Die konstruierte Oberfläche sorgt dafür, dass gekochte Blasen springen und mehr Wärme transportieren

Wasser ist oft die wichtigste Ressource für die Wärmeübertragung und wird in großen Kühlbetrieben verwendet, beispielsweise in Rechenzentren, die das Internet mit Strom versorgen, und in Kernkraftwerken, die Städte mit Strom versorgen. Die Entdeckung dynamischer Phänomene, um die wasserbasierte Wärmeübertragung energie- und kosteneffizienter zu machen, ist die laufende Arbeit von Jonathan Boreyko, außerordentlicher Professor und John R. Jones III Faculty Fellow für Maschinenbau.

Boreyko und sein Team haben ausführlich zum Thema Wasser und der Art und Weise, wie es sich bewegen kann, veröffentlicht. Mitglieder seines Nature-Inspired Fluids and Interfaces Lab produzieren Wassertröpfchen, die durch Oberflächenspannung springen, und Frost, der durch Elektrostatik springt. Nachdem in den ersten beiden Bänden die beiden Phasen Flüssigkeit und Feststoff integriert wurden, untersucht ihr dritter Band eine dritte Phase mit kochendem Wasser.

„Während meiner Doktorarbeit an der Duke University habe ich springende Wassertropfen entdeckt“, sagte Boreyko. „Ein Jahrzehnt später entdeckte mein Doktorand während seiner Forschungen zum Frostwachstum springendes Eis. Dies veranlasste mich dazu, eine dreiphasige ‚Trilogie‘ für springendes Wasser zu vervollständigen, was uns hier mit dieser Arbeit über springende Blasen beim Kochen von Wasser gelungen ist Wasser. Als Hyunggon mir die ersten Videos dieser springenden Blasen zeigte, die die Trilogie vervollständigen, war ich natürlich ganz aufgeregt.“

Der Doktorand Hyunggon Park hat einen mikrostrukturierten Kessel entwickelt, der in der Lage ist, Blasen von einem Zehntel der üblichen Größe freizusetzen und dabei eine stetige Blasenflut zum Energietransport einzusetzen. Das Ergebnis ist eine effizientere Methode zur Wärmeableitung von einer Oberfläche. Die Studie ist veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

Aufbauend auf Kochen

Kochen ist der effizienteste Weg, Wärme kontinuierlich durch Wasser zu übertragen. Bleibt das Sieden konstant, so bleibt auch die Energieabgabe konstant. Energie wird in Blasen abtransportiert, wie kugelförmige Autos, die Passagiere mit Wärme befördern. Diese Blasen verschwinden normalerweise, wenn ihr eigener Auftrieb stärker wird als die Oberflächenhaftung, wodurch sie an die Oberfläche steigen und Energie freisetzen.

Die neue Methode von Park und Boreyko verbessert dieses Prinzip, indem sie die Flotte der Bubble-Cars kleiner und zahlreicher macht. Da es zu einem konstanteren Abgang der Blasen kommt, steigen auch mehr Energiepassagiere aus. Die Blasen warten nicht auf ihren eigenen Auftrieb, um die Arbeit zu erledigen, sondern sie springen schneller von der erhitzten Oberfläche weg. Da die Blasen auch mikroskopisch klein sind, hat das Team einen Fehler gelöst, der bei größeren Blasen auftritt und die Wärmeabfuhr blockiert.

„Normalerweise löst der Auftrieb diese Oberflächenblasen ab, wenn sie einen Durchmesser von Millimetern haben, sodass sie entweichen und die Wärme als Dampf abführen können“, sagte Boreyko. „Beim Sieden bei höheren Temperaturen verschmelzen diese großen Oberflächenblasen zu einem kontinuierlichen Dampffilm. Dieser Film isoliert die Flüssigkeit von der heißen Oberfläche, was zu einem Zusammenbruch der Wärmeübertragung führt.“

Ingenieurwesen auf Oberflächenebene

Das Geheimnis der Methode des Teams liegt in den von ihnen geschaffenen technischen Oberflächen. Durch die Herstellung einer Reihe von Mikrohohlräumen auf der Siedeoberfläche bilden sich bevorzugt Blasen und wachsen in den Hohlräumen. Hohlraumpaare werden absichtlich sehr nahe beieinander platziert, wodurch benachbarte Blasen zu ungewöhnlich kleinen Größen verschmelzen. Bei solch kleinen Größen ist die Kraft der Oberflächenspannung sehr stark, was dazu führt, dass die Blasen beim Verschmelzen von der Oberfläche wegspringen. Im Falle eines Rechenzentrums könnte eine schnellere Ableitung der Wärme von einer Oberfläche den Unterschied zwischen dem normalen Betrieb und kostspieligen Ausfallzeiten ausmachen.

In vielerlei Hinsicht ist dieser springende Blaseneffekt den springenden Tautropfen, die Boreyko zuvor entdeckt hatte, sehr ähnlich. Der Einsatz der Oberflächenspannung erwies sich in beiden Fällen als wertvoll, doch der zusätzliche Faktor Wärme bringt neue Dynamik ins Bild.

Wenn man diese Teile zusammenfügt, geht Boreyko davon aus, dass das Sprungphänomen bei der Suche nach weit verbreiteten Anwendungen für Kühlung und Wärmeübertragung praktischer sein wird.

„Damit die Tröpfchen springen, braucht die Oberfläche eine hydrophobe Beschichtung und ultrakleine Nanostrukturen, die beide fragil und teuer sind“, erklärt Boreyko. „Im Gegensatz dazu springen Blasen lieber auf einer hydrophilen Oberfläche, was die Verwendung unbeschichteter Metalle ermöglicht. Außerdem sind die für springende Blasen erforderlichen Mikrohohlräume viel größer und langlebiger als die Nanostrukturen, die für springende Tröpfchen erforderlich sind.“

Dieses Projekt legt tiefergehende Grundlagen für das Verständnis der Strömungsmechanik des Sprungblaseneffekts. Der nächste Schritt besteht darin, die verbesserte Wärmeübertragung durch Sieden zu messen, die über einen weiten Bereich von Temperaturen und Oberflächengeometrien abgebildet wird, um ein besseres Verständnis des vollen Potenzials des sprungverstärkten Siedens zu erlangen.