Tropfen prallen ab – Oberflächen vereisen weniger
Vereisende Flugzeugflügel oder Rotorblätter von Windkraftanlagen stellen Ingenieure vor Herausforderungen. Mit neuen Oberflächenstrukturen gelingt es, Wassertröpfchen abzuschmettern.
Wassertröpfchen stören bei zahlreichen technischen Anwendungen. Forscher setzen jetzt auf spezielle Oberflächenstrukturen.
Foto: panthermedia.net/ koka55
Ingenieure versuchen in vielen Situationen, den Kontakt von Wassertropfen oder anderen Flüssigkeiten mit Oberflächen zu verringern. Frieren sie beispielsweise am Flugzeugflügen fest, verschlechtern sich die aerodynamischen Eigenschaften. Auch die Rotorblätter von Windkrafträdern verändern sich im Winter, und Ausfälle drohen. Selbst Sprühnebel an Meeren führt zu unliebsamen Ablagerungen an Oberflächen. Alle Phänomene haben eine Gemeinsamkeit: „Der Kontakt von Tröpfchen mit Oberflächen kann entscheidend bei der Frage sein, ob technische Systeme dauerhaft funktionieren“, sagt Kripa Varanasi. Er ist Professor für Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Zusammen mit Kollegen hat er jetzt eine Lösung gegen unerwünschte Kontakte zwischen Tröpfchen und Oberflächen entwickelt.
Sein ursprünglicher Ansatz, nur Kontaktzeiten zwischen Oberflächen und Flüssigkeiten zu reduzieren, erwies sich nicht als zielführend. Im zweiten Schritt wurde deshalb versucht, die Kontaktfläche selbst zu verringern.
Neue Oberflächenstrukturen verhindern Ausbreitung von Tropfen
„Der Schlüssel zum Erfolg“, so Varanasi weiter, „besteht darin, eine Reihe von erhabenen Ringformen auf der Materialoberfläche zu erzeugen, die dazu führen, dass ein herabfallender Tropfen schalenförmig nach oben spritzt, anstatt flach über die Oberfläche zu fließen“. Weniger Kontakt bedeute eben auch weniger unerwünschte Effekte durch die Flüssigkeit. Aus früheren Studien wusste er bereits, dass erhabene Rippen auf der Oberfläche das Ausbreitungsmuster nachhaltig stören. Die geriffelten Strukturen konnte die Kontaktzeit zwar verkürzen – dies sei jedoch für kommerzielle Anwendungen zu wenig gewesen, ergänzt der Experte.
Seine jetzt veröffentlichte Arbeit geht einen Schritt weiter. Das Ergebnis: eine deutlich kürzere Kombination von Kontaktzeit und Kontaktfläche eines Tropfens. Experimente zeigten, dass erhabene Ringe mit genau der richtigen Größe, die die Oberfläche bedeckten, dazu führten, dass aus einem aufprallenden Tröpfchen Wasser nach oben spritzt. Die Autoren sprechen in diesem Fall von einem schalenförmigen Verteilungsmuster. Die Höhe und das Profil solcher Strukturen bestimmen auch, wie sich der Tropfen beim Aufprall verhält. Sind die Ringe im Vergleich zur Geometrie eines Tropfens zu groß oder zu klein sind, wird das System ineffektiv.
Jedes Material kann bearbeitet werden
Doch wie kommt es überhaupt zur starken Wirkung auf die Tröpfchen? „Ihr Impuls wird nach oben abgelenkt“, so Henri-Louis Girard vom MIT. Das erkläre geringere Wechselwirkungen und letztlich weniger Energieaustausch mit Materialien. Oberflächen vereisen nicht, und die Strukturen poröser Materialien bleiben intakt.
Girard zufolge sei die Struktur wichtig, nicht jedoch die chemische Zusammensetzung der untersuchten Werkstücke. Die Ringe selbst können auf unterschiedliche Weise und aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, sagen die Forscher – es komme nur auf die Größe und den Abstand an. Für ihre Tests verwendeten sie auf ein Substrat gedruckte 3D-Ringe. In anderen Studien untersuchten sie Muster, die über einen Ätzprozess ähnlich der Mikrochipherstellung entstanden sind. Andere Ringe wurden durch computergesteuertes Fräsen von Kunststoff hergestellt. Legierungen, wie sie im Flugzeugbau oder bei Windkraftanlagen verwendet wurden, haben die Forscher aber noch nicht untersucht.
Zahlreiche industrielle Anwendungen denkbar
Die neue Oberflächenstruktur bringt einen großen Vorteil mit sich. Während höhere Geschwindigkeiten normalerweise den unerwünschten Effekt von Tröpfchen vergrößern, ist hier genau das Gegenteil der Fall: Schnelle Tröpfchen verbessen die Wirksamkeit der neuen Oberflächenstrukturen. Denn mehr Impuls beim Auftreffen bedeutet – wie Girard erklärt hat – auch mehr Ablenkung.
Damit sind zahlreiche Möglichkeiten zur Anwendung denkbar, etwa in der Luftfahrt – wo das Problem bis heute besteht. Beispielsweise verunglückte der Air-France-Flug 7775 am 25. Januar 2007 auf dem Flughafen Pau-Pyrenäen genau aus diesem Grund. Auf den Tragflächen hatten sich durch Feuchtigkeit der Luft Eiskristalle gebildet. In jedem Winter wird dies mit großem Aufwand beim sogenannten De-icing verhindert. Meist kommen hier Chemikalien zum Einsatz. Das neue System soll nicht nur Eis von Flugzeugflügeln fernhalten, sondern Rotoren von Windkrafträdern verbessern oder Oberflächen, welche der Witterung ausgesetzt sind, besser schützen. Energieverluste ließen sich den Autoren zufolge auch minimieren. Daten haben sie aber dazu noch nicht vorgelegt.
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