Design von Blättern hilft gegen Frostbildung

Wissenschaftler der Northwestern University (NU) haben einen Weg gefunden, die Bildung von Frost auf beliebigen Oberflächen drastisch zu reduzieren. Hierfür greifen sie auf ein spezielles Design der Oberflächenstruktur zurück, wie es etwa auch in der Natur bei Blättern vorkommt. Diese weisen unzählige winzige Hügel und Täler auf, was ein Ansetzen von Frost erschwert. Wird eine solche Struktur auf verschiedene Materialien übertragen, lässt sich die Frostbildung um bis zu 80 Prozent verringern, so die Forscher.

Kyoo-Chul Park, Assistant Professor für Mechanial Engineering an der McCormick School of Engineering der NU, ist auf die Idee gekommen, als er Blätter betrachtete. Die Frostbildung ist dort nur auf den Wölbungen zu beobachten. Auf den tiefer liegenden Regionen ist hingegen kaum Frost zu finden. Es liegt also an der Oberflächenstruktur und nicht dem Material.

Diese könnten seiner Meinung nach in der Praxis in vielerlei Hinsicht echte Vorteile mit sich bringen. Jeden Winter kratzen Menschen Frost von ihren Autos oder machen sich Sorgen um ihre Pflanzen. Dabei ist dieses Phänomen oft aber auch mehr als ein bloßes Ärgernis. Auf einem Flugzeugflügel kann Frost zum Beispiel zu einer ernsten Gefahr werden und dafür sorgen, dass Flüge gestrichen werden müssen. Auch bei Kühlschränken und Gefriertruhen führt er dazu, dass die entsprechenden Energiekosten deutlich ansteigen.

Eine optimale Oberfläche

Um solche negativen Auswirkungen von Frostbildung zu verhindern beziehungsweise zumindest drastisch zu reduzieren, ist eine sich kräuselnde Oberflächenstruktur wie bei Blättern geradezu ideal, wie der Wissenschaftler mit seinem Team durch zahlreiche Experimente und Computersimulationen herausgefunden hat. Denn in den tieferen Regionen der Blätter kann das sich sammelnde Kondenswasser leicht verdampfen, was eine frostfreie Zone entstehen lässt. Nach Park funktioniert das auch bei Materialien, die Wasser anziehen, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt.

Auf Basis seiner Tests hat der Forscher die optimale Oberfläche gegen Frostbildung entworfen. Diese setzt sich aus millimeterdicken Erhebungen und Tälern zusammen, die in einem Winkel von 40 bis 60 Grad aneinander gereiht werden. Auch wenn sich immer noch eine dünne Frostschicht auf den Erhebungen dieser Struktur bildet, lässt sie sich ganz leicht entfernen. Die Verwendung von teuren Spezialmaterialien und Anti-Frost-Flüssigkeiten wird obsolet, was eine radikale Kostenersparnis ermöglicht, so der NU-Professor. (pte)

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