Spritzen Sie ein paar Tropfen Wasser auf eine heiße Pfanne. Wenn die Pfanne heiß genug ist, beginnt das Wasser zu zischen und die Wassertropfen scheinen zu rollen und zu schweben und über der Oberfläche zu schweben.
Die Temperatur, bei der dieses Phänomen, Leidenfrost-Effekt genannt, auftritt, ist vorhersehbar und liegt normalerweise über 230 Grad Celsius. Das Team von Jiangtao Cheng, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau der Virginia Tech, hat eine Methode entdeckt, um die Wasserlevitation bei einer viel niedrigeren Temperatur zu erzeugen, und die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturphysik.
Neben dem Erstautor und Doktoranden Wenge Huang arbeitete Chengs Team in Teilen der Forschung mit dem Oak Ridge National Lab und der Dalian University of Technology zusammen.
Die Entdeckung bietet großes Potenzial für Wärmeübertragungsanwendungen, beispielsweise für die Kühlung von Industriemaschinen und die Reinigung von Oberflächenverschmutzungen bei Wärmetauschern. Sie könnte auch dazu beitragen, Schäden und sogar Katastrophen an Nuklearmaschinen zu verhindern.
Derzeit gibt es in den USA mehr als 90 zugelassene und betriebsbereite Kernreaktoren, die zig Millionen Haushalte mit Strom versorgen, lokale Gemeinden antreiben und tatsächlich die Hälfte der sauberen Stromproduktion des Landes ausmachen. Es sind Ressourcen erforderlich, um diese Reaktoren zu stabilisieren und zu kühlen, und die Wärmeübertragung ist für den normalen Betrieb von entscheidender Bedeutung.
Die Physik des schwebenden Wassers
Der Leidenfrost-Effekt ist seit drei Jahrhunderten ein unter Physikern wohlbekanntes Phänomen. Er bestimmt die Temperatur, bei der Wassertropfen auf einem Bett aus ihrem eigenen Dampf schweben. Obwohl allgemein bekannt ist, dass der Effekt bei 230 Grad Celsius beginnt, haben Cheng und sein Team diese Grenze deutlich niedriger angesetzt.
Der Effekt entsteht, weil zwei verschiedene Zustände von Wasser nebeneinander existieren. Wenn wir das Wasser auf der Höhe des Tropfens sehen könnten, würden wir feststellen, dass nicht der gesamte Tropfen an der Oberfläche kocht, sondern nur ein Teil davon. Die Hitze verdampft den Boden, aber die Energie durchdringt nicht den gesamten Tropfen. Der flüssige Teil über dem Dampf erhält weniger Energie, da ein Großteil davon zum Kochen des Bodens verwendet wird. Dieser flüssige Teil bleibt intakt, und das ist es, was wir auf seiner eigenen Dampfschicht schwimmen sehen. Dieser Effekt wird seit seiner Entdeckung im 18. Jahrhundert als Leidenfrost-Effekt bezeichnet, benannt nach dem deutschen Arzt Johann Gottlob Leidenfrost.
Diese hohe Temperatur liegt deutlich über dem Siedepunkt von Wasser bei 100 Grad Celsius, denn die Hitze muss hoch genug sein, um sofort eine Dampfschicht zu bilden. Ist sie zu niedrig, schweben die Tröpfchen nicht. Ist sie zu hoch, verdampft die Hitze das gesamte Tröpfchen.
Neue Arbeiten an der Oberfläche
Bei der herkömmlichen Messung des Leidenfrost-Effekts wird davon ausgegangen, dass die erhitzte Oberfläche flach ist, sodass die Hitze gleichmäßig auf die Wassertropfen trifft. Chengs Team hat im Fluid Physics Lab der Virginia Tech einen Weg gefunden, den Ausgangspunkt des Effekts zu senken, indem es eine mit Mikrosäulen bedeckte Oberfläche erzeugt.
„Wie die Papillen auf einem Lotusblatt verzieren Mikrosäulen nicht nur die Oberfläche“, sagt Cheng. „Sie verleihen der Oberfläche neue Eigenschaften.“
Die von Chengs Team entwickelten Mikrosäulen sind 0,08 Millimeter hoch, was etwa der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Sie sind in einem regelmäßigen Muster mit einem Abstand von 0,12 Millimetern angeordnet. Ein Wassertropfen besteht aus 100 oder mehr von ihnen. Diese winzigen Säulen drücken sich in einen Wassertropfen, geben Wärme in das Innere des Tropfens ab und bringen ihn schneller zum Kochen.
Im Vergleich zur traditionellen Ansicht, dass der Leidenfrost-Effekt bei 230 Grad Celsius ausgelöst wird, drücken die lamellenartigen Mikrosäulen mehr Wärme ins Wasser als eine flache Oberfläche. Dies führt dazu, dass Mikrotröpfchen bei niedrigeren Temperaturen innerhalb von Millisekunden schweben und von der Oberfläche abspringen, da die Siedegeschwindigkeit durch Veränderung der Säulenhöhe gesteuert werden kann.
Die Grenzen von Leidenfrost senken
Beim Erhitzen der strukturierten Oberfläche stellte das Team fest, dass die Temperatur, bei der der Schwebeeffekt erzielt wurde, deutlich niedriger war als bei einer flachen Oberfläche, nämlich ab 130 Grad Celsius.
Dies ist nicht nur eine neue Entdeckung für das Verständnis des Leidenfrost-Effekts, sondern auch eine Überschreitung der bisher angenommenen Grenzen. Eine Studie der Emory University aus dem Jahr 2021 ergab, dass die Eigenschaften des Wassers tatsächlich dazu führten, dass der Leidenfrost-Effekt versagte, wenn die Temperatur der erhitzten Oberfläche auf 140 Grad abfiel. Mit den von Chengs Team entwickelten Mikrosäulen ist der Effekt sogar 10 Grad darunter aufrechterhalten.
„Wir dachten, die Mikrosäulen würden das Verhalten dieses wohlbekannten Phänomens verändern, aber unsere Ergebnisse übertrafen sogar unsere eigenen Vorstellungen“, sagte Cheng. „Die beobachteten Wechselwirkungen zwischen Blasen und Tröpfchen sind eine große Entdeckung für die Wärmeübertragung beim Sieden.“
Der Leidenfrost-Effekt ist nicht nur ein faszinierendes Phänomen, sondern auch ein kritischer Punkt bei der Wärmeübertragung. Wenn Wasser kocht, wird die Wärme am effizientesten von einer Oberfläche abgeleitet. Bei Anwendungen wie der Maschinenkühlung bedeutet dies, dass die Anpassung einer heißen Oberfläche an den von Chengs Team vorgestellten strukturierten Ansatz die Wärme schneller ableitet und so die Möglichkeit von Schäden verringert, die durch eine zu heiße Maschine entstehen.
„Unsere Forschung kann Katastrophen wie Dampfexplosionen verhindern, die eine erhebliche Gefahr für industrielle Wärmeübertragungsanlagen darstellen“, sagte Huang. „Dampfexplosionen treten auf, wenn sich Dampfblasen in einer Flüssigkeit aufgrund einer nahegelegenen intensiven Wärmequelle schnell ausdehnen. Ein Beispiel, wo dieses Risiko besonders relevant ist, sind Kernkraftwerke, wo die Oberflächenstruktur von Wärmetauschern das Wachstum von Dampfblasen beeinflussen und möglicherweise solche Explosionen auslösen kann. Durch unsere theoretische Untersuchung in diesem Artikel untersuchen wir, wie die Oberflächenstruktur das Wachstum von Dampfblasen beeinflusst, und liefern wertvolle Erkenntnisse zur Kontrolle und Minderung des Risikos von Dampfexplosionen.“
Eine weitere Herausforderung, der sich das Team widmete, sind die Verunreinigungen, die Flüssigkeiten in den Texturen rauer Oberflächen hinterlassen, was eine Herausforderung für die Selbstreinigung darstellt. Unter Sprühreinigungs- oder Spülbedingungen können weder herkömmliche Leidenfrost- noch kalte Tropfen bei Raumtemperatur abgelagerte Partikel vollständig von Oberflächenrauheiten entfernen.
Mit Chengs Strategie können durch die Bildung von Dampfblasen diese Partikel von der Oberflächenrauheit gelöst und im Tropfen suspendiert werden. Das bedeutet, dass die kochenden Blasen sowohl Wärme als auch Verunreinigungen von der Oberfläche wegtransportieren können.
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Naturphysik (2024).