Der Marangoni-Effekt: Ein flüssiges Phänomen

Der Marangoni-Effekt an einem Weinglas. (Wikipedia Commons / User: FlagSteward / CC-BY-SA-3.0)
Der Marangoni-Effekt an einem Weinglas. (Wikipedia Commons / User: FlagSteward / CC-BY-SA-3.0)

Was haben ein Weinglas auf der Erde und ein Experiment an Bord der Internationalen Raumstation ISS gemeinsam? Also, die Beobachtung des Weinglases würde einer von wenigen Wegen sein, das Experiment im Weltraum zu verstehen.

Haben Sie jemals jemanden sagen hören, dass sein Wein “Beine” oder “Tränen” hat?

Weinbeine oder Weintränen sind ein Phänomen, dass sich als Ring aus einer klaren Flüssigkeit manifestiert, welche sich nahe des oberen Glasrandes über der Oberfläche des Weines bildet. Die Tropfen entstehen kontinuierlich und fallen in kleinen bachartigen Strukturen zurück in die Flüssigkeit. Ein Faktor bei der Bewegung der Flüssigkeit wird Marangoni-Konvektion oder Marangoni-Fluss genannt, und Wissenschaftler der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) sind sehr interessiert daran, die Marangoni-Konvektion in einer schwerelosen Umgebung zu studieren.

Die Marangoni-Konvektion ist die Neigung von Wärme und Masse, sich innerhalb einer Flüssigkeit in Gebiete mit höherer Oberflächenspannung zu bewegen. Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft einer Flüssigkeit, die eine Anziehung zwischen einem Teil ihrer Oberfläche und einer anderen Oberfläche verursacht, so wie ein Tropfen Quecksilber einen kohäsiven Ball in einem Thermometer bildet oder Wassertröpfchen auf einem gut gewachsten Auto. Dieses Phänomen wurde nach dem italienischen Physiker Carlo Marangoni benannt, der es im 19. Jahrhundert erstmals untersuchte.

“Wir klären ein interessantes Phänomen und das ist sehr aufregend”, sagte Satoshi Matsumoto, ein Marangoni Wissenschaftskoordinator von der Japan Aerospace Exploration Agency. “Marangoni wirkt sich negativ auf die Qualität von Kristallwachstum aus, etwa bei Halbleitern, optischen Materialien oder Biotechnologiematerialien. Die Konvektion tritt auch bei wärmeleitenden Geräten in Personal Computern auf und beeinträchtigt die Ableitung der Wärme. Deswegen erweitert ein besseres Verständnis der Marangoni-Konvektion nicht nur unser Wissen über das Verhalten von Flüssigkeiten, sondern ist auch wichtig für die Produktion von Halbleitermaterialien und die Entwicklung von Geräten, die im Weltraum und auf der Erde benutzt werden.”

Die JAXA hat vier Marangoni-Experimente gefördert, mit denen man den durch die Oberflächenspannung gesteuerten Fluss unter schwerelosen Bedingungen verstehen will. Sie werden 2015 abgeschlossen sein.

Um zu beobachten, wie Wärme und Masse sich in Mikrogravitation innerhalb einer Flüssigkeit bewegen, benutzen die Wissenschaftler eine größere Brücke aus Silikonöl, die sich zwischen zwei Scheiben befindet. Auf der Erde könnte die Brücke nicht existieren. Einer der primären Wege, über den Wärme auf der Erde transportiert wird, ist Auftrieb, wobei warme Luft aufsteigt und kalte Luft absinkt. Im Weltraum gibt es keinen Auftrieb. Also erhitzen die Forscher eine Scheibe mehr als die andere, um eine Marangoni-Konvektion in der Brücke aus Silikonöl hervorzurufen. Sie untersuchen die Muster, wie sich Flüssigkeiten bewegen, um mehr darüber zu lernen, wie Wärme in Schwerelosigkeit übertragen wird.

“Es ist schwer, die Effekte der Marangoni-Konvektion auf der Erde zu beobachten, weil sie schwächer als die von der Gravitation verursachte Konvektion ist”, ergänzte Matsumoto. “Deswegen sind Weltraumexperimente mit der Marangoni-Konvektion in einer schwerelosen Umgebung hilfreich.”

Quelle: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/marangoni.html

(THK)

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