Wassertröpfchen lösen sich unter Gefrierbedingungen nicht spontan von Oberflächen, wie dies bei Raumtemperatur der Fall ist, da die Wechselwirkung zwischen Tröpfchen und Oberfläche stärker ist und kein Energieumwandlungsweg vorhanden ist. Da angesammelte Tröpfchen oder Eis manuell oder mit mechanischen Geräten entfernt werden müssen, was kostspielig und ineffizient ist, ist die Verhinderung der Tröpfchenansammlung auf Oberflächen sowohl wissenschaftlich interessant als auch praktisch wichtig. Forscher der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) haben einen bahnbrechenden, autarken Mechanismus zum Ausstoß gefrierender Tröpfchen erfunden, der es den Tröpfchen ermöglicht, sich selbst wegzuschießen und so den Weg für kosteneffiziente und vielversprechende technologische Anwendungen zu ebnen.
Veröffentlicht in Naturchemieingenieurwesen Das Titelthema der letzten Dezemberausgabe lautet: Das Forschungsprojekt „Freezing Droplet Ejection by Spring-like Elastic Pillars“ wird von Prof. Zuankai WANG, Associate Vice President (Forschung und Innovation), Kuok Group Professor für naturinspirierte Technik und geleitet Lehrstuhlinhaber der PolyU-Fakultät für Maschinenbau und Prof. Haimin YAO, außerordentlicher Professor der PolyU-Fakultät für Maschinenbau. Zu den ersten Co-Autoren gehören der Postdoktorand Dr. Huanhuan ZHANG, der Doktorand Herr Wei ZHANG, der Forschungsassistent Professor Dr. Yuankai JIN und der Doktorand Herr Chenyang WU.
Die Entdeckung des Selbstauswurfphänomens bei gefrierenden Tröpfchen wurde durch einen Pilz inspiriert, der in der Lage ist, seine Sporen durch osmoseinduzierte Volumenausdehnung wegzuschießen. Das Forscherteam stellte fest, dass es beim Gefrieren eines Wassertropfens zu einer ähnlichen Volumenausdehnung kommt, und hat daher den bei den Pilzen gefundenen Selbstschussmechanismus nachgebildet und eine strukturierte elastische Oberfläche (SES) mit federartigen Säulen und Benetzungskontrast entwickelt, die den spontanen Auswurf ermöglicht aus gefrierenden Wassertropfen.
Die SES-Struktur soll die Ausstoßgeschwindigkeit beschleunigen und die kinetische Energieumwandlung gefrierender Tröpfchen vergrößern. Wenn das gefrierende Tröpfchen eine Volumenausdehnung erfährt, komprimiert es die SES-Säule. Die Volumenexpansionsarbeit wird zunächst innerhalb von zehn Sekunden in elastische Energie in der Säule umgewandelt und gespeichert und dann innerhalb von Millisekunden schnell in die kinetische Energie des Tröpfchens umgewandelt. Diese tausendfache Verkürzung der Zeitskalen führt zu ausreichender kinetischer Energie, um den Ausstoß gefrierender Tröpfchen voranzutreiben.
Die einfache SES-Struktur ist nach Parameterdesign effektiv beim Ausstoßen gefrierender Tröpfchen ohne externe Energiezufuhr und sogar gegen die Kräfte von Wind und Schwerkraft. Es kann an Flugzeugen, Windflügeln oder Kabelleitungen angebracht werden, um Gefahren durch Eisbildung vorzubeugen. Dr. Huanhuan Zhang sagte: „Es ist aufregend, dass wir zum ersten Mal ein Konzept zur selbstangetriebenen Eisentfernung einführen, das eine breite Palette innovativer Lösungen bietet. Wir werden das Design von SES kontinuierlich verbessern, damit es hergestellt werden kann.“ verschiedenen Maßstäben und zu geringen Kosten, um den gesellschaftlichen Bedürfnissen gerecht zu werden.“
Darüber hinaus verdeutlicht das im Rahmen der Forschung entwickelte theoretische Modell die Faktoren, die den erfolgreichen Beginn des Gefriertröpfchenausstoßphänomens bestimmen, wobei ein skalierbares Design potenzielle Praktikabilität in verschiedenen Bereichen aufweist.
Prof. Wang stellt sich vor: „Diese von der Natur inspirierte Forschung ebnete den Weg für zahlreiche wirkungsvolle Anwendungen. Wir glauben, dass der Gefriertröpfchenausstoß als Prototyp die Entwicklung autarker Konzepte und Methoden für eine Vielzahl von Zwecken anregen könnte, wie z Enteisung, Energiegewinnung und Soft-Roboter-Anwendungen.“
Insbesondere verbessert der durch Volumenexpansion induzierte Tröpfchenausstoß das Verständnis der mehrphasigen Gefrierdynamik für Anti-Icing-Anwendungen. Prof. Yao bemerkte: „Unsere Forschung zeigt eine Strategie zur effizienten Nutzung der Volumenexpansionsarbeit gefrierender Tröpfchen zur Erzeugung ballistischer Bewegung. Dies könnte anschließend die Anwendung von Energieumwandlungsphänomenen erweitern und die Entwicklung tröpfchenbasierter Energiegeneratoren inspirieren.“ weiche Roboterkatapulte.
