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News: Spritzen statt platzen

Zu viel elektrische Ladung lässt Flüssigkeitströpfchen platzen. Doch dem können sie vorbeugen: mit hauchfeinen Spritzern.
TröpfchenLaden...
Schon in der Schule lernt man es: Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Kein Wunder also, dass ein Flüssigkeitströpfchen nur eine gewisse Menge Ladungsträger aufnehmen kann, bis es schließlich deren Kraft nicht mehr widerstehen kann und auseinander reißt.

Das erkannte seinerzeit schon der englische Physiker Lord Rayleigh, der das Phänomen eingehend untersuchte und im Jahre 1882 eine Formel für die Maximalladung eines Tröpfchens veröffentlichte. Denn je kleiner der Radius der Flüssigkeitskugel, desto weniger Ladung lässt sich aufbringen und außerdem spielt auch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit eine Rolle, die den Zusammenhalt des Tröpfchens bewirkt. Während sich das so genannte Rayleigh-Limit als Stabilitätskriterium bestens bewährt hat, ließ sich eine andere Vorhersage Rayleighs bislang nicht überzeugend beweisen.

Der Physiker sagte nämlich auch voraus, dass Tröpfchen jenseits des Rayleigh-Limits feine Strahlen ausbilden, die einen Teil der Masse, aber vor allem auch der Ladung von dem Tropfen weg transportieren und so weiterhin dessen Stabilität gewährleisten. Bisherige Versuche, jene Jets zu beobachten, lieferten indes allenfalls unscharfe Bilder von verzerrten Tropfen – jedoch keine Strahlen.

Von der mittelmäßigen Erfolgsquote bisheriger Arbeiten ließen sich Denis Duft und seine Kollegen von der Technischen Universität Ilmenau aber nicht beirren und sprühten rund 120 Mikrometer große Tröpfchen des Gefrierschutzmittels Ethylenglykol aus einer feinen, piezobetriebenen Düse – ganz ähnlich denjenigen, die in dem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers ihre Arbeit verrichten. Rund 3,3 Picocoulomb Ladung gaben die Wissenschaftler den Tröpfchen mit auf den Weg, womit sie deutlich unter dem Rayleigh-Grenzwert blieben.

In dem elektrischen Wechselfeld einer so genannten Paul-Falle ließen Duft und seine Kollegen die Tröpfchen dann frei, aber in fester Position in der Luft schweben. Sukzessive ließen die Forscher dabei einen Teil des Ethylenglykols verdampfen, bis die Tröpfchen schließlich bei etwa 50 Mikrometer Durchmesser das Rayleigh-Limit erreichten. Ein besonderes Muster des zurückgestreuten Lichts verriet den Wissenschaftlern frühzeitig, wann dieser Zeitpunkt eintreten würde, und löste mit wenigen Mikrosekunden Verzögerung einen Lichtblitz aus, um eine Aufnahme eines Tropfens zu schießen.

Durch Variation der Verzögerungszeit konnten die Wissenschaftler nacheinander an unterschiedlichen Tropfen genau beobachten, was in der Nähe des Rayleigh-Limits geschieht: Zunächst verformt sich der Tropfen peu à peu immer mehr zu einem lang gezogenen Ellipsoid, aus dessen beiden Enden schließlich tatsächlich je ein 1,5 Mikrometer feiner Strahl Flüssigkeit schießt. Diese Jets bestehen jedoch nicht lange, innerhalb von Mikrosekunden zerfallen die Strahlen in einzelne winzige Tröpfchen, bis auch diese versiegen, und der Ethylenglykol-Tropfen sich wieder zur Kugel zusammenzieht.

Interessanterweise ließen sich die Jets im Experiment genau bei Erreichen des Rayleigh-Limits beobachten, der geistige Vater des Phänomens hatte sie eigentlich erst später bei Überschreiten des Grenzwerts erwartet. Aber wozu überhaupt das Experiment?

Thomas Leisner, der Leiter des Fachgebiets Umweltphysik in Ilmenau, meint dazu: "Stark geladene Tröpfchen kommen in Gewitterwolken vor und durchlaufen genau solche Coulomb-Instabilitäten, wenn sie verdampfen. Die feinen Tochtertröpfchen können dann als neue Kondensationskeime dienen."

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