Forschende gestalten das Wasserkochen effizienter

Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Oberfläche entwickelt, mit der sie Wasser schneller und vor allem effizienter zum Kochen bringen. Wer sich nun darüber freut, nicht mehr lange auf das heisse Spaghettiwasser warten zu müssen, wird jedoch enttäuscht. Die Oberfläche ist nicht für die heimische Küche, sondern für industrielle Anwendungen gedacht.

Laut MIT ist das Sieden von Wasser und anderen Flüssigkeiten ein energieintensiver Schritt, der im Mittelpunkt zahlreicher industrieller Prozesse steht. Dieser kommt in den meisten Stromerzeugungsanlagen, vielen chemischen Produktionssystemen und sogar in Kühlsystemen für Elektronik zum Einsatz.

Blasen sind der Schlüssel

Um den Siedeprozess effizienter zu gestalten, haben die Forschenden drei Oberflächenmodifikationen kombiniert. So versahen die Wissenschaftler die Oberfläche mit Hohlräumen und Dellen. Dadurch können sie kontrollieren, wie und vor allem wo sich Blasen bilden, da sich diese an den Dellen festsetzen. Bilden sich zu viele Blasen an der Oberfläche, können diese miteinander verschmelzen und einen Dampffilm über der Siedeoberfläche bilden. Dieser Film führt zu einem Widerstand bei der Wärmeübertragung von der heissen Oberfläche zum Wasser.

Dank der Dellen stören also weniger Blasen die Wärmeübertragung. Zu wenig Blasen können aber auch die Siedeeffizienz verringern. Um das zu kompensieren, führte das Team eine zweite viel kleinere Oberflächenbehandlung ein, bei der winzige Unebenheiten und Erhebungen im Nanometerbereich entstanden, welche die Oberfläche vergrössern und die Verdampfungsrate unter den Blasen fördern, wie es weiter heisst.

Als dritte und letzte Modifikation nennt das MIT die Integration von winzigen Säulen. Diese Säulen sollen den Kontakt zwischen Wärmequelle und Wasser weiter verbessern.

Der Schlüssel zur neuen Oberflächenbehandlung ist das Hinzufügen von Texturen in verschiedenen Grössenordnungen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen millimetergrosse Säulen und Dellen (erste beiden Bilder), deren Oberflächen mit winzigen, nanometergrossen Rippen (untere beiden Bilder) versehen sind, um die Effizienz der Siedereaktion zu verbessern. (Source: MIT)

Ein weiter Weg bis zum alltäglichen Einsatz

Bevor die neue Oberfläche Einzug in Produktionsstätten und Elektrizitätswerke hält, gibt es aber noch einiges zu tun. Die Experimente der Forschenden fanden im Labor im Kleinformat statt. "Diese Art von Strukturen, die wir herstellen, sind nicht dafür gedacht, in ihrer jetzigen Form skaliert zu werden", lässt sich Evelyn Wang, Ford Professor of Engineering am MIT, zitieren. Ein nächster Schritt werde nun darin bestehen, alternative Wege zur Erzeugung dieser Art von Oberflächentexturen zu finden, damit diese Methoden leichter auf praktische Dimensionen skaliert werden können.

Wang weist aber auch darauf hin, dass es einige Anwendungen gebe, für die der Prozess auch im kleinen Massstab nutzbar wäre, wie beim Wärmemanagement elektronischer Geräte. Denn Geräte mit verbauten Halbleitern würden immer kleiner und die Steuerung ihrer Wärmeabgabe immer wichtiger. Hier komme allerdings die Schwierigkeit hinzu, dass elektronische Geräte für das Wärmemanagement sogenannte dielektrische Flüssigkeiten nutzen. Diese Flüssigkeiten hätten eine andere Oberflächenspannung und andere Eigenschaften als Wasser, sodass die Abmessungen der Oberflächenmerkmale entsprechend angepasst werden müssen. Laut Wang ist die Arbeit an diesen Unterschieden einer der nächsten Schritte im Rahmen der laufenden Forschung.

Apropos Energie: Diese könnte für die Schweizer Salinen knapp werden. Sie benötigen rund 90 Gigawattstunden Strom für die Kochsalzgewinnung. Wie die Salinen für einen solchen Fall planen, können Sie hier nachlesen.