Wenn Sie jemals Wasser auf eine heiße Pfanne gespritzt haben, haben Sie wahrscheinlich gesehen, wie die Tröpfchen über der Oberfläche zu tanzen und zu schweben scheinen. Obwohl es wie ein optischer Trick erscheinen mag, schweben diese Tropfen tatsächlich dank eines Phänomens, das als Leidenfrost-Effekt bekannt ist.
Dieser nach dem deutschen Arzt Johann Gottlob Leidenfrost benannte Effekt wird seit dem 18. Jahrhundert von Physikern untersucht. Es tritt auf, wenn eine Oberfläche heiß genug ist, um die Basis von Wassertröpfchen zu verdampfen und so ein Dampfpolster zu erzeugen, das sie schweben lässt.
Im Allgemeinen wird dieses Phänomen bei Temperaturen über 230 Grad Celsius beobachtet, aber neuere Forschungsergebnisse, die in Nature Physics veröffentlicht wurden, haben diese etablierten Grenzwerte in Frage gestellt.
Einem Team unter der Leitung von Jiangtao Cheng, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Virginia Tech, ist es gelungen, den Leidenfrost-Effekt bei viel niedrigeren Temperaturen, etwa 130 Grad Celsius, auszulösen.
Möglich wurde dies durch die Entwicklung von mit Mikropillen bedeckten Oberflächen. Diese mikroskopisch kleinen Strukturen, die nur 0,08 Millimeter groß sind (ungefähr so dick wie ein menschliches Haar), sind laut einer Pressemitteilung in einem regelmäßigen Muster im Abstand von 0,12 Millimetern angeordnet.
Jeder Wassertropfen verteilt sich über 100 oder mehr dieser Mikropillen. Diese kleinen Säulen erhöhen die Wärmeübertragung auf die Wassertröpfchen, wodurch diese schneller sieden und das Phänomen innerhalb von Millisekunden beobachtet werden kann.
„Wie die Papillen eines Lotusblattes haben die Mikropillen mehr als nur die Verzierung der Oberfläche“, erklärte Cheng. „Sie verleihen der Oberfläche neue Eigenschaften.“
Effiziente Wärmeübertragung
Diese Innovation definiert nicht nur den Leidenfrost-Effekt neu, sondern hat auch wichtige praktische Auswirkungen, insbesondere in Bereichen, die eine effiziente Wärmeübertragung erfordern, wie z. B. die Kühlung von Industriemaschinen und nuklearen Kühltürmen.
Laut Wenge Huang, Doktorandin und Mitglied des Forschungsteams, ermöglicht die Mikrosäulenoberfläche einen effizienteren Wärmeübertragungsmechanismus, der Vorfälle wie Dampfexplosionen verhindern könnte.
„Wir dachten, dass Mikropillen das Verhalten dieses bekannten Phänomens verändern würden, aber unsere Ergebnisse übertrafen sogar unsere eigenen Erwartungen“, sagte Professor Jiangtao Cheng, Leiter der Studie.
Diese Explosionen stellen in industriellen und nuklearen Umgebungen ein ernstes Risiko dar, da sie auftreten, wenn sich Dampfblasen in einer Flüssigkeit aufgrund einer starken Wärmequelle schnell ausdehnen. Die Oberflächenstruktur von Wärmetauschern kann das Wachstum dieser Blasen maßgeblich beeinflussen.
Reinigung in industriellen Umgebungen
Darüber hinaus verbessert diese Mikropillar-Oberflächenstrategie nicht nur die Wärmeübertragung, sondern erleichtert auch die Reinigung der Oberflächen. Die erzeugten Dampfblasen können Partikel und Ablagerungen von Oberflächenstrukturen lösen und so die Effizienz von Reinigungsprozessen in Industrieumgebungen verbessern.
„Wir dachten, dass Mikropillen das Verhalten dieses bekannten Phänomens verändern würden, aber unsere Ergebnisse übertrafen sogar unsere eigenen Erwartungen“, sagte Cheng. „Die beobachteten Wechselwirkungen zwischen Blasen und Tröpfchen sind eine großartige Entdeckung für die Wärmeübertragung beim Sieden“, fügte er hinzu.
