Hämmernde Tröpfchen

Fällt ein Wassertröpfchen auf eine Oberflläche, entstehen dabei kurzzeitig hohe Drücke.  

Wer in einem älteren Gebäude wohnt kennt die pochenden Geräusche in den Heizungsrohren. Dieser sogenannte Wasserschlag kann vorkommen, wenn ein Ventil in einem Rohr, das Wasser oder Dampf führt, plötzlich geöffnet oder geschlossen wird. Dabei entsteht eine Druckwelle, die so stark sein kann, dass manchmal sogar das Rohr platzt. Wissenschaftler haben nun gezeigt, dass ein ähnlicher Effekt auftritt, wenn ein Wassertröpfchen auf eine Oberfläche fällt.

Die Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Columbia (USA) und der Northwestern University in Evanston (USA) untersuchten die Dynamik von Tröpfchen, die auf eine superhydrophobe Oberfläche auftreffen. Bisherige Experimente befassten sich hauptsächlich damit, wie solche Flächen benetzt werden und wie kleine Tropfen sich zu größeren zusammen schließen, wobei das Wasser langsam auf die Oberfläche gebracht wird. Reale Anwendungen von solchen wasserabweisenden Oberflächen sind allerdings oftmals wesentlich dynamischer.

Schlägt ein Tröpfchen auf eine superhydrophobe Fläche, erfährt es eine schnelle innere Abbremsung, die hohe Drücke verursacht. Dieser kleine aber intensive Druckstoß ist beispielsweise für den Lochfraß und die Erosion an den Schaufeln von Kraftwerksturbinen von entscheidender Bedeutung.

 Abb.: Die Aufnahme einer High-Speed-Kamera zeigt ein Tröpfchen, das auf eine superhydrophobe Oberfläche trifft, kurz bevor es sich vom Tropfer löst. Im Moment der Trennung bewegen sich Wellen durch das Tröpfchen nach unten, die die plötzliche Abbremsung durch den Aufprall zeigen, der das Auftreten eines kurzen und hohen Drucks verursacht. (Bild: Kripa Varanasi)

Die dynamische Untersuchung von Oberflächen, die so strukturiert sind, dass Wasser an Ihnen abperlt, kann helfen, Turbinenschaufeln so zu konstruieren, dass deren Lebensdauer erhöht wird. Sie ermöglicht, die optimale Größe und Form der Strukturen zu bestimmen, die entscheidend für die hydrophoben Eigenschaften einer Fläche sind.
 

Die Experimente stehen im Kontext der Erforschung, wie die Bildung von Eis auf entsprechend strukturierten Flugzeugflügeln verhindert werden kann. Die Ergebnisse lassen sich aber auf weit mehr Anwendungsgebiete übertragen. Neben den Kraftwerksturbinen könnten sie Einfluss auf die Verflüssiger in Entsalzungsanlagen oder auch auf Tintenstrahldrucker, bei denen Tintentröpfchen auf eine Oberfläche gebracht werden, haben.

MH