Les plumes de pingouin aident à inspirer de nouvelles techniques de dégivrage

Marcher sur une route pendant un hiver blanc comporte ses propres défis : le froid glacial, contourner la glace glissante sur les routes et la nécessité de changer de trottoir pour éviter les glaçons acérés qui pourraient tomber d’en haut.

Cette glace accumulée sur les toits et les surplombs des gouttières n’est pas seulement une gêne et un danger, mais nécessite également d’énormes efforts pour l’enlever. Les techniques standard de déglaçage reposent sur une action mécanique, thermique ou chimique.

La glace sur les panneaux de signalisation, les pylônes de transmission électrique et les câbles est enlevée en frappant les plaques de glace pour induire des vibrations à l’objet ou en pliant la structure.

Les avions sont aspergés de liquides de dégivrage qui fondent chimiquement et empêchent la formation de glace avant le décollage. Et comme les trottoirs chauffés, les ailes d’avion sont généralement chauffées en vol pour faire fondre la glace qui peut se former sur leurs bords d’attaque.

Bien que toutes ces approches antigivrage soient nécessaires pour éviter des pannes d’infrastructure et des accidents mortels, ces techniques ne sont pas durables car elles nécessitent d’énormes quantités d’énergie et de produits chimiques nocifs. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont essayé de développer une technologie d’antigivrage passif – une surface qui ne permettrait pas à la glace de se former dessus ou qui nécessiterait très peu d’efforts pour déloger les petits morceaux de glace sans conséquence qui le feraient.

Notre équipe de chercheurs du Laboratoire d’ingénierie biomimétique des surfaces de l’Université McGill s’est tournée vers la nature pour trouver ces solutions. La nature adopte une approche différente pour résoudre ses problèmes de surface glacée. Au cours des millénaires, les espèces se sont adaptées pour posséder un éventail de fonctions de surface qui ne nécessitent pas de chimie dure ou d’énormes quantités d’apport d’énergie. Nous avons trouvé la solution aux défis de dégivrage dans les plumes d’adorables pingouins à la démarche chancelante.

Lire entre les plumes

Lorsque nous avons entrepris de développer une surface antigivrage passive l’hiver dernier, nous avons pensé au fait que les pingouins n’avaient jamais été photographiés avec une grosse croûte de glace sur leur plumage, bien qu’ils vivent dans des environnements très froids, nagent et chassent dans des eaux glaciales et se tiennent en hauteur. les vents.

Nous avons contacté le Biodôme de Montréal — qui présente différents écosystèmes — et visité leur exposition subantarctique avec des manchots papous. Ils nous ont également donné un pot plein de plumes de Gentoo perdues.

Nous avons étudié la microstructure et le comportement de mouillage des plumes individuelles et les avons également réassemblés dans un tapis de plumes pour étudier s’ils attirent ou non la glace. Le comportement de mouillage caractérise le comportement des gouttelettes d’eau à la surface. Fondamentalement, il vérifie si les gouttelettes roulent comme de minuscules ballons de football ou se répandent dans une flaque d’eau ou si le résultat est quelque chose entre les deux.

Notre analyse a montré que le plumage du pingouin possède à la fois des propriétés d’évacuation de l’eau et de la glace. L’huile de lissage que l’oiseau applique lorsqu’il se toilette ne semble pas jouer de rôle dans la perte de glace. Cela nous a amenés à soupçonner que ces effets proviennent de la structure de ses plumes, ce qui signifie que la structure des plumes de pingouin pourrait fournir une approche radicalement différente pour créer des conceptions de surface avec des propriétés antigivrantes passives.

Les caractéristiques détaillées de chaque plume individuelle et le rôle du hamuli – une partie de la plume qui accroche les plumes individuelles ensemble dans un tapis – nous ont inspirés pour reproduire ce maillage naturel en forme de fil d’une structure utilisant des textiles tissés.

Afin d’imiter la microstructure des plumes de pingouin que nous avons observées, nous avons sélectionné des tissus en acier inoxydable avec des diamètres de fil et des tailles de pores similaires à ceux des plumes. Nous avons également utilisé notre équipement de traitement laser ultrarapide pour faire correspondre les rainures longitudinales de taille nanométrique observées sur les barbes et les barbules de la structure de la plume de pingouin.

Création de surfaces hydrofuges et anti-glace

Nos recherches ont révélé que si une surface hydrofuge est une exigence absolue pour que le tissu en maille d’acier inoxydable évacue l’eau, cette exigence devient moins importante à mesure que la température diminue.

En effet, l’eau pénètre en fait dans les pores de la maille précédemment vides et gèle lentement lorsque les températures baissent, créant des fissures à la surface de la glace. Cela signifie que la surface peut facilement repousser l’eau et la glace à des températures glaciales.

Cela contraste avec la majorité des surfaces hydrofuges qui imitent le piégeage de l’air comme on le voit dans les feuilles de lotus (effet lotus), où la pénétration de l’eau renforce souvent l’adhérence de la glace.

Nos surfaces en maille biomimétique – qui imitaient les plumes de pingouin avec un textile en acier inoxydable tissé – ont montré une force d’adhérence de la glace réduite d’environ 95 % par rapport à l’acier inoxydable monolithique lisse et poli.

Cette très bonne performance d’évacuation de la glace peut être attribuée à la forme des pores de la microstructure, dont les ouvertures sont plus petites que l’espace vide réel à l’intérieur du pore.

Ces ouvertures de pores sont d’abord fermées par la croissance de la glace, qui emprisonne l’eau encore liquide à l’intérieur. Cette eau enfermée gèle lentement par rapport à l’eau à l’extérieur. Lorsqu’il gèle, il peut se dilater d’environ 9 % dans son espace confiné, créant finalement des fissures le long de chaque pore du tissu métallique. Ces fissures aident toute accumulation de glace à se détacher facilement.

Une stratégie de dégivrage pour l’avenir

Bien que notre étude aborde le problème de l’accumulation de glace d’un point de vue différent de toutes les études précédentes, elle fournit de nouvelles solutions potentielles de dégivrage à un problème qui affecte nos vies chaque hiver.

De toute évidence, nous avons besoin de plus d’enquêtes et de développements avant que les infrastructures critiques telles que les avions ou les lignes électriques ne reposent uniquement sur des solutions de dégivrage passives comme celles-ci.

Cependant, nous pouvons les mettre en œuvre parallèlement aux systèmes de chauffage actifs traditionnels pour des applications moins critiques telles que les panneaux de signalisation dans un avenir prévisible. Cela nous permettra d’étudier la stabilité à long terme de ces surfaces texturées, leurs coûts d’installation et d’entretien, et si cela limite ou non les besoins énergétiques et chimiques des techniques de dégivrage d’aujourd’hui.

Anne-Marie Kietzig, professeure agrégée, Département de génie chimique, Université McGill et Michael John Wood, chercheur postdoctoral Mitacs Élévation, Université McGill

Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.