Physik Journal 2 / 2015

Brüht man beispielsweise Kaffeebohnen mit heißem Wasser auf, lösen sich Koffein und Geschmacksstoffe, und das Ergebnis ist gewöhnlicher Kaffee. Ganz anders, wenn man überkritisches Kohlendioxid statt Wasser nimmt: Dann geht nur das Koffein in Lösung, die Geschmacksstoffe aber bleiben in den Bohnen, die sich nun als koffeinfreier Kaffee aufbrühen lassen. Die Rolle des Lösungsmittels bei diesem und vielen anderen Prozessen auf der Ebene einzelner Moleküle zu verstehen und ein vollständiges Bild zu entwickeln, ist Ziel des Exzellenzclusters RESOLV (Ruhr Explores SOLVation), in dem Chemiker, Chemieingenieure, Physiker und Biologen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie benachbarter Universitäten und Forschungs­institute zusammen arbeiten. „Wir möchten ‚Solvation Science‘ als eigenes interdisziplinäres Forschungsfeld etablieren, ähnlich wie die Neurowissenschaften“, sagt Martina Havenith, Professorin für Physikalische Chemie und Cluster-Koordinatorin. ...

Gibt man einen Tropfen Wasser auf Tierfell, Vogel­federn oder einen Insektenflügel, dann bildet der Tropfen nur eine kleine Kontaktfläche und perlt ab. Diese schlechte Benetzbarkeit ist für viele Tiere enorm wichtig, denn sie sorgt dafür, Luftpolster im Fell, den Federn oder Flügeln zu stabilisieren und auf diese Weise die lebenswichtige Wärmeisolation bzw. Flugfähigkeit zu erhalten [1 – 3]. Auch viele Pflanzen besitzen solche superhydrophoben Oberflächen, etwa die Lotus­blume. Ihre Blätter zeigen einen weiteren nützlichen Effekt, der super­hydro­phobe Oberflächen interessant für Anwendungen macht: die Selbstreinigung [4]. Regentropfen sammeln Staub und andere Partikel auf den Lotusblättern auf und rollen damit vom Blatt. Transparente selbstreinigende Beschichtungen wären z. B. für schwer zugängliche Fenster oder für Solarzellen auf Hausdächern interessant. Weitere potenzielle Anwendungen für superhydrophobe Oberflächen könnten darin bestehen, Vereisen zu verzögern oder Kondensation zu kontrollieren, etwa um Süßwasser zu gewinnen oder die Bildung von Biofilmen in Trink­wasser- oder Kühlsystemen (Biofouling) zu verhindern.

Um auf die Ursache des superhydrophoben Effekts eingehen zu können, müssen wir die wichtigste Beobachtungsgröße diskutieren: den Kontaktwinkel (Abb. 1). Dazu betrachtet man das Gleichgewicht der Kräfte an der Kontaktlinie zwischen fester Oberfläche, Tropfen und Luft (Dreiphasen-Kontaktlinie). Für eine idealisierte, d. h. glatte, inerte, harte Oberfläche, auf der sich eine Flüssigkeit befindet, ist der Kontakt­winkel gegeben durch die nach Thomas Young (1773 – 1829) benannte Gleichung ...

Ein Wärmespeicher im engeren Sinne des Wortes ist ein geschlossenes thermodynamisches System, dessen Gleichgewichtszustand X = (U1 … UN, V1 … VM) nur durch Ändern der Energiekoordinaten Ui, jedoch nicht durch Ändern der Arbeitskoordinaten Vi verändert wird [1]. Nach dieser zugegebenermaßen abstrakten Definition besteht der einfachste Wärmespeicher aus einem System mit konstantem Volumen V (Arbeitskoordinate), dessen einzige relevante Zustandsfunktion die Innere Energie U (Energiekoordinate) als Funktion der Temperatur oder der Entropie ist. Im Gegensatz dazu verkörpert ein adiabatisch komprimiertes Gasvolumen keinen Wärmespeicher im Sinne dieser Definition, weil seine innere Energie U durch Manipulation an der Arbeitskoordinate V erhöht worden ist. Im weiteren Sinne des Wortes gehören zu einem Wärmespeicher auch z. B. elektrische Heizwendel beim Nachtspeicherofen („Beladeeinrichtungen“) oder ein Dampfkraftprozess bei einem Solarkraftwerk („Entladeeinrichtungen“). Charakterisieren lässt sich ein Wärmespeicher über die Speichertemperatur TH, die Energiespeicherdichte q in Wh/kg, den Speicherwirkungsgrad in Prozent, die maximale Zyklenzahl und die spezifischen Investitionskosten in Euro/Wh.

Der Vergleich mit anderen Speichertechnologien wie Batterien, Supercaps oder Schwungrädern zeigt schnell, dass sich Wärmespeicher nicht durch eine besonders hohe Energiespeicherdichte auszeichnen. Ihre drei wichtigsten Vorzüge sind vielmehr ihr niedriger Preis sowie die Tatsachen, dass sie ihre Eigenschaften auch über viele Zyklen behalten (hohe Zyklenfestigkeit) und dass Wärmespeichermaterialien (Infokasten) im Unterschied zu Lithium, Platin oder Kupfer nicht importiert werden müssen und in großen Mengen zur Verfügung stehen (Ressourcengenügsamkeit). Diese Vorteile gelten gleichermaßen für die drei nachfolgend beschriebenen Typen von Wärmespeichern und geben den Ausschlag für ihr großes Anwendungspotenzial. ...