Wasser wird viel gekocht – sei es beim Aufbrühen einer Tasse Tee in der Küche oder bei der Stromerzeugung in einem Kraftwerk. Jede Verbesserung der Effizienz dieses Prozesses wird einen enormen Einfluss auf die Gesamtenergiemenge haben, die täglich dafür verwendet wird.
Eine solche Verbesserung könnte mit einer neu entwickelten Behandlung für Oberflächen einhergehen, die beim Erhitzen und Verdampfen von Wasser zum Einsatz kommen. Die Behandlung verbessert zwei Schlüsselparameter, die den Siedeprozess bestimmen: den Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) und den kritischen Wärmefluss (CHF).
Meistens gibt es einen Kompromiss zwischen den beiden – wenn sich das eine verbessert, wird das andere schlechter. Nach jahrelanger Forschung hat der Forschungsbegriff hinter der Technik einen Weg gefunden, beides zu verbessern.
„Beide Parameter sind wichtig, aber die Verbesserung beider Parameter zusammen ist etwas schwierig, weil sie einen intrinsischen Kompromiss haben“, sagt der Bioinformatiker Youngsup Song vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien.
„Wenn wir viele Blasen auf der kochenden Oberfläche haben, bedeutet das, dass das Kochen sehr effizient ist, aber wenn wir zu viele Blasen auf der Oberfläche haben, können sie zusammenfließen, was einen Dampffilm über der kochenden Oberfläche bilden kann.“
Jeder Dampffilm zwischen der heißen Oberfläche und dem Wasser führt zu Widerstand, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz und der CHF-Wert gesenkt werden. Um das Problem zu umgehen, entwickelten die Forscher drei verschiedene Arten der Oberflächenmodifikation.
Zunächst wird eine Reihe von Röhrchen im Mikromaßstab hinzugefügt. Diese Anordnung von 10 Mikrometer breiten Röhren mit einem Abstand von etwa 2 Millimetern kontrolliert die Blasenbildung und hält die Blasen an den Hohlräumen fest. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Dampffilm bildet.
Gleichzeitig verringert es die Konzentration von Blasen auf der Oberfläche, wodurch die Siedeeffizienz verringert wird. Um dem entgegenzuwirken, führten die Forscher als zweite Modifikation eine noch kleinere Behandlung ein, indem sie Erhebungen und Grate von nur wenigen Nanometern Größe in die Oberfläche der hohlen Röhren einfügten. Das erhöht die verfügbare Oberfläche und fördert die Verdunstungsraten.
Schließlich wurden die mikroskaligen Hohlräume in der Mitte einer Reihe von Säulen auf der Materialoberfläche untergebracht. Diese Säulen beschleunigen den Abzugsprozess der Flüssigkeit, indem sie mehr Oberfläche hinzufügen. In Kombination wird die Siedeeffizienz deutlich erhöht.
(Lied et al.)
Oben: Ein verlangsamtes Video des Aufbaus der Forscher zeigt Wasser, das auf einer speziell behandelten Oberfläche kocht, wodurch sich an bestimmten Stellen Blasen bilden.
Da die Nanostrukturen auch die Verdunstung unter den Blasen fördern und die Säulen diese Blasenbasis ständig mit Flüssigkeit versorgen, kann eine Wasserschicht zwischen der siedenden Oberfläche und den Blasen aufrechterhalten werden – was den maximalen Wärmefluss erhöht.
„Zu zeigen, dass wir die Oberfläche auf diese Weise kontrollieren können, um eine Verbesserung zu erzielen, ist ein erster Schritt“, sagt die Maschinenbauingenieurin Evelyn Wang vom Massachusetts Institute of Technology. „Dann ist der nächste Schritt, über skalierbarere Ansätze nachzudenken.“
“Diese Art von Strukturen, die wir erstellen, sollen in ihrer derzeitigen Form nicht skaliert werden.”
Die Arbeit aus einer kleinen Laborumgebung in etwas zu überführen, das in der kommerziellen Industrie verwendet werden kann, wird nicht so einfach sein, aber die Forscher sind zuversichtlich, dass dies möglich ist.
Eine Herausforderung wird darin bestehen, Wege zu finden, die Oberflächentexturen und die drei “Ebenen” der Modifikationen zu erstellen. Die gute Nachricht ist, dass es verschiedene Ansätze gibt, die untersucht werden können, und das Verfahren sollte auch für verschiedene Arten von Flüssigkeiten funktionieren.
„Solche Details können geändert werden, und das kann unser nächster Schritt sein“, sagt Song.
Die Forschung wurde in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.