ระบบสั่นสะเทือนใหม่ กำจัด “น้ำแข็ง” บนปีกเครื่องบิน ลดการใช้พลังงานลง 80 %

นักวิทยาศาสตร์จาก Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (Fraunhofer LBF) ประเทศเยอรมนี ประสบความสำเร็จในการพัฒนา ระบบสั่นสะเทือนกำจัดน้ำแข็งบนปีกเครื่องบิน (vibration de-icing system) ซึ่งสามารถลดการใช้พลังงานได้มากถึง 80 % เมื่อเทียบกับระบบละลายน้ำแข็งด้วยความร้อนแบบเดิม

โครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของ Clean Aviation Program ของสหภาพยุโรป (EU) โดยมีพันธมิตรสำคัญอย่าง Airbus และ Parker-Meggitt ร่วมพัฒนา เพื่อมุ่งสู่การสร้างอนาคตของ การบินที่ปลอดคาร์บอนและยั่งยืน (sustainable aviation)

ทำไม “น้ำแข็งบนปีกเครื่องบิน” จึงเป็นปัญหาใหญ่ของอุตสาหกรรมการบิน

การก่อตัวของน้ำแข็งบนปีกเครื่องบินเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อความปลอดภัย เนื่องจากมันสามารถ

• ลดแรงยก (Lift)

• เพิ่มแรงต้านอากาศ (Drag)

• ทำให้ระบบควบคุม เช่น Rudder หรือ Aileron ทำงานผิดพลาดได้ ในบางกรณีอาจถึงขั้นทำให้เครื่องบิน “Stall” หรือสูญเสียการทรงตัวโดยสมบูรณ์ 

ระบบกำจัดน้ำแข็งในปัจจุบันมักอาศัย “การเป่าลมร้อนจากเครื่องยนต์” ซึ่งมีประสิทธิภาพดีแต่กินพลังงานสูง และไม่สามารถใช้ได้กับเครื่องบิน พลังงานไฟฟ้าหรือไฮบริด ที่ไม่มีความร้อนเหลือจากการเผาไหม้

การทำงานของระบบสั่นสะเทือน

นักวิจัย Fraunhofer LBF เสนอแนวทางใหม่โดย ไม่ใช้ความร้อนละลายน้ำแข็ง แต่ใช้ แรงสั่นสะเทือนความถี่ต่ำ เพื่อทำให้น้ำแข็ง “แตกร้าวและหลุดออกจากปีกเครื่องบิน”

• ขั้นตอนที่ 1 -ใช้เซนเซอร์ตรวจจับน้ำแข็ง: ระบบจะระบุจุดที่มีน้ำแข็งก่อตัวบนปีกอย่างแม่นยำ

• ขั้นตอนที่ 2 - ใช้แอคชูเอเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric Actuators):
  หรือก็คือการกระตุ้นให้สร้างคลื่นสั่นสะเทือนความถี่ต่ำ (ระดับกิโลเฮิรตซ์) ที่ตรงกับบริเวณที่เป็นน้ำแข็ง ส่งผลให้น้ำแข็งแตกตัวและหลุดออกจากพื้นผิวปีก โดย ไม่ต้องใช้ความร้อนเลยแม้แต่น้อย โดยคลื่นเหล่านี้มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่แรงสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอให้น้ำแข็งแตกและหลุดออกแล้ว

Denis Becker, PhD นักวิจัยประจำแผนก Experimental Analysis and Electromechanics ของ Fraunhofer LBF อธิบายว่า “แรงสั่นสะเทือนที่สร้างขึ้นมีพลังมากพอให้น้ำแข็งแตกตัว แต่ใช้พลังงานเพียงเศษเสี้ยวของระบบความร้อนแบบเดิม”

หัวใจสำคัญของระบบนี้คือการระบุ “ความถี่เรโซแนนซ์ธรรมชาติของปีก (wing resonance frequency)” ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามปัจจัยต่าง ๆ เช่น

• ความเร็วของเครื่องบิน

• อุณหภูมิและความชื้นของอากาศ

• ความหนาของน้ำแข็งที่เกาะ

อัลกอริธึมในระบบจะคำนวณและปรับความถี่แบบเรียลไทม์ เพื่อให้แรงสั่นสะเทือนเข้าจังหวะที่เหมาะสมที่สุดในการกำจัดน้ำแข็ง

ผลการทดสอบและประสิทธิภาพของระบบ

Fraunhofer LBF ได้ทดสอบระบบใน อุโมงค์ลมจำลองน้ำแข็ง (Icing Wind Tunnel) ภายใต้สภาพอากาศจริง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ระบบสั่นสะเทือนสามารถกำจัดน้ำแข็งได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้พลังงานน้อยกว่าระบบความร้อนถึง 80 %

นอกจากนี้ ระบบยังมีโครงสร้างเรียบง่าย ประกอบด้วย

1. แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply)

2. เซนเซอร์

3. หน่วยควบคุมการสั่นสะเทือน

ซึ่งสามารถติดตั้งได้ในเครื่องบินหลากหลายขนาด ทั้งเครื่องบินพาณิชย์ เครื่องบินไฟฟ้า และโดรนขนาดใหญ่

ระบบกำจัดน้ำแข็งด้วยแรงสั่นสะเทือนนี้ถือเป็นก้าวสำคัญของอุตสาหกรรมการบิน เพราะไม่เพียงเพิ่ม ความปลอดภัยในการบิน (flight safety) แต่ยังตอบโจทย์ การลดพลังงานและคาร์บอนฟุตพริ้นต์ (carbon footprint) ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักของการบินในยุคใหม่

ทาง Fraunhofer LBF เตรียมดำเนินการทดสอบเพิ่มเติมในอุโมงค์ลมและการบินจริง เพื่อยืนยันความพร้อมของระบบก่อนนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ โดยคาดว่าเทคโนโลยีนี้จะถูกนำไปใช้ใน เครื่องบินรุ่นใหม่ภายในไม่กี่ปีข้างหน้า

ระบบนี้ยังมีศักยภาพในการปรับใช้กับ อากาศยานขนาดเล็ก หรือภารกิจในพื้นที่ห่างไกล ที่ต้องการโครงสร้างระบบพลังงานที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพสูง

แหล่งที่มา: interestingengineering.com