11.09.2018

Der Leidenfrost-Motor

Verdampfende Wassertropfen treiben sich auf einer heißen Oberfläche selbstständig an.

Bereits vor mehr als 250 Jahren beschrieb Johann Gottlob Leiden­frost aus Duisburg den wirren Tanz von Wasser­tropfen auf eine heißen Herdplatte. Bis heute lassen sich im Leidenfrost-Effekt neue Details zur Dynamik der auf einem Dampfkissen schwebenden Tropfen entdecken. Französische Physiker ana­lysierten nun die genauen Ursachen für einen eigen­ständigen Antrieb der tanzenden Wasser­tropfen. Auf dieser Basis könnte der thermische Levitations­effekt für eine gerichtete und kontrollier­bare Bewegung von Tropfen auf heißen Flächen genutzt werden.

Abb.: Leidenfrost-Effekt im Detail: Wassertropfen auf einer heißen Platte treiben sich durch eine Rotation des Wassers im Innern selbstständig an. (Bild: A. Bouillant, C. Boutilier & D. Quéré)

David Quéré und seine Kollegen von der École Supérieure de Physique et de Chimie Indus­trielles ESPCI in Paris ließen für ihre Versuche aber­hunderte Wasser­tropfen auf eine glatte, 350 Grad Celsius heiße Silizium­scheibe fallen. Die Bewegungen der Tropfen verfolgten die Wissen­schaftler mit einer Hochgeschwindig­keitskamera mit bis zu 4000 Bildern pro Sekunde. Zusätzlich konnten sie die Dynamik im Innern der Tropfen über den Zusatz knapp zwölf Mikrometer durch­messenden Glas­kügelchen sichtbar machen. Gerade diese Methode – die Teilchen­bildgeschwindig­keitsmessung oder Particle Image Velo­cimetry – offenbarte die Bildung von Konvektions­zellen in den Tropfen.

Die Physiker entdeckten bei ihren Experimenten, dass nur annähernd kugel­förmige Tropfen mit einem Durch­messer von etwa einem Millimeter sich selbst effektiv antreiben konnten. Nach dem Auftreffen auf die heiße Fläche bewegten sie sich mit einer Beschleu­nigung von bis zu knapp neun Zentimetern pro Quadrat­sekunde etwa gleich­verteilt in beliebige Richtungen. Größere Tropfen dagegen zeigten diese Dynamik nicht, verfügten folglich über keinen messbaren inneren Antrieb. Dieser Effekt lässt sich auch auf der eigenen Herdplatte beobachten: Größere Wasser­tropfen tendieren eher als kleinere dazu, an einer Position zu verharren.

Die Ursache für dieses Verhalten offen­barte sich den Forschern bei der Analyse der Strömungen im Innern der Tropfen. In den kleineren Wasser­tropfen bildete sich unter der Hitze der Silizium­scheibe eine einzige Konvektions­zelle. Das etwas heißere Wasser im unteren Teil des Tropfens stieg auf, etwas kälteres Wasser im oberen Teil fiel herab, so dass das Wasser im Tropfen in Rotation versetzt wurde. Diese Rotation diente nicht nur als Antrieb, sondern verursachte auch einen winzigen Druck­unterschied innerhalb des Tropfens.

Das hatte zur Folge, dass die Kontakt­zone aus Wasser­dampf nicht mehr exakt horizontal, sondern um etwa ein Fünftel Grad verkippt war: Auf einer Seite war das Wasser­dampf-Kissen also etwas dünner als auf der gegenüber­liegenden. Durch die innere Rotation angetrieben bewegte sich nun der Tropfen in die Richtung, in der das Wasserdampf-Kissen etwas dünner war. Größere Tropfen ab etwa zwei Millimeter Durchmesser zeigten diesen Antrieb jedoch nicht. Denn sie waren groß genug, dass sich zwei Konvektions­zellen im Innern ausbilden konnten. Die Antriebs­kräfte der inneren Rotation in den Konvektions­zellen hoben sich gegen­seitig auf.

In weiteren Versuchen wollen Quéré und Kollegen diesen Eigen­antrieb der Tropfen noch näher untersuchen und die Randbe­dingungen ihrer Experimente weiter variieren. So wollen sie verstehen, wie sich die Dynamik beim Zusammen­prall mehrerer Tropfen verändert und wie sich eine gefurchte Heizplatte auf die Bewegungen aufwirkt. Ein Ziel dabei ist es, die Richtung der sich selbst antreibenden Tropfen besser kontrol­lieren zu können.

Jan Oliver Löfken

JOL

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