Forscher lassen Wasser schneller “schweben”, könnte Akw sicherer machen

Gibt man einige Tropfen Wasser in eine heiße Pfanne, bilden sich scheinbar schwebende Wassertropfen auf der Oberfläche. Das ist der sogenannte Leidenfrost-Effekt, der normalerweise erst bei einer Temperatur von 230 Grad Celsius auftritt. Amerikanische Forschende haben nun aber einen Weg gefunden, wie das bereits bei einer wesentlich geringeren Temperatur von 140 Grad gelingt. Das könnte viele technische Anwendungen verbessern und Atomkraftwerke sicherer machen.

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Leidenfrost-Effekt hebt Wasser vom Boden

Beim Leidenfrost-Effekt existieren eigentlich zwei verschiedene Zustände von Wasser nebeneinander: Würde man ganz nah an die Tropfen in der Pfanne heranzoomen, würde man sehen, dass nicht der ganze Tropfen in der Luft schwebt. Tatsächlich ist es nur der obere Teil. Die Energie der Hitze durchdringt nicht den ganzen Tropfen – nur der untere Teil verdampft, während der obere intakt bleibt und auf der Dampfschicht aufliegt. Damit der Effekt eintritt, muss die Temperatur deutlich über dem Siedepunkt von Wasser (100 Grad Celsius) liegen, damit die Dampfschicht in der Pfanne entsteht. Ist die Temperatur zu niedrig, schweben die Tröpfchen nicht, ist sie hingegen zu hoch, verdampft der ganze Tropfen.

Mikrosäulen erhitzen Tropfen von Innen

Bisher dachte man, dass man für den Leidenfrost-Effekt eine heiße, aber gleichzeitig flache Oberfläche benötigt, auf der sich die Wärme gleichmäßig verteilt. Forschende der Virginia Tech haben nun jedoch einen Weg gefunden, die Hitze durch den Einsatz von Mikrosäulen zu reduzieren. Der Forscher Jiantao Cheng vergleicht ihre Struktur in einem Blogartikel mit der besonderen Beschaffenheit von Lotusblättern, von denen Tropfen schneller abperlen.

Sie entwickelten eine Oberfläche mit Mikrosäulen, die etwa den Durchmesser eines menschlichen Haares haben und in einem regelmäßigen Raster mit Abständen von 0,12 mm angeordnet sind. Diese Säulchen drücken sich in die Wassertropfen hinein und setzen direkt im Tropfen Wärme frei. Dadurch beginnen die Wassertropfen schneller zu sieden.

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„Unsere Forschung kann Katastrophen wie Dampfexplosionen verhindern, die industrielle Wärmeübertragungsgeräte gefährden“, sagte der beteiligte Forscher Wenge Huang. „Dampfexplosionen treten auf, wenn sich Dampfblasen in einer Flüssigkeit wegen einer intensiven Wärmequelle in der Nähe schnell ausdehnen. Ein wichtiges Beispiel sind Kernkraftwerke, wo die Oberflächenstruktur von Wärmetauschern das Wachstum von Dampfblasen beeinflussen und möglicherweise solche Explosionen auslösen kann“, erklärte Huang. Eine geringere Dampfblasenbildung durch eine Reduktion der Hitze könnte daher auch dazu beitragen, dass Atomkraftwerke sicherer werden.