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Niedrigere Temperaturen können das Entfernen von Eis erleichtern
Enteisung setzt meist auf Wärme, doch Experimente zeigen nun einen gegenteiligen Effekt unter extremer Kälte. Wird Eis auf Metall schnell von minus 10 auf minus 60 Grad Celsius abgekühlt, sinkt seine Haftung nahezu auf null. Entscheidend ist offenbar, wie schnell das Material Wärme ableitet und dadurch Spannungen im Eis aufbaut.
Richardson (U.S.A.). Eis auf Flugzeugen, Windrädern oder Leitungen lässt sich mit Wärme entfernen oder durch spezielle Oberflächen weniger haftfähig machen, doch gerade bei großer Kälte kostet starkes Aufheizen viel Energie. Beschichtungen können die Eisbildung ebenfalls nicht vollständig verhindern, weshalb Ingenieure nach Verfahren suchen, die auch unter extrem kalten Bedingungen zuverlässig funktionieren.
Wie fest Eis haftet, hängt unter anderem davon ab, wie stark Eis und Untergrund beim Abkühlen unterschiedlich schrumpfen, weshalb das Wärmeausdehnungsverhalten viele Beobachtungen erklären kann. Diese Erklärung reicht aber nicht für den Befund aus, dass sich Eis nach einem raschen Temperatursturz auf Metall deutlich leichter löst als auf Glas, obwohl beide Materialien ein ähnliches Ausdehnungsverhalten besitzen.
Forscher der The University of Texas at Dallas (UT Dallas) um Dr. Hongbing Lu haben deshalb untersucht, wie Wärmeleitung und mechanische Spannungen gemeinsam die Haftung von Eis bestimmen. Dazu kühlten sie Eis auf Metall, Glas und Kunststoff rasch von minus 10 auf minus 60 Grad Celsius ab, beobachteten entstehende Risse und entwickelten ein thermomechanisches Modell für die Grenzfläche zwischen Eis und Untergrund.
Die Unterschiede waren deutlich. Auf Metall fiel die gemessene Eishaftung auf ungefähr null Kilopascal, auf Glas lag sie bei etwa 50 Kilopascal und auf Kunststoffen bei mehr als 100 Kilopascal. Zugleich entstanden auf Metall große Risse an der Grenzfläche, auf Glas kleinere Risse und auf Kunststoff kaum solche Bruchstellen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass schnelles Abkühlen unter extrem kalten Bedingungen Eis tatsächlich viel leichter entfernbar machen kann“, erklärt Hongbing Lu.
Der entscheidende Unterschied liegt nach den Experimenten in der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, denn Metall transportiert Wärme deutlich schneller als Glas oder Kunststoff. Bei der abrupten Abkühlung erreicht deshalb auch das Eis direkt an einer Metalloberfläche schneller eine niedrigere Temperatur, wodurch sich dort stärkere thermische Spannungen aufbauen.
„Wir haben festgestellt, dass das beobachtete Verhalten auf Unterschieden in der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds beruht. Einfach gesagt wird das Eis, das Stahl berührt, viel schneller kälter als Eis, das Glas berührt“, erklärt Hongbing Lu.
Das Eis möchte sich beim Abkühlen zusammenziehen, bleibt aber am Untergrund gebunden, sodass auf gut wärmeleitenden Metallen eine Kombination aus thermischen und mechanischen Spannungen entsteht. Überschreitet die gespeicherte Dehnungsenergie lokal eine kritische Schwelle, bilden sich Risse an der Grenzfläche, die die wirksame Kontaktfläche verkleinern und den Verbund zwischen Eis und Material schwächen.
„Das Eis möchte stärker schrumpfen als der Stahl. Weil beide miteinander verbunden sind, hält der Stahl es zurück und setzt das Eis dadurch unter Zugspannung“, erklärt Hongbing Lu.