Une méthode par champ électrique fait fondre la glace sans chaleur ni produits chimiques

Alex Parrish

Chaque couche de givre contient des défauts ioniques. Dans un nouvel article publié dans Small Methods, l’équipe de Jonathan Boreyko utilise une haute tension pour polariser ces ions et arracher le givre.

Pendant les mois d’hiver, le gel peut causer des dégâts considérables aux voitures, aux avions, aux pompes à chaleur et à bien d’autres choses encore. Mais le dégivrage thermique à l’aide de chauffages est très énergivore, tandis que le dégivrage chimique est coûteux et toxique pour l’environnement.

Jonathan Boreyko, professeur agrégé en génie mécanique à Virginia Tech, et son équipe de recherche ont peut-être trouvé une nouvelle méthode améliorée pour le dégivrage. Sa philosophie consiste à lutter contre la glace en exploitant ses propres propriétés physiques plutôt qu’en utilisant de la chaleur ou des produits chimiques, créant ainsi des méthodes de dégivrage plus rentables et plus respectueuses de l’environnement.

Leurs travaux précédents exploitaient la faible tension qui existe naturellement dans le givre pour polariser un film d’eau à proximité, créant ainsi un champ électrique capable de détacher les cristaux de glace microscopiques. Son équipe développe désormais ce concept en appliquant une haute tension à une électrode opposée afin de déloger plus efficacement le givre de sa surface. Le résultat est une nouvelle méthode que l’équipe a baptisée « dégivrage électrostatique » (EDF). L’approche utilisée pour la créer a été publiée dans Small Methods.

Aller de l’avant

À mesure que les cristaux de givre se développent, les molécules d’eau s’organisent en un réseau cristallin ordonné. Mais parfois, une molécule d’eau se place légèrement en dehors du schéma, peut-être parce qu’elle a un atome d’hydrogène supplémentaire à proximité (H3O+) ou qu’il lui en manque un (OH–). Imaginez que vous assemblez un grand puzzle trop rapidement, de sorte qu’une pièce se coince au mauvais endroit ou manque complètement. Ces minuscules erreurs créent ce que les scientifiques appellent des défauts ioniques : des endroits dans le givre où il y a un peu trop de charge positive ou négative.

L’équipe a émis l’hypothèse que lorsqu’on applique une tension positive à une plaque d’électrode placée au-dessus du givre, les défauts ioniques négatifs seraient attirés et « migreraient » vers le haut de la couche de givre, tandis que les défauts ioniques positifs seraient repoussés et migreraient vers la base du givre. En d’autres termes, le givre deviendrait fortement polarisé et exercerait une forte force d’attraction sur l’électrode. Si cette force d’attraction est suffisamment forte, les cristaux de givre pourraient se fracturer et sauter dans l’électrode.

Même sans tension appliquée, la plaque de cuivre en surplomb a éliminé 15 % du givre. En effet, le givre peut s’auto-polariser faiblement même sans champ électrique appliqué. Cependant, l’application d’une tension augmente considérablement le degré de polarisation. Lorsque l’équipe a appliqué une tension de 120 volts, 40 % du givre a été éliminé. À 550 volts, 50 % ont été éliminés.

« Nous pensions vraiment avoir trouvé quelque chose d’intéressant », a ajouté M. Boreyko. « En augmentant la tension, davantage de givre s’envolerait, n’est-ce pas ? Ce qui était inattendu, c’est que le contraire s’est produit. »

En augmentant encore la puissance, un phénomène curieux s’est produit : moins de givre s’est détaché, avec seulement 30 % éliminés à 1 100 volts et 20 % à 5 500 volts. Les résultats contredisaient le modèle théorique, qui prévoyait que les performances devraient s’améliorer continuellement avec l’augmentation de la tension.

L’équipe a trouvé une explication possible à cette chute de l’élimination du givre à des tensions plus élevées. Lorsque le givre se formait sur un substrat en verre isolant plutôt que sur un substrat en cuivre, les tensions plus élevées n’étaient que légèrement moins performantes. Cela indiquait qu’il y avait une fuite de charge du givre polarisé vers le substrat sous-jacent, en particulier à des tensions élevées, qui pouvait être atténuée en utilisant une surface plus isolante.

En passant à nouveau à un substrat superhydrophobe emprisonnant l’air, la tension la plus élevée a permis d’éliminer le plus de givre, comme prévu initialement. L’augmentation de la tension a permis d’éliminer jusqu’à 75 % du givre.

« Lorsque l’on utilise la surface superhydrophobe, le dégivrage électrostatique est suffisamment puissant pour rendre clairement visible le logo caché « VT » de Virginia Tech sur la surface après la disparition du givre », a déclaré Venkata Yashasvi Lolla, chercheur principal du projet, qui effectue actuellement des travaux postdoctoraux à Berkeley.

Les recherches se poursuivent, avec pour objectif final d’éliminer 100 % de la glace. Une partie de ces recherches portera sur l’élimination du givre sur plusieurs types de surfaces, élargissant ainsi les applications potentielles à la fois dans le domaine industriel et dans celui de la consommation.

« Ce concept de dégivrage électrique en est encore à ses débuts », a conclu M. Boreyko. « Au-delà de ce premier article, notre objectif est d’améliorer l’EDF en réduisant les fuites de charge et en essayant des tensions plus élevées et de nouveaux emplacements d’électrodes, parmi diverses autres stratégies émergentes. Nous espérons que dans un avenir proche, l’EDF s’avérera être une approche rentable, sans produits chimiques et à faible consommation d’énergie pour le dégivrage. »

Article : « Electrostatic Defrosting » – DOI: 10.1002/smtd.202501143