Wackelnde Tröpfchen im Weltraum bestätigen die Theorie des verstorbenen Professors

Zu einer Zeit, in der Astronomen auf der ganzen Welt in neuen Ansichten des fernen Kosmos schwelgen, hat ein Experiment auf der Internationalen Raumstation Cornell-Forschern neue Einblicke in etwas gegeben, das der Heimat etwas näher liegt: Wasser.

Insbesondere beleuchtete die Mikrogravitationsumgebung der Raumstation die Art und Weise, wie Wassertropfen oszillieren und sich über feste Oberflächen ausbreiten – ein Wissen, das sehr erdgebundene Anwendungen im 3D-Druck, in der Sprühkühlung sowie in Fertigungs- und Beschichtungsvorgängen haben könnte.

Das Papier des Forschungsteams, „Oscillations of Drops with Mobile Contact Lines on the International Space Station: Elucidation of Terrestrial Inertial Droplet Spreading“, wurde am 16. August veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung. Der Hauptautor ist Joshua McCraney, Ph.D.

Das Experiment und seine Ergebnisse sind zwar erfolgreich, aber auch bittersüß. Der Mitautor der Veröffentlichung, Paul Steen, Maxwell M. Upson-Professor an der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering des College of Engineering, starb im September 2020, kurz bevor das Experiment durchgeführt wurde.

„Es ist traurig, dass Paul den Start der Experimente ins All nicht miterleben konnte“, sagte Co-Seniorautorin Susan Daniel, Fred H. Rhodes-Professorin an der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering und Steens langjährige Mitarbeiterin. „Wir hoffen, dass wir am Ende alles richtig gemacht haben und dass das Papier, das wir aus der Arbeit produziert haben, ihn stolz machen wird.“

Daniel begann die Zusammenarbeit mit Steen, kurz nachdem sie 2007 zum ersten Mal als Assistenzprofessorin nach Cornell kam. Während sich ihre aktuelle Forschung auf die biologische Grenzfläche des Coronavirus konzentriert, befasste sich ihre Abschlussarbeit mit chemischen Grenzflächen und Strömungsmechanik – ein Gebiet, in dem Steen tätig war eine Reihe von theoretischen Vorhersagen vorantreiben, die darauf basieren, wie Tröpfchen in Resonanz treten, wenn sie Vibrationen ausgesetzt sind. Die beiden Forscher verbanden sich sofort.

„Er kannte die Theorie und machte Vorhersagen, und ich wusste, wie man die Experimente durchführt, um sie zu testen“, sagte Daniel. „Im Grunde haben wir von dem Moment an, als ich 2007 hierher kam, bis zu seinem Tod daran gearbeitet, zu verstehen, wie Flüssigkeiten und Oberflächen miteinander interagieren und wie sich die Kontaktlinie an der Grenzfläche zwischen ihnen unter verschiedenen Bedingungen verhält.“

Ihre Zusammenarbeit führte zu einem „Fotoalbum“ mit Dutzenden möglicher Formen, die ein schwingender Wassertropfen annehmen kann. Später erweiterte Steen dieses Projekt, indem er die Energiezustände der Tröpfchen katalogisierte, wie sie durch diese Resonanzformen belegt sind, und sie in einer „Periodensystem“-Klassifizierung organisierte.

Im Jahr 2016 erhielten Steen und Daniel ein vierjähriges Stipendium von der National Science Foundation (NSF) und dem Center for the Advancement of Science in Space der NASA, um an Bord der International Space Station US National Laboratory Forschungsarbeiten zur Fluiddynamik durchzuführen.

Der Weltraum ist aufgrund der radikalen Verringerung der Schwerkraft, die auf der ISS etwa ein Millionstel ihres terrestrischen Niveaus beträgt, ein idealer Ort, um das Verhalten von Flüssigkeiten zu untersuchen. Dies bedeutet, dass Fluid-Oberflächen-Wechselwirkungen, die auf der Erde so klein und schnell sind, dass sie praktisch unsichtbar sind, im Weltraum fast zehnmal größer sein können – von Mikrometern bis Zentimetern – und ihre Dauer fast 30-mal langsamer ist.

„Es ist schwieriger, diese Fallbewegungen experimentell und grundlegend zu untersuchen, wenn die Schwerkraft im Weg ist“, sagte Daniel.

Steen und Daniel wählten einige Resonanzformen aus ihrem Fotoalbum aus, die sie im Detail untersuchen wollten, wobei sie sich darauf konzentrierten, wie die Kontaktlinie – oder die äußere Kante – eines Wassertropfens über eine Oberfläche hin und her gleitet und so die Ausbreitung der Flüssigkeit beeinflusst , ein Phänomen, das durch Variation der Vibrationsfrequenzen kontrolliert werden kann.

Das Team bereitete akribische Anweisungen vor, denen die Astronauten folgen sollten, und komprimierte vier Jahre Planung in ein mehrere Minuten dauerndes Experiment, bei dem jede Sekunde streng choreografiert war.

Während die Forscher am Boden in Echtzeit überwachten und Feedback gaben, brachten die Astronauten 10-ml-Wassertröpfchen über eine Spritze auf neun verschiedene hydrophobe Oberflächen mit unterschiedlichem Rauhigkeitsgrad auf. Sie zwangen auch Tröpfchenpaare dazu, miteinander zu verschmelzen, platzierten Tröpfchen auf einem Oszillator und stimmten seine Vibrationen ab, um die angestrebten Resonanzformen zu erreichen. Die wackelnden und wackelnden Bewegungen der Wassertropfen wurden gefilmt, und die Forscher verbrachten das nächste Jahr damit, die Daten zu analysieren.

Diese Analyse bestätigte schließlich Steens Theorien darüber, wie die Dichte und Oberflächenspannung einer Flüssigkeit die Beweglichkeit der Kontaktlinie steuern und die Rauheit einer Oberfläche überwinden.

Daniel schreibt Co-Autor Joshua Bostwick, Ph.D., einem ehemaligen Schüler von Steen und jetzt außerordentlicher Professor der Stanzione Collaboration an der Clemson University, zu, dass er dafür gesorgt hat, dass die Experimentergebnisse mit Steens theoretischen Vorhersagen übereinstimmten.

„Josh war in der Lage, die theoretische Seite dieser Arbeit in Pauls Abwesenheit fortzusetzen, was ich nicht bereit war, einzugreifen und zu tun. Es war schön, ihn wieder ins Team aufzunehmen und uns dabei zu helfen, sicherzustellen, dass wir dazu in der Lage waren extrahieren wir alles, was wir konnten, aus den gesammelten Daten“, sagte Daniel. „Jetzt können wir die Theorie, die Paul entwickelt hat, im Wesentlichen verwenden, um Vorhersagen zu treffen, beispielsweise bei Prozessen, bei denen Tröpfchen auf Oberflächen gesprüht werden, oder beim 3D-Druck, oder bei denen sich Flüssigkeiten sehr schnell über eine Oberfläche ausbreiten.“

Vanessa Kern, Ph.D. war auch Co-Autor der Arbeit.