Superhydrophobie dans la lutte contre le givre

La formation de givre sur les ailes et hélices d’un avion, d’un drone ou d’une éolienne se traduit par une diminution de la portance ou une augmentation de la consommation d’énergie. La lutte contre la formation de givre est à la fois active et passive. Une étude a récemment démontré qu’une superhydrophobisation superficielle permettait de prévenir la formation de givre dans certaines conditions atmosphériques.

La formation de givre n'est pas sans inconvénient pour le bon fonctionnement d’un large éventail de systèmes dans les secteurs d’activité les plus divers, de l’aviation à l’énergie éolienne. L’avènement des surfaces superhydrophobes devrait permettre d’y remédier. Une étude expérimentale récente portant sur les effets de la mouillabilité sur le processus dynamique de givrage à la surface des hélices d’un drone a révélé que leur superhydrophobisation superficielle permettait de prévenir la formation de givre dans certaines conditions atmosphériques.

En comparaison avec une surface hydrophile, une surface superhydrophobe a un effet remarquable sur la formation de givre sur les hélices d’un drone, comme le montre la figure ci-après. Le givrage est moindre sur une surface hydrophobe. Cette réduction du givrage est due au glissement partiel des gouttelettes. Le givre qui se forme encore à la surface des hélices s’en détache plus rapidement en comparaison avec une surface hydrophile. 

Rangée supérieure : surface hydrophile ; rangée inférieure : surface hydrophobe

Plusieurs procédés tels que l’application de revêtements ou la texturation laser femtoseconde se prêtent à l’obtention de surfaces superhydrophobes.

Types de surface et conditions atmosphériques

Un point important dans la lutte contre la formation de givre à l’aide de surfaces hydrophobes est la prise en compte du type de surface et des conditions. Une surface superhydrophobe est obtenue en créant une rugosité nanométrique, c.-à-d. des microreliefs (effet lotus). Cependant, après une période à la fois très humide et froide, le caractère superhydrophobe peut être annihilé par une fine couche de givre préexistante, comme illustré par l’impact d’une goutte d’eau dans la figure ci-dessous. Une fois la surface recouverte de givre, l’hydrophobicité disparaît, et les gouttes d’eau qui la heurtent s’y congèlent. De plus, les microreliefs augmentent l’adhérence du givre, qui devient plus difficile à enlever mécaniquement. On peut alors envisager de l’éliminer par la chaleur. Une surface plus grande peut conduire à un plus grand dégagement de chaleur. 

Impact d’une goutte d’eau sur une surface superhydrophobe (a) avec (c) ou sans (b) pellicule de givre. La goutte est repoussée par la surface sans givre, mais se congèle sur la surface déjà couverte de givre. 

L’adhésion de la glace croît linéairement avec le nombre/surface des microreliefs

Sirris est également impliqué dans la recherche sur la protection des surfaces contre le givre et sur la surveillance du givrage lorsque celui-ci peut causer une situation dangereuse ou indésirable dans une application particulière. Dans le cadre du projet COOCK Fighting Icing et du projet H2020 Newskin, nous faisons un suivi de l’état des connaissances et réalisons nous-mêmes des essais comparatifs sur un banc d’essai à aspersion de glace remanié, capable de tester de grandes surfaces avec différents modes de formation de glace. Ce nouveau banc d’essai est installé dans notre grande chambre climatique sur notre site d’Anvers.

Banc d’aspersion de glace et essai de formation de glace dans la chambre climatique de Sirris

Si vous souhaitez en savoir plus sur le potentiel des surfaces superhydrophobes, n’hésitez pas à prendre contact avec nous !

Ce blog a été rédigé dans le cadre des projets COOCK Surfacescript et Fighting Icing.

Sources

An experimental study of surface wettability effects on dynamic ice accretion process over an UAS propeller model, Y. Liu et al, Aerospace Science and Technology 73, p. 164 (2018)

Frost formation and ice adhesion on superhydrophobic surfaces, K.K. Varanasi et al, Applied Phys. Letters 97, 234102 (2010)