你是否曾经刮擦车窗上的冰,直到双手僵硬、冰冷、冻得通红?或者因为车窗除霜器花了太长时间融化你被冰雪覆盖的挡风玻璃而错过了约会?或者因为冰暴摧毁了电线,导致你的灯、有线电视或电话中断——并且持续数天?
好消息是:一群研究人员开发了一种技术,旨在在几秒钟内以电子方式清除物体表面的冰。与传统的依靠逐渐加热来液化冰雪的车窗除霜器不同,由新罕布什尔州黎巴嫩的Ice Engineering, LLC公司开发的IceController能够迅速(在某些情况下不到一秒)释放高功率电力脉冲,立即融化冰与物体表面之间的界面。Ice Engineering公司的首席技术官兼达特茅斯学院赛耶工程学院的工程学教授维克多·彼得连科说,一旦冰与表面之间的结合被破坏,冰就会滑落。彼得连科在赛耶工程学院发明了IceController背后的“电热脉冲除冰”技术。
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IceController可以连接到任何可能结冰的设备或结构,并使用电极或薄膜状不锈钢、铜或铝箔放置在表面上,以便在感应到冰积聚时释放电力脉冲。脉冲的频率、强度和持续时间取决于IceController试图除冰的对象——挡风玻璃、飞机机翼或桥梁拉索。
“我们的目标是将冰与表面之间的界面从[环境]温度快速加热到冰的熔点,并使用很大的功率,”彼得连科说。他曾是俄罗斯科学院固态物理研究所的研究实验室主任,也是莫斯科物理技术学院的物理学教授。“这个过程发生得非常快,与其他除冰方法不同,热量不会浪费在加热[物体]表面或冰上。一旦冰被剥离,重力或空气阻力(例如飞机机翼上的空气阻力)就会完成剩下的工作。”
Ice Engineering公司最大的两个装置分别位于瑞典的乌德瓦拉斜拉桥(该技术自2005年以来一直在使用,参见幻灯片)和莫斯科市正在建设中的一个购物中心的107,639平方英尺(10,000平方米)玻璃穹顶上。瑞典政府拥有的这座桥梁有两座高于489英尺(149米)的桥塔和120根拉索,每根拉索长655英尺(200米)以上,直径10英寸(25.4厘米)。每根钢索都覆盖着一层薄薄的聚合物管(包裹在不锈钢箔中)以防止生锈。“我们向电缆的两端施加[一个]大约一秒钟的电脉冲,”彼得连科说,“所有附着在电缆上的冰都会掉下来。”
该公司还测试了其IceController的改进版本,用于为汽车挡风玻璃和飞机机翼除冰。彼得连科指出,高功率挡风玻璃除霜器以每平方米高达700瓦的功率加热玻璃,大约需要八分钟才能将玻璃和冰的界面加热到熔点。他说,Ice Engineering公司在玻璃上放置一层导电但光学透明的薄膜,然后对薄膜施加每平方米高达20,000千瓦的功率,持续最多四秒钟,使驾驶员几乎可以立即清除冰。
冰机制造商Simply Ice, LLC公司位于密歇根州马凯特的首席执行官兼拥有23年执照的飞行员马克·汉根说,Ice Engineering公司的技术也可用于飞机机翼的飞行中除冰(目前飞机在地面上时使用乙二醇和其他喷雾式防冻化学品)。如今,商用飞机通过将来自喷气发动机的热空气重新定向到机翼的前缘以保持机翼温暖,从而清除飞行中积聚在机翼上的冰。“这会消耗大量燃料,”汉根说。“他们正在寻找在飞行中去除冰的方法,而无需从发动机中抽出空气,因为这会导致发动机消耗更多燃料。”冰也可能造成操纵性问题,可能导致坠机。
汉根非常了解Ice Engineering公司的技术——Simply Ice计划在2010年前使用IceController升级其酒店和餐厅使用的商用制冰机系列。商用制冰机通常通过首先将热水倒入模具,然后使用某种形式的热量(Simply Ice公司的设备使用热气)来松动冰块,以便可以从模具中取出冰块。
汉根指望Ice Engineering公司的电脉冲技术能够更经济高效地破碎其制冰机制造的冰块。“我们已经用彼得连科博士的技术取代了整个过程,”他说。热气可能需要几分钟才能将冰块从模具中取出,而高功率电脉冲大约需要四秒钟。一台典型的制冰机在其所有者10年的使用期内,电费和维护费约为 20,000 美元。他补充说,使用脉冲电源将节省能源并减少维护,从而将这笔支出至少减少 5,000 美元。新型制冰机生产 100 磅冰块将使用 3.58 千瓦时,而不是需要 6.7 千瓦时。(汉根说,他希望将每 100 磅或 45 公斤冰块的能耗降至 3 千瓦时。)