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Springende Tropfen statt Enteisen

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Wie auf einem Trampolin springt der Tropfen auf der mikrostrukturierten Oberfläche (ETH Zürich)
Das Enteisen von Flugzeugen ist bisher eine zeitraubende Angelegenheit, bei Frost aber unentbehrlich. Aber was wäre, wenn die Oberfläche der Tragflächen von selbst verhinderte, dass sich Eis bildet? Ein großer Schritt in diese Richtung ist nun Züricher Forschern gelungen. Sie haben eine Oberflächenstruktur entwickelt, die Wassertropfen und Eispartikel geradezu von sich wegkatapultiert. Der Clou dahinter: Die spezielle Struktur der Fläche und thermische Eigenheiten des unterkühlten Wassers lassen die Tröpfchen von selbst in die Höhe springen.

Wer in den Wintermonaten mit dem Flugzeug reist, wird oft Zeuge eines lästigen und zeitraubenden Rituals: Spezielle, mit Düsen ausgerüstete Fahrzeuge besprühen die Tragflächen des Flugzeugs mit einer Spezialflüssigkeit, um so die Eisbildung zu verhindern. Das ist nötig, weil schon kleinste Wassertröpfchen bei Minusgraden zu Eis gefrieren können, wenn sie sich auf den Flugzeugflügeln niederlassen. Das wiederum kann gefährlich werden, weil das anhaftende Eis das Gewicht des Flugzeugs erhöht und zudem den Luftstrom beim Start verwirbelt und dadurch den Auftrieb des Flugzeugs mindern kann. Diese Enteisung funktioniert zwar ganz gut, hat aber Nachteile: Sie kostet wertvolle Zeit und ihre Wirkung hält nicht lange an. Um eine Vereisung der Tragflächen im Flug zu verhindern, sind die am stärksten gefährdeten Flächen des Flügels und der Triebwerke bei den meisten Passagiermaschinen beheizbar.

Säulchen auf Silizium

Noch besser wäre es natürlich, wenn die Eistropfen erst gar nicht an den Tragflächen hafteten oder von diesen sogar aktiv abgestoßen würden – ähnlich wie beim Lotuseffekt mancher Oberflächen. Dass man tatsächlich Materialien entwickeln kann, die selbst bei Frost Wasser und Eis abstoßen, haben nun Thomas Schutzius von der ETH Zürich und seine Kollegen in einem Experiment belegt. Der Clou des Ganzen liegt dabei in einer von ihnen entworfenen superhydrophoben Oberfläche: Aus einer Siliziumschicht ragen nur wenige Mikrometer hohe Säulchen in die Höhe, die in regelmäßigen Abständen von fünf Mikrometern angeordnet sind. Diese Mikrostruktur sorgt dafür, dass sich Wassertropfen nicht festsetzen können und damit auch keine Eisschicht bilden. „Aus unseren Forschungsergebnissen können wir ableiten, wie Oberflächen generell beschaffen sein müssen, um Wasser und Eis energisch abzustoßen, und sie dann entsprechend designen“, sagt Seniorautor Dimos Poulikakos von der ETH.

Doch das ist noch nicht alles. Um die Wirkungsweise ihrer Oberfläche zu testen, brachten die Forscher kleine Wassertröpfchen zum Springen. Sie setzten dafür einen millimetergroßen Tropfen auf die Silizium-Oberfläche und senkten dann den Luftdruck in der Versuchskammer langsam ab. Eine Hochgeschwindigkeitskamera filmte währenddessen das Verhalten des Tropfens. Zunächst blieb dieser still auf der Oberfläche liegen, doch bei etwa einem Zwanzigstel des normalen Atmosphärendrucks geschah Seltsames: Der Tropfen sprang hoch, landete wieder auf der Oberfläche und sprang dann erneut hoch – und zwar noch höher als beim ersten Mal. Wie ein Trampolinspringer, der mit jedem Sprung vom elastischen Sprungtuch an Höhe gewinnt, wurde auch der Wassertropfen bei jedem Kontakt mit der Oberfläche immer höher geschleudert, obwohl die Siliziumoberfläche starr und unelastisch war. Auf den ersten Blick widerspricht dies grundlegenden physikalischen Gesetzen, denn selbst ein Flummi verliert bei jedem Aufprall Energie und springt daher von Mal zu Mal weniger hoch.

Tropfen mit Raketenantrieb

Woher aber kam die Kraft, die die Tropfen zu Trampolinspringern machte? Um das herauszufinden, analysierten die Forscher detailliert die Bewegungen des Tropfens und ermittelten mithilfe einer Wärmebildkamera die Temperaturverteilung in seinem Inneren. Dabei zeigte sich: Der springende Tropfen besitzt eine Art Rückstoßantrieb. Beim Aufprall auf die mikrostrukturierte Oberfläche entsteht ein Polster aus Wasserdampf, das ihn jedes Mal wieder in die Höhe katapultiert. Die Energie und Wärme für das Verdampfen des Wassers stammen dabei aus einem Prozess, der Rekaleszenz genannt wird. Dieser Effekt ist aus der Metallverarbeitung bekannt, etwa bei geschmiedetem Eisen, das sich während des Abkühlens kurzfristig noch einmal von selbst bis zur Rotglut erhitzt. Das liegt daran, dass das Innere des Eisens erstarrt und dabei latente Wärme freisetzt. Ganz Ähnliches geschieht bei dem Wassertropfen: Ein Tropfen, der unter den Gefrierpunkt abkühlt, bildet winzige Eiskristalle. Die Wärme, die bei dieser Kristallisation frei wird, heizt den Tropfen auf. „Diese Erwärmung passiert in wenigen Millisekunden und führt im Anschluss daran zu einer explosiven Verdampfung“, erklärt Schutzius. Danach kühlt der Tropfen erneut ab und der Zyklus wiederholt sich.

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Was aber bedeutet dies nun für die Enteisung von Oberflächen? Wie die Forscher erklären, haben die Tropfen mit „Raketenantrieb“ einen doppelten Vorteil: Sie lagern sich gar nicht erst auf der Oberfläche ab und reißen zudem winzige Eiskristalle, die vielleicht doch schon auf ihr liegen, durch ihren Wasserdampf-Ausstoß mit sich in die Höhe. Voraussetzung des Ganzen ist allerdings, dass die Struktur der Oberfläche genau das richtige Maß an Rauigkeit hat. Sie muss rau genug sein, damit der Wassertropfen nicht an ihr hängen bleibt, aber auch wiederum nicht so rau, dass der Wasserdampf zu schnell durch die Poren und Ritzen der Oberfläche entweichen kann. Denn dann würde der Raketeneffekt buchstäblich verpuffen. Bisher klappt die „Sprung-Enteisung“ bei den von Schutzius und seinen Kollegen entworfenen Oberflächen nur bei einem Unterdruck. Doch die Forscher hoffen, den Trampolin-Mechanismus schon bald so optimieren zu können, dass der auch bei normalem Luftdruck funktioniert. Dann wären verschiedenste Anwendungen denkbar, die von eisfreien Hochspannungsleitungen bis hin zu wasser- und eisabweisenden Straßenbelägen reichen – und vielleicht eines Tages die Enteisung von Flugzeugflügeln überflüssig machen.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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♦ Elek|tro|lyt|kup|fer  〈n. 13; unz.〉 durch Elektrolyse gewonnenes, reinstes Kupfer mit hoher elektr. Leitfähigkeit

♦ Die Buchstabenfolge elek|tr… kann in Fremdwörtern auch elekt|r… getrennt werden.

Isa|tin  〈n. 11; unz.; Chem.〉 in gelbroten Prismen kristallisierende, organ.–chem. Verbindung zur Herstellung von indigoartigen Farbstoffen [<grch. isatis, ... mehr

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