Mikroskopische Löcher verhindern Kavitations-Erosion

Materialforscher der Uni Magdeburg haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich künftig eine durch Flüssig­keits­ströme verursachte Material­schädigung, die Kavitations-Erosion, in Schiffs­schrauben oder Turbinen verhindert lässt. Die Ursache für diese Erosion selbst von Stahl sind Kavitations­blasen: Wenn Flüssig­keiten mit hoher Geschwindig­keit strömen oder sich ein Objekt sehr schnell durch eine Flüssig­keit bewegt, bilden sich an den Ober­flächen spezifische Blasen, zum Beispiel an Schiffs­propellern, in Pumpen oder Düsen und selbst an künst­lichen Herz­klappen. Die Blasen brechen nach kurzer Zeit implosions­artig in sich zusammen. Dabei entstehen extreme Drücke von über tausend Bar. Diese Kräfte führen zum Beispiel an einer sich schnell drehenden Schiffs­schraube zur stetigen Erosion des Materials.

„Materialschädigung durch Kavitations­blasen ist ein altes und vor allem unge­löstes Problem in Maschinen und Anlagen“, sagt Claus-Dieter Ohl von der Uni Magde­burg. „Mit dem Beginn der motor­getriebenen Trans­atlantik-Schiff­fahrt im 19. Jahr­hundert hat man bemerkt, dass die Schiffs­propeller nur eine einzige Über­fahrt über­stehen.“ Obwohl welt­weit viele Gruppen an der Kontrolle von Kavitation und deren Schädigung arbeiteten, hätten es Material­wissen­schaftler bisher aber nicht geschafft, zum Beispiel Legierungen zu finden, die resistent gegen die Erosion durch Kavitation seien, so Ohl. „Wir sind mit unserer Forschung deshalb einen anderen Weg gegangen und haben nicht das Material selbst, sondern dessen Ober­flächen­struktur so verändert, dass die Kavitations­blasen erst gar keinen Kontakt mit der Ober­fläche finden und somit sie auch nicht zerstören können.“

Das neue Verfahren basiert darauf, die Ober­flächen gezielt so zu verändern, dass die Kavitations­blasen von ihnen abge­stoßen werden. Dazu wurden in die Ober­flächen, zum Beispiel in Metall, mikro­skopisch kleine Löcher gebohrt. Die spezi­fische Struktur der Löcher führt zur Bildung von Gasblasen an der Ober­fläche, die extrem wasser­abweisend wirken. Wenn sich nun Kavitations­blasen diesem Schild aus Gasblasen nähern, werden sie abgestoßen und an der Erosion des Materials gehindert. Diese Abstoßung konnte sowohl experi­mentell als auch mit mathema­tischen Modellen bewiesen werden.

Die größte Herausforderung dabei sei gewesen, die durch die Löcher entstandenen Gasblasen an den Ober­flächen zu stabili­sieren, so der Material­forscher. „Hier haben wir uns einen Trick von der Natur abgeschaut. Die Öffnungen im Material haben eine ähnliche Struktur wie der Brust­bereich von Meer­wasser­läufern“, erläutert Ohl. „Der Wasser­läufer braucht für seinen Auftrieb stabile Gasblasen am Körper. Genauso wie die Natur benötigen wir keine chemische Behandlung, um die Ober­flächen­strukturen wasser­abweisend zu machen.“

OVGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. R. Gonzalez-Avila et al.: Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces, Sci. Adv. 6, eaax6192 (2020); DOI: 10.1126/sciadv.aax6192
• Abt. Physik der weichen Materie (C.-D. Ohl), Institut für Physik, Fklt. für Naturwissenschaften, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg