur diese Aktivierungstemperatur erreicht, entfernt die Beschichtung der Stromleitung das Eis durch Verringerung der Eis-Haftung.
Die Stromleitung 3000 führt elektrischen Strom, der ein E-Feld oder ein Magnetfeld erzeugt. Die Beschichtung der Stromleitung 3000 reagiert auf das E-Feld oder das Magnetfeld, wenn die Temperatur die Aktivierungstemperatur der Beschichtung der Stromleitung 3000 erreicht. Die Beschichtung der Stromleitung 3000 entfernt sämtliches Eis, das sich auf der Stromleitung 3000 bildet, auf der Basis der Felder aus dem elektrischen Strom und der Eigenschaften der Beschichtung.
12 zeigt eine Ausführungsform für Eis auf einer dicht gepackten einschichtigen Moleküllage. Ein Quartzsubstrat 3102 ist an einer Chromschicht 3104 angebracht. Die Chromschicht 3104 ist an einer Goldschicht 3106 angebracht. Die Goldschicht 3106 ist an der dicht gepackten einschichtigen Moleküllage (SAM) 3108 angebracht. Ein Tropfen 3110 aus Wasser oder Eis befindet sich auf der Oberseite der SAM 3108. Eine Gleichstromquelle 3112 ist am Tropfen 3110 und an einem Elektrometer 3114 angebracht. Das Elektrometer 3114 ist an der Goldschicht 3106 angebracht.
Das Elektrometer 3114 misst die Grenzschicht-Ladungsdichte durch Arbeiten im Coulomb-Meter-Modus, während sich die Gleichstromvorspannung der Gleichstromquelle 3112 und die hydrophoben Eigenschaften der SAM 3108 ändern. Ohne die extern angelegte Gleichstromspannung befindet sich der Berührungswinkel des Wassers mit der hydrophoben SAM 3108 zwischen 98 Grad und 104 Grad. Der Berührungswinkel des Wassers mit der hydrophilen SAM 3108 liegt zwischen 36 Grad und 38 Grad. Bei sich ändernden hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften liegt die Arbeit der Haftung des Wassers an der SAM 3108 zwischen 130 mJ/m² und 54 Jm/m².
Bei einer angelegten Spannung von –4,5 V beträgt der Berührungswinkel des Wassers mit der hydrophoben SAM 3108 40 Grad. Die Arbeit der Haftung des Wassers an der SAM 3109 liegt zwischen 59,5 mJ/m² und 127 mJ/m².
Bei der Vorbereitung der SAM 3108 werden goldplattierte optische Spiegel verwendet. Bei hydrophoben Proben wird eine 1 mM Stammlösung von Reagenzien aus 1 Dodecanethiol [CH₃(CH₂)₁₁SH] durch Lösen der 138,8 μL Dodecanethiol in 1L Methanol oder Ethanol vorbereitet. Bei hydrophilen Proben wird eine 1 mM Stammlösung von Reagenzien aus 11-Mercapto-1-Undecanol [HO(CH₂)₁₁SH] durch Lösen des .2044g μL 11-Mercapto-1-Undecanol in 1L Methanol vorbereitet. Um die SAM 3108 mit bestimmten hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften zu versehen, werden die beiden Lösungen in einem bestimmten Verhältnis gemischt.
Um die SAM 3108 vorzubereiten, wird die Goldschicht 3106 mit Ethanol gewässert und anschließend mit einem Stickstoffstrom getrocknet. Die Goldschicht 3106 wird anschließend für 12-36 Stunden in die geeignete Lösung getaucht, die oben für die speziellen hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften erläutert wurde. Anschließend wird die Goldschicht 3106 aus der Lösung entnommen und 5 bis 10 mal mit Ethanol gewässert. Die Goldschicht 3106 wird unter einem Stickstoffstrom für 10 bis 15 Sekunden getrocknet.
Angesichts der Vorgenannten wird beansprucht:

Claims

System zum Modifizieren des Eis-Haftvermögens von Eis (102), das an einem Objekt (104) haftet, das eine Elektrode (106), die durch eine Isolierschicht (108) elektrisch gegenüber dem Objekt (104) isoliert ist, und eine Gleichstromquelle (109) umfasst, die mit der Elektrode gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröses Material über wenigstens einem Teil des Objektes angeordnet ist, um Dotierstoffe freizugeben und Eis-Leitfähigkeit zu erhöhen; und die Gleichstromquelle (109) mit dem Objekt gekoppelt ist und eine Gleichstrom-Vorspannung an einer Grenzfläche zwischen dem Eis und Objekt überzeugt, wobei die Gleichstrom-Vorspannung eine Spannung hat, die das Eis-Haftvermögen, verglichen mit dem Eis-Haftvermögen bei im Wesentlichen Null-Vorspannung an der Grenzfläche, selektiv modifiziert.
System nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (106) eine Gitterelektrode ist, die so geformt ist, dass sie einer Oberfläche des Objektes (104) entspricht, wobei jeder Punkt der Gitterelektrode in elektrischem Kontakt mit der Quelle ist.
System nach Anspruch 2, wobei die isolierende Schicht (108) ein Gitterisolator ist, der zwischen dem Objekt und der Gitterelektrode angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Gleichstrommesser (138) umfasst, der an die Elektrode (106) und die Quelle angeschlossen ist, um eine Gleichstrom-Leitfähigkeit des Eises zu bestimmen.
System nach Anspruch 4, das des Weiteren eine Wechselstromquelle (156) und einen Wechselstrommesser (158) umfasst, der an die Elektrode und die Quelle angeschlossen ist, um eine Wechselstrom-Leitfähigkeit des Eises zu bestimmen.
System nach Anspruch 5, wobei die Wechselstromquelle (156) eine oder mehrere Frequenzen zwischen ungefähr 10 kHz und 100 kHz erzeugt.
System nach Anspruch 5, das des Weiteren einen Stromkomparator umfasst, der mit dem Gleichstrommesser (138) und dem Wechselstrommesser (158) gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das repräsentativ für ein Verhältnis zwischen der Gleichstrom- und der Wechselstromleitfähigkeit ist.
System nach Anspruch 7, das des Weiteren ein Rückkopplungs-Teilsystem (150) umfasst, das das Signal bewertet, um zu bestimmen, ob Eis oder Wasser den Kreis zwischen der Elektrode und dem Objekt kurzschließt.
System nach Anspruch 8, das des Weiteren einen Temperatursensor (152) umfasst, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er Eistemperatur misst, und der ein Signal zu dem Rückkopplungs-Teilsystem (150) sendet, das repräsentativ für Eistemperatur ist.
System nach Anspruch 8, das des Weiteren eine Vereisungs-Warneinrichtung (162) umfasst, die das System beim Erfassen von Eis aktiviert, das einem voreingestellten Wert der Wechselstrom- und der Gleichstrom-Eisleitfähigkeit entspricht.
System nach einem der Ansprüche 8-10, wobei das Rückkopplungs-Teilsystem die Spannung der Gleichstrom-Vorspannung modifiziert, die selektiv Eis-Haftvermögen entsprechend der Eis-Leitfähigkeit und der Eis-Temperatur modifiziert.
System nach den Ansprüchen 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt eine selbstorganisierende Monoschicht umfasst, wobei die Monoschicht variierende hydrophobische und hydrophile Eigenschaften hat, um die Haftung des Eises an dem Objekt zu modifizieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Elektrode aus dem porösen Material besteht.
System nach Anspruch 4, das des Weiteren ein Rückkopplungs-Teilsystem (150) umfasst, das den durch die Gleichstromquelle (109) zugeführten Strom auf Basis der Gleichstrom-Leitfähigkeit des Eises reguliert.