Trickreiche Tropfen

Ein erstaunlicher Anblick: Denn ein frei fallender Tropfen hat keineswegs die Form einer klassischen Träne. Zunächst gleicht er einer wackeligen Kugel. Das liegt an seiner Oberflächenspannung, die – dank der schwachen Kräfte, mit der sich die Moleküle gegenseitig anziehen – das Wasser wie eine Haut zusammenhält. Je kleiner der Topfen ist, desto größer sind diese Kräfte. Dann flacht das Gebilde an der Unterseite ab, die Oberseite ähnelt hingegen einer Halbkugel. Der Grund: Auf die Unterseite drückt der Luftstrom stärker, an der Oberseite senken kleine Turbulenzen den Druck. Im Regen kollidieren Tropfen häufig mit anderen und wachsen dadurch. Doch ab ungefähr vier Millimeter Durchmesser zerplatzen die Gebilde und zerteilen sich in kleinere Wasserkügelchen.

Wasserwand, Spritzrand und Krone

Weigands Superzeitlupe zeigt zudem: Sobald ein Tropfen auf den nassen Boden prallt, wächst um ihn herum eine ringförmige dünne Wasserwand. Nach kurzer Zeit verändert sich das Bild: Die dünne, ringförmige Wand bildet an ihrem oberen Rand – dem sogenannten Spritzrand – dünne Wasserfäden aus, die sich schon nach wenigen Millimetern in Perlenketten winziger Kügelchen auflösen. Der Spritzrand zerplatzt und ähnelt für einen kurzen Moment einer Krone. Wie von einer Schrotflinte abgefeuert schießen jetzt Dutzende Wasserprojektile in alle Richtungen.

Nach einer halben Sekunde zerreißt die immer dünner gewordene Wasserwand und verschwindet einfach. Danach sprühen nur noch große und kleine Tröpfchen umher. Nach weiteren wenigen Sekunden sind die meisten davon irgendwo im Umkreis gelandet. Nur ein kleiner Teil feinster Wasserstaub nebelt die Umgebung ein. Der Spuk ist vorüber – bei jedem herabprasselnden Regenguss ein millionenfaches, aber für menschliche Augen unsichtbares Spektakel.

Moderne Supercomputer können solche Schauer sehr realistisch abbilden. Man muss dafür bloß die Grundgleichungen für so einen Topfen lösen, meint Weigand. Allerdings nutzen er und sein Team für einen einzigen Tropfen bereits eine räumliche Auflösung von einer Milliarde Gitterpunkte. Das bedeutet: „Wir können nur Detailprozesse auflösen.“ Bei vielen solchen Vorgängen in Natur und Technik, etwa bei Regen oder in Flugzeugtriebwerken, müsse man für die Anwendung aus den Einzelprozessen erst Modelle ableiten.

„Vor allem die Spritzgrenze bereitet uns Kopfzerbrechen“, sagt Weigand. Der Grund: Am Oberrand der Wasserwand entstehen wellige Strukturen, die sich dann in einzelne Tröpfchen zerteilen – eine Instabilität. Denn sobald sich die Tropfen ablösen, hängen sie an einer äußerst dünnen Schicht, die nur aus wenigen Molekülen besteht. „Dort versagt unsere Theorie“, sagt der Thermodynamikexperte. Das macht eine mathematische Sonderbehandlung erforderlich.

Die Brücke zur Nanowelt

Steffen Hardt sieht das genauso. An der Theorie sei noch viel zu tun, meint der Physiker am Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik der Technischen Universität Darmstadt. Die Kunst sei es, die Brücke zu schlagen von großen Flüssigkeitstropfen zu Gebilden, die so winzig sind, dass es notwendig wird, einzelne Moleküle auf der Nanometerskala zu betrachten. Es ist eine gigantische numerische Aufgabe, etwa die Vorgänge in Wasser zu berechnen – nicht als Flüssigkeit an sich, sondern als eine Ansammlung einzelner Moleküle. Um praxisrelevante Resultate zu erhalten, müsste man Systeme simulieren, die etwa 100 Mal so groß sind wie das, was selbst die besten Supercomputer leisten können – vielleicht mit bis zu einer Milliarde Wassermolekülen. Gesucht seien Näherungen und Modelle, die viel weniger Rechenaufwand benötigen, sagt Hardt.

Das ist keine Spielerei, sondern hat eine praktische Bedeutung, beispielsweise für das Verständnis von Schnee und Regen. Die Wettervorhersage beruht im Wesentlichen darauf, wie Tropfen im Inneren von Wolken miteinander kollidieren. Und das geschieht recht häufig, denn im Gegensatz zu ruhiger Luft werden Tropfen bereits bei einer geringen Turbulenz mächtig gebeutelt.

Und das verändert ihre Geschwindigkeit. Wenn ein Tropfen fällt, spürt er die Widerstandskraft der Luft. Je nach Größe fällt er dann schneller oder langsamer. Im freien Fall kollidiert er in der Wolke dauernd mit anderen Tropfen. „Je nachdem, wie die großen Tropfen verteilt sind, ergibt das eine unterschiedliche Tropfenstatistik – und das ist wichtig für die Meteorologie“, sagt Bernhard Weigand. „Ein Meteorologe in Karlsruhe hat unsere mikroskopischen Tröpfchenstöße so gemittelt, dass die Resultate in die Wettervorhersage einfließen konnten.“

Das Hagelkorn bereitet Probleme

Wie aus kleinen Wassertropfen Hagel und Schneeflocken entstehen, ist erst im Groben bekannt. Die Wissenschaftler können in einem Tropfen zwar das Heranwachsen eines Eiskeims simulieren, aber noch lange nicht das große Hagelkorn. Auch das Verständnis von Schnee und des Wachstums seiner Kristalle sind noch eine Herausforderung für die Meteorologen. Die Wetterforscher sind bei Schnee und Hagel auf extrem hochaufgelöste Simulationen angewiesen. Die Arbeit damit ist wie eine Art numerisches Experiment.

Hart an ihre Grenzen stößt die Tropfenphysik auch in Gasturbinen zur Stromerzeugung. Dort werden Tropfen aus vielen Düsen in den Verdichter eingespritzt, um die Gastemperatur zu senken. Das erhöht Effizienz und Leistung der Turbine. Fachleute sprechen von „Fogging“, also Vernebelung. Doch dieses Kühlverfahren hat ein Problem. Bei der feuchten Kühlung sind schon viele Verdichter-Schaufeln kaputtgegangen. „Es wurde nicht beachtet, dass sich auf den Schaufeln ein dünner Wasserfilm bildet, der dann an der Hinterkante der Schaufel große Tropfen bildet“, schildert der Stuttgarter Tropfenforscher Bernhard Weigand das Problem. Die großen Tropfen, die sich schließlich vom hinteren Teil der Schaufel ablösen, rasen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 Metern pro Sekunde den Gasstrom entlang – bis sie auf die nächste Schaufel prallen und sie beschädigen. „Die Tropfen wirken wie Geschosse“, sagt Weigand.

Die Hersteller pumpen zum Fogging täglich Unmengen an Wasser in die Turbine. Und das hat Folgen: Nach ein paar Jahren sind die Schaufeln erodiert. Zusammen mit der Forschungsgruppe um den Ingenieur Franz Joos an der Universität der Bundeswehr Hamburg hat das Stuttgarter Team den Verschleißprozess untersucht – sowohl experimentell als auch per Simulation im Supercomputer. Das Ergebnis zeigte zahlreiche Einzelprozesse. „Wir konnten die Vorgänge weitgehend aufklären“, freut sich Bernhard Weigand. „Nun haben die Entwickler die nötigen Details vor Augen, um das Design der Schaufeln zu optimieren.“

Die Suche nach Lufttaschen

Auch zur effektiven Kühlung von Bauteilen, etwa beim Schmieden oder in Wärmeübertragern, spielen Tropfen, die auf eine Wand auftreffen, eine wichtige Rolle. Um die dort wirksamen Vorgänge besser zu verstehen, simulierten die Forscher um Bernhard Weigand eine mikroskopische Feinheit: wie ein Tropfen auf einen kleinen Würfel mit nur einem Millimeter Kantenlänge fällt. „Wir wollten dem Verdacht nachgehen, dass sich unter dem aufprallenden Tropfen an den Seiten des Würfels Lufttaschen bilden“, berichtet Weigand. Was dabei genau passiert, wusste zuvor niemand. „Denn im Experiment kann man nicht hinter den wegspritzenden Wasservorhang schauen“, erklärt Weigand. Die Simulation dagegen ermöglicht einen Blick überall hin.

Die aufwendigen dreidimensionalen Berechnungen bestätigten den Verdacht: Zuerst platscht der Tropfen auf den kleinen Würfel. Wie bei einem Wasserfall spritzt dann das Wasser seitlich über die Kanten – und bildet darunter Hohlräume. „Die Lufttaschen, die wir erwartet haben, entstehen also tatsächlich“, sagt Weigand. Das hat technische Auswirkungen, denn die Luftblasen isolieren das Werkstück von der aufprallenden Kühlflüssigkeit. Jede noch so winzige Lufttasche an einer kleinen Erhebung bildet auf einer Oberfläche lokal eine isolierende Zone. Und über das ganze Werkstück verteilt gibt es Hunderte bis Tausende solcher winzigen Hügel. Im nächsten Schritt wollen die Ingenieure die Oberfläche so modifizieren, dass sich deutlich weniger oder keine Isolationstaschen mehr bilden können.

Chaos in der Einspritzdüse

Eine andere große Herausforderung sieht Bernhard Weigand beim Zerstäuben von Treibstoff. Was geschieht dabei? Ein Treibstoffstrahl enthält verschiedene Komponenten. Beim Einspritzen verdunsten sie unterschiedlich schnell, zerfallen dann weiter und reagieren miteinander – ein ziemliches Chaos. „Das mit einem klaren Modell zu beschreiben, davon sind wir noch weit entfernt“, klagt der Stuttgarter Wissenschaftler.

Doch die Probleme reichen weiter, bis hinauf in den Luftraum. Dass sich an den Tragflächen von Flugzeugen Eis bildet, ist bekannt. Es geschieht, wenn ein Flugzeug durch eine kalte Wolke fliegt – und ist technisch ein großes Problem. Teils werden die Tragflächen beheizt und teils wird ihre Oberfläche so mikrostrukturiert, dass unterkühlte Tropfen, die darauf landen, gar nicht erst daran anhaften können. Sie rutschen dann über die Tragfläche zur Hinterkante der Tragfläche und fliegen davon. „Derzeit versuchen wir, die Oberflächen so zu behandeln, dass sie beim Auftreffen unterkühlter Tropfen ihre Eigenschaften verändern“, berichtet Weigand. „Das gelingt zum Beispiel durch Polymerisation.“

Treiber der Evolution?

Doch was die Wissenschaftler inzwischen mit Tropfentechnologie erreichen, hat die Evolution womöglich schon vor Milliarden Jahren hinbekommen. Denn Tautröpfchen könnten auf der frühen Erde zur Entstehung des Lebens beigetragen haben – vor allem in der Phase, als sich erste DNA-Moleküle bildeten, vervielfältigten und dann weiterentwickelten. Noch bevor erste Zellen oder andere biologische Untergliederungen existierten, waren DNA- und RNA-Moleküle wahrscheinlich in Wassertümpeln oder Gesteinsporen gelöst, die mit Wasser und Gas gefüllt waren.

Auf der jungen Erde dominierten Vulkane das Geschehen, es war heiß und die Atmosphäre enthielt fast nur Kohlendioxid. „Dessen Konzentration war damals etwa 25.000 Mal so hoch wie heute“, sagt Dieter Braun von der Universität München. Tau sei auf der Urerde vermutlich weit verbreitet gewesen, weil ständig Tröpfchen aus gesättigter Luft auf kälteren Oberflächen kondensierten. Braun und sein Team haben versucht, diese Situation im Labor nachzustellen.

Dafür konstruierten die Münchner Forscher Wärmefallen, um die Gesteinsporen nachzuahmen, die mit Wasser und Kohlendioxid gefüllt wurden. Brauns Team untersuchte dann, wie sich kurze DNA-Moleküle vervielfältigen und molekular entwickeln – unter Bedingungen, wie sie auf der jungen Erde herrschten. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass lokale Temperaturunterschiede in kleinen Gesteinsporen Wasserkreisläufe in Gang setzen können. Wenn anschließend Wasser verdunstet und wieder kondensiert, bilden sich laufend kleine Tau-Tröpfchen – Reaktionsräume, die DNA-Stücke enthalten und konzentrieren.

Die DNA-Moleküle durchlaufen Zyklen mit hohem und niedrigem Salzgehalt und abwechselnd zwischen Feuchte und Trockenheit. Wie die Münchner Biophysiker berichten, entstanden dabei „DNA-Stränge, die bis zu 20 Mal so lang waren wie die ursprünglichen, angetrieben durch die millimetergroßen Wasserkreisläufe“. Dieter Braun ist überzeugt, dass Tautropfen die ersten ursprünglichen Behälter gewesen sein könnten, in denen die Replikation und Evolution von Erbmolekülen stattgefunden hat. Nun will der Forscher mit seinem Team untersuchen, wie in den Tautröpfchen große Molekülkomplexe entstehen können, die in der Atmosphäre der jungen Erde zur Selbstreproduktion fähig waren.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…