Eine bahnbrechende Studie zeigt, wie die Wechselwirkung von Wasser mit Oberflächen elektrische Ladungen erzeugt, und verdeutlicht die Auswirkungen auf die Sicherheit und Energiespeicherung.
Australische Forscher haben einen bedeutenden Durchbruch im Verständnis der Entstehung elektrischer Ladungen durch Wasser bei der Bewegung über Oberflächen erzielt. Die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse stammen aus einer Kooperation zwischen der RMIT University und der University of Melbourne unter der Leitung von Dr. Joe Berry, Dr. Peter Sherrell und Professorin Amanda Ellis.
Die Forscher beobachteten ein Phänomen namens „Stick-Slip“-Bewegung, das auftritt, wenn ein Wassertropfen an einer rauen oder unebenen Oberfläche haftet. Da sich die Kraft durch das Festkleben des Tropfens erhöht, „springt oder gleitet“ er schließlich am Hindernis vorbei, was zu einer irreversiblen elektrischen Ladung führt. Diese Ladung war beim Übergang von nassem zu trockenem Wasser bis zu zehnmal stärker als bisher beobachtet. Dies verdeutlicht ein neues Maß an Elektrifizierung beim ersten Kontakt von Wasser mit einer Oberfläche.
Dr. Peter Sherrell, der sich im Rahmen seiner Forschung an der School of Science des RMIT auf die Erfassung von Umgebungsenergie konzentriert, kommentierte die allgemeinen Beobachtungen von Regentropfen, die auf Oberflächen fallen, mit der Aussage: „Die meisten Menschen beobachten, dass Regenwasser zufällig an einem Fenster oder einer Windschutzscheibe heruntertropft, wissen aber nicht, dass dabei eine winzige Menge elektrischer Ladung entsteht.“ Er erklärte, dass sich das bisherige Verständnis dieses Aufladungsphänomens auf den Übergang von nass zu trocken beschränkt habe. Ihre Studie zeige jedoch, dass auch beim Übergang von trockenen zu nassen Bedingungen eine erhebliche Ladung entsteht.
Die Forscher betonten, wie wichtig es ist, die Ladungsbildung im Hinblick auf die Sicherheit zu verstehen, insbesondere im Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten. Dr. Joe Berry, Experte für Strömungsdynamik und Mitarbeiter der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Universität Melbourne, betonte die potenziellen Gefahren durch Stromschläge in Kraftstoffbehältern. „Zu verstehen, wie und warum beim Fließen von Flüssigkeiten über Oberflächen elektrische Ladung entsteht, ist wichtig, wenn wir mit der Einführung der neuen erneuerbaren brennbaren Kraftstoffe beginnen, die für den Übergang zu Netto-Null-Emissionen erforderlich sind“, sagte er. Berry erläuterte weiter, dass sich die derzeit geltenden Strategien zur Reduzierung der Ladungsbildung bei bestehenden Kraftstoffen bei neueren erneuerbaren Kraftstoffen als unwirksam erweisen könnten, was die Notwendigkeit innovativer Ansätze zur Bewältigung dieses Phänomens unterstreicht.
Das Forschungsteam untersuchte insbesondere die Wechselwirkung zwischen Wasser und Polytetrafluorethylen (PTFE), bekannt für seine Verwendung in Teflon. Diese grundlegende Arbeit schafft die Voraussetzungen für potenzielle Fortschritte im Oberflächendesign, die zu sichereren Kraftstoffen und verbesserten Energiespeichersystemen führen können. Zukünftige Untersuchungen werden die Stick-Slip-Bewegung mit verschiedenen Flüssigkeiten und Oberflächenmaterialien untersuchen und so ein umfassenderes Verständnis der Ladungserzeugung ermöglichen, das für verschiedene kommerzielle Anwendungen anwendbar ist.
Dr. Sherrell erläuterte die Auswirkungen der Studie auf die Sicherheit von Flüssigkeitshandhabungssystemen, insbesondere bei der Lagerung und dem Transport von Wasserstoff und Ammoniak: „Wir wollen untersuchen, inwiefern sich Stick-Slip-Bewegungen auf die Sicherheitsauslegung von Flüssigkeitshandhabungssystemen auswirken können. Außerdem wollen wir Methoden zur Stromrückgewinnung und zur Beschleunigung der Ladung aus Flüssigkeitsbewegungen in Energiespeichern entwickeln.“ Die Forscher möchten ihre Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Industriepartnern in marktfähige Technologien umsetzen. Diese könnten für zahlreiche Anwendungen, die auf die Weiterentwicklung von Energielösungen im Kontext der Klimatechnologie abzielen, von großer Bedeutung sein.
