Feste Oberflächen und Fluide

Wenn sich feste Oberflächen und Fluide nahe kommen

Wissenschaftler der TU Darmstadt erforschen, was sich an den Grenzen zwischen festen Oberflächen und Fluiden abspielt. Bild: Katrin Binner
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Wissenschaftler der TU Darmstadt erforschen, was sich an den Grenzen zwischen festen Oberflächen und Fluiden abspielt. Bild: Katrin Binner

Ob der Anorak Regentropfen abperlen lässt oder aufsaugt, ist entscheidend für das eigene Wohlbefinden. Ob der Reibungswiderstand des Autos gegenüber Luft groß oder klein ist, wirkt sich auf den Spritverbrauch aus. Ob Wasser intensiv oder moderat siedet, beeinflusst das Zeitmanagement des Kochs oder der Köchin. Die drei Beispiele haben eines gemein: Sie handeln von der Wechselwirkung eines Gases oder einer Flüssigkeit mit einer festen Oberfläche. Wasser wechselwirkt mit dem Stoff oder der Topfinnenfläche, Luft mit dem Autoblech.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt haben die Expertise, die Interaktion von festen Oberflächen mit Fluiden, also Gasen und Flüssigkeiten, genau zu verstehen. Sie erforschen bis auf die Ebene einzelner Atome und Moleküle, was sich an den Grenzflächen abspielt. Das Wissen darüber erlaubt es, Oberflächen gezielt so zu entwerfen, dass maximaler Nutzen für den Anwender entsteht, dass also die Oberfläche Wasser gleichmäßig verteilt oder dass ein Flugzeugtragflügel der Luft möglichst wenig Widerstand entgegensetzt.

Um dieses Ziel zu erreichen, bündelt der Forschungscluster „Smart Interfaces – Thermo-Fluiddynamik und Verbrennungstechnologie“ Expertise aus fünf Fachbereichen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen.

Turbulenzen vermeiden mit Plasmaaktuatoren

Plasmaaktuatoren an den Tragflächen verbessern den Auftrieb. Bild: Katrin Binner
Plasmaaktuatoren an den Tragflächen verbessern den Auftrieb. Bild: Katrin Binner

Für Flugzeuge spielt die wenige Millimeter dicke Luftschicht direkt auf der Tragfläche eine entscheidende Rolle. In dieser sogenannten Grenzschicht tut sich sehr viel: Die Luftmoleküle, die die Tragfläche berühren, haften an ihr und werden vom Flugzeug mitgerissen. Die Luftmoleküle darüber sind schon etwas langsamer und am oberen Ende der Schicht haben sie das gleiche Tempo wie die umgebende Luft, sind also in der Regel viel langsamer als die untersten Luftteilchen. In der dünnen Schicht fliegen die Luftmoleküle also mit höchst unterschiedlichem Tempo.

Die Luftmoleküle bewegen sich nicht immer gleichmäßig auf parallelen Bahnen, sondern oft auch chaotisch durcheinander. Die Turbulenzen entstehen je nach Fluggeschwindigkeit unterschiedlich weit stromab der Tragflächenvorderkante. Sie sind unerwünscht, weil sie den Luftwiderstand des Flugzeugs und damit den Treibstoffverbrauch erhöhen.

Forscher der TU Darmstadt haben einen Weg gefunden, die Turbulenzen teilweise zu unterdrücken. Sie tun das mit einem so genannten Plasmaaktuator. Dieser ionisiert mithilfe einer Hochspannung die neutralen Luftmoleküle. Die geladenen Teilchen werden durch das elektrische Feld beschleunigt. So entsteht eine Kraft direkt in der Luft. Durch exaktes Pulsen dieser Kraft können vorhandene Störungen in der Grenzschicht, welche sonst schnell zum Umschlag zur Turbulenz führen würden, heraus geglättet werden. Dies bewirkt, dass der Übergang zur Turbulenz weiter zur Hinterkante des Flügels verschoben wird. Der Anteil turbulenter Umströmung wird also geringer. Der Luftwiderstand nimmt ab.

Plasmaaktuatoren können im Prinzip immer dort eingesetzt werden, wo sich ein Körper durch Luft bewegt – das trifft etwa auch auf Gasturbinen zu.

An diesen Schichten haftet nichts

Das Lotusblatt: das bekannteste Beispiel für selbstreinigende Oberflächen. Bild: Center of Smart Interfaces
Das Lotusblatt: das bekannteste Beispiel für selbstreinigende Oberflächen. Bild: Center of Smart Interfaces

Autofahrer sparen sich den Weg in die Waschstraße, weil Regen den Schmutz vom Autolack makellos wegspült. Die Natur weiß, wie es geht: Die Oberfläche der Lotuspflanze lässt Regentropfen abperlen. Dabei nehmen die Tropfen Schmutzpartikel mit. Die Oberfläche der Lotuspflanze ist selbstreinigend. Zwar hat der Mensch sich das Prinzip von der Natur abgeschaut und längst selbstreinigende Produkte hergestellt, etwa Fassadenfarben oder Kleidung, die Kaffee und Ketchup abweisen.

Doch das Auto mit Lotuseffekt lässt auf sich warten. Denn selbstreinigende Beschichtungen sind noch nicht kratzfest und langzeitstabil genug. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungsclusters „Smart Interfaces“ wollen das ändern.

Die selbstreinigende Wirkung des Lotus-Effekts ruht auf zwei Säulen. Zum einen muss die Oberfläche wasserabweisend sein. Dadurch saugen die Wassertropfen sich nicht fest und behalten, statt eine Kuppelform anzunehmen, ihre Kugelgestalt weitgehend bei. Sie bilden nur eine kleine Kontaktfläche aus, wie ein am Boden liegender Badeball, aus dem ganz wenig Luft entwichen ist. Zum anderen bewirken mikroskopisch kleine, an Fußball-Stollen erinnernde Unebenheiten auf der Oberfläche, dass der Wassertropfen wie auf einem Nagelbett liegt und dadurch noch weniger Oberflächenkontakt hat. Daher rollt der Tropfen leicht von der Oberfläche ab. Weil Schmutzpartikel ebenfalls wenig Kontakt zur Beschichtung haben, lassen sie sich von den abrollenden Tröpfchen leicht mitreißen.

Nach dem Vorbild der Himbeere

Stadien des Tropfenaufpralls auf einer Himbeerteilchen-Oberfläche (oben), einem Lotusblatt (Mitte) und einer Glasoberfläche (unten). Bild: Center of Smart Interfaces
Stadien des Tropfenaufpralls auf einer Himbeerteilchen-Oberfläche (oben), einem Lotusblatt (Mitte) und einer Glasoberfläche (unten). Bild: Center of Smart Interfaces

Um die Beschichtungen beständiger zu machen, haben die Forscher mikroskopisch kleine Kügelchen hergestellt, die an Himbeeren erinnern. Sie bestehen aus einer Hülle aus hartem Siliziumdioxid (Silica), auf denen winzigste Noppen sitzen. Ihre Rauigkeit minimiert die Kontaktfläche mit den Wassertropfen. In den Kügelchen befindet sich ein Kern aus dem Kunststoff Polystyrol.

Die zu behandelnde Oberfläche wird mit den Kügelchen beschichtet. Anschließend werden sie mit einem Lösungsmittel bedampft, in dem sich das Polystyrol gut löst. Das Plastik dringt durch Poren in den Silica-Hüllen nach außen und verteilt sich zwischen den Kügelchen. Es bilden sich Plastikbrücken, welche die Kügelchen dauerhaft zusammenhalten.

Siedende Prozessoren

Druckzelle für Messungen zur Verdampfungskühlung. Bild: Katrin Binner
Druckzelle für Messungen zur Verdampfungskühlung. Bild: Katrin Binner

Die Prozessoren in Computern leisten immer mehr auf immer kleinerem Raum. Wenn sie ihre Rechenleistung noch weiter konzentrieren, wird es zum Wärmestau kommen: Die Abwärme wird sich mit Ventilatoren nicht mehr abführen lassen, weil Luft Wärme nicht hinreichend abtransportiert. Helfen könnte ein Phänomen, das eher aus der Küche bekannt ist als aus dem Büro: das Sieden. Denn die Dampfblasen transportieren in kurzer Zeit sehr viel Energie vom Topfboden in die Flüssigkeit hinein. Das Sieden einer Flüssigkeit könnte Prozessoren daher geräuscharm und dennoch effizient kühlen.

Doch Sieden ist nicht gleich Sieden. Je nachdem, wie die heiße Oberfläche geformt ist, entstehen in der Flüssigkeit darüber mehr oder weniger Dampfblasen und lösen sich unterschiedlich schnell von der Oberfläche ab. Das Ziel der Forscher ist es, möglichst viele Dampfblasen zu erzeugen, die sich möglichst schnell ablösen, sodass Wärme möglichst effizient abtransportiert wird.

So haben sie etwa eine an ein „Nagelbett“ erinnernde Oberfläche mit mikroskopisch kleinen Nadeln entworfen, auf der sich sehr viele Bläschen bilden und sich schnell ablösen. Das „Nagelbett“ transportiert Wärme zehnmal schneller ab als eine glatte Oberfläche.

Weiter forschen für mehr Effizienz

Siedeexperiment zur Kühlung eines Computerchips. Bild: Center of Smart Interfaces
Siedeexperiment zur Kühlung eines Computerchips. Bild: Center of Smart Interfaces

Aber das ist keine Universallösung. Die Industrie verwendet unterschiedliche Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen für ihre Kälteanlagen. Um dafür gezielt Oberflächen entwerfen zu können, müssen die Forscher im Detail verstehen, wie Siedeblasen entstehen, welche Temperatur sie lokal haben und wie sie sich schließlich ablösen.

Dazu machen sie Siedeexperimente im Labor und in Forschungsflugzeugen, die auf so genannten Parabelbahnen fliegen, wobei in ihrem Inneren Schwerelosigkeit herrscht. Die Schwerelosigkeit ist für die Forscher interessant, weil die Blasen sich vergrößern und langsamer abreißen. Durch diese „Zeitlupe“ wird der Prozess leichter beobachtbar. Zusätzlich machen die Forscher Computersimulationen, die ihnen helfen, den Wärmetransport beim Sieden quantitativ zu verstehen.

Sie sammeln dabei Wissen, das sich vielseitig anwenden lässt. So erzeugen auch Automotoren auf immer kleinerem Raum immer höhere Leistungen. Wenn sich die dabei entstehende Wärme mithilfe intelligenter Oberflächen noch schneller abführen ließe, könnten Motoren noch kleiner und dabei noch leistungsfähiger werden.