Leidenfrost-Effekt lässt weiche Kügelchen hüpfen

Auf einer heißen Herdplatte gleiten Tropfen auf einem hauchdünnen Polster aus Wasserdampf. Dieser Leidenfrost-Effekt – vor mehr als 250 Jahren von Johann Gottlob Leidenfrost beschrieben – kann auch kleine, weiche Kügelchen aus einem Hydrogel hüpfen lassen. Diesen Vorgang untersuchte ein internationales Forscherteam nun im Detail und entschlüsselte die Kräfte hinter diesem Phänomen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, sind die unter Hitze vibrierenden Oberflächen der Kügelchen sowohl für das Hüpfen als auch für die parallel zu hörenden hochfrequenten Geräusche verantwortlich.

Gemeinsam mit Kollegen baute Scott Waitukaitis von der Universität Leiden ein Experiment auf, in dem er die Bewegung der Kügelchen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verfolgte. Knapp zwei Gramm wogen die eineinhalb Zentimeter großen und mit Wasser getränkten Kügelchen aus dem flexiblen Kunststoff. Fielen diese auf eine kalte Unterlage, hüpften sie wenige Male und blieben dann an der Unterseite leicht eingedrückt liegen. Auf einer 215 Grad Celsius heißen Unterlage hüpften die Kügelchen jedoch bis zu zehn Minuten lang einige Zentimeter hoch. Dabei verursachten sie bei jedem Aufprall ein hochfrequentes Zwitschergeräusch.

Verantwortlich für diesen elastischen Leidenfrost-Effekt sind kleine Mengen verdampfendes Wasser an der Unterseite der Kügelchen: Beim Aufprall verursacht der Wasserdampf innerhalb kürzester Zeit einen Überdruck in einem eingedellten Hohlraum und entweicht danach zu den Seiten. Dabei wird die Oberfläche der Kügelchen zu hochfrequenten Schwingungen angeregt, die das Zwitschergeräusch verursachen. Parallel verformt sich die elastische Kugeloberfläche. Dank ihrer Elastizität nehmen die Kügelchen wieder ihre Kugelform an, beschleunigen sich dabei in die Höhe und können über diesen wiederholten Effekt bis zu eintausendmal hüpfen.

„Die Kügelchen verhalten sich wie kleine Dampfmaschinen“, kommentiert Waitukaitis. Denn vereinfacht dargestellt wird bei diesem Effekt die Wärme der Unterlage in mechanische Energie umgewandelt – ein zyklischer Prozess, der auch Dampfmaschinen antreibt. Das Team sieht auch Potenzial für technische Anwendungen. Denn über die zyklische Verformung könnten weiche, mit Wasser getränkte Materialien gezielt in kontrollierte Bewegungen versetzt werden. Dieser Effekt könnte für Roboter mit weichen Komponenten als Antrieb verwendet werden – alternativ zu bisher genutzten hydropneumatischen Motoren. „Natürlich ist dafür noch viel Forschung nötig“, sagt Waitukaitis, „aber die Idee ist sehr vielversprechend.“