Effizientere Kühlsysteme auf Wasserbasis

Wissenschaftler entwickeln eine neue Oberfläche, um den Leidenfrost-Effekt zu beherrschen

Forschung
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Der Leidenfrost-Effekt beschreibt das Springen von Wassertropfen auf heißem Untergrund. In Industrie und Technik ist dieser Effekt jedoch unerwünscht. Beispielsweise verringert er die Effizienz von Kühlsystemen, oder aber er bremst beim Härten von Metallen mit Flüssigkeiten das Herabkühlen des Werkstückes.

Wenn der Untergrund deutlich wärmer ist als die Verdunstungstemperatur der Flüssigkeit, verdampft die Unterseite der Tropfen sofort bei Kontakt. Die Resttropfen springen dann auf einem dünnen Polster aus Wasserdampf herum. Ein Herabkühlen des Werkstückes, das beispielsweise beim Härten doch möglichst schnell geschehen soll, wird durch die Dampfschicht zwischen Werkstück und Kühlmedium gestört. 

Ziel von Ingenieuren ist es daher, den Leidenfrost-Effekt zu verringern und die Wärmeübertragung bei hohen Temperaturen zu verbessern. 

Beispielsweise kann das durch Strukturen in den Oberflächen von Materialien erzielt werden. Indem Kanäle an der Oberfläche angebracht werden, lassen sich die Benetzungsphänomene von der Dampfdynamik entkoppeln und der Fest-Flüssig-Kontakt verbessern. Damit kann der Leidenfrost-Effekt gegenwärtig bis zu einer Temperatur von ca. 500 °C verhindert werden. Soll jedoch über einen größeren Temperaturbereich thermisch gekühlt werden, ist eine Maximierung des Leidenfrostpunkts nicht mehr möglich. 

Wissenschaftler der City University of Hong Kong haben nun ein rationelles Design entwickelt, mit dem der Leidenfrost-Effekt bis zu 1.150 °C verhindert werden kann. Damit liegen sie um 600 °C über der Temperatur, die bisher erreicht werden konnte. Die Flüssigkeit verdampft, statt herumzuspringen, wobei die Wärmeübertragung erhalten bleibt.

„Panzerung“ nennen die Wissenschaftler das Design. Es besteht aus Stahlpfeilern, die als Wärmebrücken dienen, einer eingebetteten Isoliermembran, die die Flüssigkeit aufnimmt und verteilt, und U-förmigen Kanälen für die Dampfabfuhr. Die Kombination von Materialien mit gegensätzlichen thermischen und geometrischen Eigenschaften erzeugt eine seitliche Dochtwirkung und verbessert die thermische Kühlung. Diese thermischen Panzerungen, die sich zudem flexibel gestalten lassen, sind nur durch ihren Schmelzpunkt begrenzt und nicht durch ein Versagen des Designs. 

Damit birgt die Entdeckung das Potenzial, eine effiziente Wasserkühlung bei ultrahohen Festkörpertemperaturen zu ermöglichen.