Eine neue Theorie eines Forschungsteams der TU Darmstadt beschreibt den Effekt, dass gleitende Tropfen Oberflächen elektrisch aufladen. Die neuen Erkenntnisse sollen helfen, den so entstehenden Strom praktisch nutzbar zu machen.
Vom Regen hatten wir in letzter Zeit wahrlich genug. Entsprechend missmutig blickt der Pfiffikus aktuell gen Himmel, wenn er graue Wolken über ihm hängen sieht. Höchste Zeit, dass die Wolkenbrüche auch mal etwas Positives an sich haben. Und genau hier hat ein Forschungsteam der TU Darmstadt kürzlich eine interessante Entdeckung gemacht. Konkret haben die Forschenden den Effekt untersucht, dass gleitende Tropfen Oberflächen elektrisch aufladen. Die dabei entstehenden Spannungen befinden sich im nicht insignifikanten Bereich von Kilovolt.
Dieser Effekt wird bereits seit Jahren erforscht, konnte aber bisher nicht wissenschaftlich exakt beschrieben werden. Das ist nun dem Team um Aaron Ratschow und Lisa Bauer vom Fachgebiet für Nano- und Mikrofluidik am Fachbereich Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt gelungen. „Der Effekt hat eine große technische Relevanz“, sagt Ratschow. Er tritt immer dann auf, wenn Flüssigkeitstropfen auf nicht leitende Oberflächen treffen wie beispielsweise bei Pflanzenschutzmittel auf Blättern, selbstreinigenden Oberflächen oder Sprüh- und Druckprozessen in der Industrie. „Doch ohne ein theoretisches Verständnis des Effektes lassen sich experimentelle Daten nicht gut einordnen“, betont Ratschow.
Spannende Experimente
Es sei schwer, belastbare Vorhersagen aus den Daten zu gewinnen. Das Team der TU Darmstadt wollte die Mechanismen verstehen, die dem Phänomen zugrunde liegen. Im Rahmen ihrer Forschung entwickelten sie eine Theorie, die es ermöglichen soll, Experimente gezielt zu designen und ihren Ausgang vorherzusagen. Demnach entsteht Spannung, weil Moleküle an der Oberfläche aufgebrochen werden, wenn der Tropfen darüberrollt und die unterschiedlich geladenen Molekülteile anschließend voneinander getrennt werden – die einen bleiben auf der Oberfläche, die anderen wandern in den Tropfen hinein.
Wie das geschieht, wird von diversen Faktoren beeinflusst. Diese fassten die Forschenden in einem Computermodell zusammen und erstellten mit den so gewonnenen Daten ein mathematisches Modell, das es ermöglicht, aus den Eigenschaften der Oberfläche und der darauf gleitenden Flüssigkeit zu berechnen, welche Spannungen entstehen und welche Ladungsmengen fließen. Zwei praktisch relevante Faktoren haben sich dabei herauskristallisiert. Zum einen zeigte sich, dass sich umso mehr Ladung bildet, je hydrophober die Oberfläche ist. Zum anderen erwies sich die Strömung innerhalb des Flüssigkeitstropfens als besonders einflussreich. Die Flüssigkeit wird beim Gleiten umgewälzt, sodass elektrisch geladene Molekülteile von der Oberfläche weggerissen werden.
„Das führt zu dem überraschenden Effekt, dass weniger Ladung entsteht, wenn die Tropfen schnell gleiten“, sagt Ratschow. Das Darmstädter Team hofft nun, dass dies zu vielen innovativen Anwendungen führen wird. Regenfälle nutzbar zu machen, um Strom zu erzeugen, wäre da mit Sicherheit eine spannende Möglichkeit. Der Pfiffikus ist aber nun mal SHKler und denkt natürlich als Erstes an die Dusche. Wenn pfiffige Entwickler einen Weg finden, diesen Effekt auch dort nutzbar zu machen, haben wir vielleicht irgendwann alle unser eigenes kleines Mini-Kraftwerk im Bad.
Ihr
Pfiffikus