Forscher nehmen Tropfen mit 3D-Hochgeschwindigkeitskameratechnik genau in den Blick

Fabian Krull (li.) und Professor Antonyuk untersuchen, wie Tropfen auf unterschiedliche Oberflächen auftreffen. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Zum Einsatz kommt dabei ein 3D-Hochgeschwindigkeitskamerasystem. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Beim Lotosblatt perlen Tropfen ab, eine Betonwand hingegen benetzen sie. Ursache ist die jeweilige Beschaffenheit der Oberfläche. Winzige Strukturen führen etwa dazu, dass ein Tropfen nicht haftet. Diese Effekte untersuchen Forscher an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) mit einem 3D-Hochgeschwindigkeitskamera-System. So sehen sie, was passiert, wenn Tropfen auf unterschiedliche Oberflächen auftreffen. Die Erkenntnisse können helfen, den Verschleiß bei Maschinen zu senken oder Produktionsanlagen schmutzfrei zu halten. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand von Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Wenn ein Wassertropfen auf ein Lotosblatt fällt, prallt er einfach ab. Dieses als Lotos-Effekt bekannte Phänomen beruht darauf, dass die Oberfläche der Blätter winzige Unebenheiten (Noppen) aufweist, die letztlich dazu führen, dass Tropfen abperlen. Die winzigen Strukturen wurden in den 1970er Jahren vom Botaniker Wilhelm Barthlott dank des Rasterelektronenmikroskops entdeckt. Das Prinzip findet mittlerweile zum Beispiel an Fensterscheiben oder bei Wandfarben Verwendung.

Auch an der TU Kaiserslautern beschäftigen sich Forscher im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik mit diesem Phänomen. Sie gehen der Frage nach, wie sich Tropfen verhalten, wenn sie auf Oberflächen treffen, die unterschiedlich geformte Mikrostrukturen aufweisen, wie etwa Noppen, Gitter- oder Trapezformen. „Dabei geht es um Strukturen, die deutlich kleiner sind als zum Beispiel der Durchmesser eines Haares“, sagt Fabian Krull, der sich im Rahmen seiner Promotion am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik bei Professor Dr. Sergiy Antonyuk mit dem Thema befasst. Sie liegen ungefähr im Bereich zwischen 100 Nanometern und 10 Mikrometern, Dimensionen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Und dennoch können diese Strukturen das Auftreffen der Tropfen auf eine Oberfläche unterschiedlich beeinflussen.

Um diesen Prozess im Detail zu beobachten, kommen drei Hochleistungskameras zum Einsatz. „Sie machen Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln“, sagt Fabian Krull. Eine Software setzt die Daten im Anschluss zu einem 3D-Bild zusammen. „Damit können wir Schritt für Schritt beobachten, was passiert, wenn Tropfen auf verschiedene Oberflächen auftreffen“, sagt Professor Antonyuk. Darüber hinaus simulieren die Ingenieure den Fall der Tropfen in ihren Computermodellen.

Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 926 (SFB) „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ statt, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Die Erkenntnisse der Forscher können künftig zum Beispiel dabei helfen, die Reibung bei Maschinen zu verringern oder Oberflächen in Industrieanlagen derart zu gestalten, dass sich Staub- und Schmutzpartikel nicht auf Maschinen ansammeln. Auch in Krankenhäusern könnten sie zum Einsatz kommen, damit etwa Mikroorganismen nicht haften bleiben.

Auf der Achema werden die Ingenieure ihr Kamerasystem und ihre Forschungsarbeiten vorstellen.