Neue Methode kann Wasserschwebewirkung bei viel niedrigeren Temperaturen erzeugen und hat Auswirkungen auf die Kühlung von Kernreaktoren

Gießen Sie ein paar Tropfen Wasser in eine heiße Pfanne. Wenn die Pfanne heiß genug ist, zischt das Wasser und die Wassertropfen scheinen zu rollen und zu schweben und über der Oberfläche zu schweben.

Die Temperatur, bei der dieses als Leidenfrost-Effekt bezeichnete Phänomen auftritt, ist vorhersehbar und liegt im Allgemeinen über 230 Grad Celsius. Das Team von Jiangtao Cheng, einem außerordentlichen Professor an der Fakultät für Maschinenbau der Virginia Tech, entdeckte eine Methode, um Wasserschwebewirkung bei einer viel niedrigeren Temperatur zu erzeugen, und die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Natürliche Physik.

Neben dem Erstautor und Ph.D. Student Wenge Huang, Chengs Team arbeitete für Teile der Forschung mit dem Oak Ridge National Laboratory und der Dalian University of Technology zusammen.

Diese Entdeckung hat großes Potenzial für Wärmeübertragungsanwendungen wie die Kühlung von Industriemaschinen und die Reinigung von Oberflächenschmutz für Wärmetauscher. Es könnte auch dazu beitragen, Schäden oder sogar Katastrophen an Atommaschinen zu verhindern.

Derzeit gibt es in den Vereinigten Staaten mehr als 90 lizenzierte Kernreaktoren, die zig Millionen Haushalte mit Strom versorgen, lokale Gemeinschaften unterstützen und tatsächlich für die Hälfte der sauberen Stromerzeugung des Landes verantwortlich sind. Die Stabilisierung und Kühlung dieser Reaktoren erfordert Ressourcen, und die Wärmeübertragung ist für den normalen Betrieb von entscheidender Bedeutung.

Die Physik des schwebenden Wassers

Seit drei Jahrhunderten ist der Leidenfrost-Effekt ein den Physikern wohlbekanntes Phänomen, das die Temperatur bestimmt, bei der Wassertröpfchen auf einem Bett aus ihrem eigenen Dampf schweben. Obwohl weithin dokumentiert wurde, dass die Temperatur bei 230 Grad Celsius beginnt, haben Cheng und sein Team diese Grenze deutlich gesenkt.

Dieser Effekt tritt auf, weil zwei unterschiedliche Wasserzustände nebeneinander existieren. Wenn wir das Wasser auf der Höhe der Tropfen sehen könnten, würden wir beobachten, dass nicht der gesamte Tropfen an der Oberfläche kocht, sondern nur ein Teil davon. Die Hitze verdampft am Boden, die Energie durchdringt jedoch nicht den gesamten Tropfen. Der flüssige Teil über dem Dampf erhält weniger Energie, da ein Großteil davon zum Sieden des Bodens verwendet wird. Dieser flüssige Teil bleibt intakt und wir sehen ihn auf seiner eigenen Dampfschicht schweben. Seit seiner Entdeckung im 18. Jahrhundert spricht man vom Leidenfrost-Effekt, benannt nach dem deutschen Arzt Johann Gottlob Leidenfrost.

Diese heiße Temperatur ist viel höher als der Siedepunkt von Wasser bei 100 Grad Celsius, da die Hitze hoch genug sein muss, um sofort eine Dampfschicht zu bilden. Zu niedrig und die Tröpfchen schweben nicht. Zu hoch und die Hitze verdampft den gesamten Tropfen.

Neue Oberflächenarbeiten

Bei der herkömmlichen Messung des Leidenfrost-Effekts wird davon ausgegangen, dass die erhitzte Oberfläche flach ist, sodass die Wärme die Wassertropfen gleichmäßig erreicht. Chengs Team arbeitete im Fluid Physics Lab der Virginia Tech und fand einen Weg, den Ausgangspunkt des Effekts zu senken, indem es eine mit Mikropillen bedeckte Oberfläche erzeugte.

„Wie die Papillen eines Lotusblatts schmücken die Mikropillen nicht nur die Oberfläche“, sagte Cheng. „Sie verleihen der Oberfläche neue Eigenschaften.“

Die von Chengs Team entworfenen Mikropillen sind 0,08 Millimeter hoch und damit etwa so breit wie ein menschliches Haar. Sie sind in einem regelmäßigen Muster im Abstand von 0,12 Millimetern angeordnet. Ein Wassertropfen enthält 100 oder mehr. Diese winzigen Säulen drücken sich in einen Wassertropfen, geben im Inneren des Tropfens Wärme ab und lassen ihn schneller kochen.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Ansicht, dass der Leidenfrost-Effekt bei 230 Grad Celsius ausgelöst wird, geben die flossenartigen Mikrosäulen mehr Wärme an das Wasser ab als eine flache Oberfläche. Dadurch schweben die Mikrotröpfchen und springen innerhalb von Millisekunden von der Oberfläche zu niedrigeren Temperaturen, da die Siedegeschwindigkeit durch Veränderung der Höhe der Säulen gesteuert werden kann.

Senkung der Grenzen von Leidenfrost

Als die strukturierte Oberfläche erhitzt wurde, stellte das Team fest, dass die Temperatur, bei der der Schwebeeffekt erzielt wurde, deutlich niedriger war als die einer flachen Oberfläche, beginnend bei 130 Grad Celsius.

Dies ist nicht nur eine neue Entdeckung für das Verständnis des Leidenfrost-Effekts, sondern auch eine Revolution in Bezug auf die bisher angenommenen Grenzen. Eine Studie der Emory University aus dem Jahr 2021 ergab, dass die Eigenschaften von Wasser tatsächlich dazu führten, dass der Leidenfrost-Effekt versagte, wenn die Temperatur der erhitzten Oberfläche auf 140 Grad sank. Dank der von Chengs Team geschaffenen Mikrosäulen hält der Effekt sogar bei 10 Grad unter der Temperatur an.

„Wir dachten, dass Mikropillen das Verhalten dieses bekannten Phänomens verändern würden, aber unsere Ergebnisse forderten sogar unsere Vorstellungskraft heraus“, sagte Cheng. „Die beobachteten Blasen-Tröpfchen-Wechselwirkungen stellen eine wichtige Entdeckung für die Wärmeübertragung durch Sieden dar.“

Der Leidenfrost-Effekt ist nicht nur ein faszinierendes Phänomen, er ist auch ein kritischer Punkt bei der Wärmeübertragung. Wenn Wasser kocht, leitet es die Wärme effektiver von einer Oberfläche ab. Bei Anwendungen wie der Maschinenkühlung bedeutet dies, dass die Anpassung einer heißen Oberfläche an den von Chengs Team vorgestellten strukturierten Ansatz eine schnellere Wärmeabgabe ermöglicht und das Risiko von Schäden verringert, die entstehen, wenn eine Maschine zu heiß wird.

„Unsere Forschung kann Katastrophen wie Dampfexplosionen verhindern, die eine erhebliche Bedrohung für industrielle Wärmeübertragungsanlagen darstellen“, sagte Huang. „Dampfexplosionen treten auf, wenn sich Dampfblasen in einer Flüssigkeit aufgrund der Anwesenheit einer starken Wärmequelle in der Nähe schnell ausdehnen. Ein Beispiel dafür, wo dieses Risiko besonders relevant ist, sind Kernkraftwerke, wo die Oberflächenstruktur von Wärmetauschern das Dampfwachstum beeinflussen kann.“ Durch unsere theoretische Untersuchung in der Arbeit untersuchen wir, wie sich die Oberflächenstruktur auf die Wachstumsart von Dampfblasen auswirkt und liefern so wertvolle Informationen zur Kontrolle und Minderung des Risikos von Dampfexplosionen.

Eine weitere Herausforderung, mit der sich das Team befasst, betrifft die Verunreinigungen, die Flüssigkeiten in den Texturen rauer Oberflächen hinterlassen, was zu Problemen bei der Selbstreinigung führt. Unter Sprühreinigungs- oder Spülbedingungen können weder herkömmliches Leidenfrost noch kaltes Tröpfchen bei Raumtemperatur auf Oberflächenrauheiten abgelagerte Partikel vollständig entfernen.

Mit Chengs Strategie gelingt es durch die Erzeugung von Dampfblasen, diese Partikel von der Oberflächenrauheit zu lösen und sie im Tröpfchen zu suspendieren. Dies bedeutet, dass die kochenden Blasen sowohl Wärme als auch Verunreinigungen von der Oberfläche abziehen können.