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Sieden ist bei Mikrogravitation effizienter, aber früher am Limit
Überraschender Doppeleffekt: Bei fast fehlender Schwerkraft kann siedender flüssiger Stickstoff Wärme zunächst effizienter abführen als unter Erdschwerkraft. Doch die kritische Wärmestromdichte, an der die stabile Blasensiedung zusammenbricht, sinkt deutlich. Parabelflug-Experimente mit einer nahezu atomar glatten Heizfläche trennen dabei den Einfluss der Schwerkraft weitgehend von störenden Oberflächendefekten.
Gainesville (U.S.A.). Sieden kann für Raumfahrtsysteme zugleich erwünscht und unerwünscht sein. Bei der Kühlung von Elektronik führt die Verdampfung Wärme ab, während siedende kryogene Treibstoffe durch den sogenannten Boil-off allmählich verloren gehen. Wie gut sich solche Prozesse kontrollieren lassen, hängt unter anderem von der Schwerkraft und von der Beschaffenheit der erhitzten Oberfläche ab.
Das erschwert Versuche unter Mikrogravitation. Denn winzige Kratzer, Vertiefungen und andere Unebenheiten können die Bildung von Dampfblasen fördern und dadurch einen Schwerkrafteffekt vortäuschen oder verstärken. Forscher der University of Florida (UF) um Youngsup Song haben deshalb versucht, beide Einflüsse möglichst weit voneinander zu trennen.
Für ihre Experimente ließen die Wissenschaftler flüssigen Stickstoff auf einer Siliziumdioxid-Oberfläche sieden, deren maximale Höhendifferenz nur rund 36,7 Nanometer betrug. Auch die mit Wasser gemessene geringe Kontaktwinkelhysterese von weniger als zehn Grad sprach für eine weitgehend homogene und defektarme Oberfläche. Damit sollten mikroskopische Vertiefungen als bevorzugte Keime für Dampfblasen möglichst wenig Einfluss haben.
Das Team verglich Messungen unter normaler Erdschwerkraft mit Versuchen bei Parabelflügen. Während jeder Flugparabel herrschten für rund 20 Sekunden etwa 0 ± 0,02 g. Insgesamt werteten die Forscher neun solcher Manöver aus, aus denen sie drei unabhängige Siedekurven für die reduzierte Schwerkraft bestimmten.
„Weil uns bei verringerter Schwerkraft der Auftrieb fehlt, erwarteten wir, dass das Sieden durchweg weniger wirksam wird“, sagt Youngsup Song.
Die Messungen zeigten jedoch ein zweigeteiltes Bild. Vor Erreichen der kritischen Wärmestromdichte war der Wärmeübergangskoeffizient bei verringerter Schwerkraft für eine gegebene Übertemperatur höher. Im Bereich von etwa vier bis sechs Kelvin über der Siedetemperatur befand sich der Stickstoff unter Mikrogravitation bereits im Blasensieden, während unter Erdschwerkraft noch natürliche Konvektion dominierte.
Gleichzeitig sank jedoch die kritische Wärmestromdichte drastisch. Auf der Erde erreichte die Heizfläche 16,15 Watt pro Quadratzentimeter, bevor die stabile Blasensiedung zusammenbrach. Unter reduzierter Schwerkraft lag dieser Grenzwert bei nur 5,19 ± 0,40 Watt pro Quadratzentimeter. Die Oberfläche konnte damit deutlich weniger Wärmestrom verkraften, bevor sich eine zunehmend isolierende Dampfschicht ausbildete.
„Der Haken ist, dass die Sicherheitsgrenze stark sinkt. Beide Aspekte sind wichtig, wenn man reale Hardware entwickelt“, sagt Youngsup Song.
Eine mögliche Erklärung liegt im veränderten Verhalten der Blasen. Ohne starken Auftrieb lösen sie sich langsamer von der Heizfläche, werden größer und bleiben länger an ihr haften. Dadurch vergrößert sich nach Interpretation der Autoren die Fläche der extrem dünnen Flüssigkeitsschicht zwischen Dampfblase und fester Oberfläche. Die Verdampfung in dieser sogenannten Mikroschicht könnte den Wärmeübergang zunächst verbessern.