Schmirgelnder Staub

In der Luft wirbelnde Staubkörnchen können selbst harte und stabile Oberflächen im Laufe der Zeit schädigen. Unter dieser Erosion leiden etwa die Rotorblätter von Windrädern, Flugzeugflügel oder Solarmodule in Wüstenregionen. Nicht nur die Art der Staubkörner und die Windgeschwindigkeiten beeinflussen dieses schmirgelnde Verhalten, sondern auch die zwischen den Staubkörnern wirkenden Haftkräfte spielen dabei eine Rolle. Zu diesem Ergebnis kamen Wissenschaftler nun mithilfe eines neu entwickelten Experiments. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Fluids“ berichten, lassen sich damit in Zukunft womöglich bessere Reinigungsmethoden für von Erosion gefährdete Oberflächen entwickeln.

Um Erosionseffekte durch Staub zu untersuchen, wurden im Labor bisher meist winzige Glaskügelchen genutzt, die aber nicht zu größeren Konglomeraten zusammenballen. Dadurch spielten die in der Natur wirkenden Haftkräfte – beispielsweise zwischen feuchten Staubkörnchen – bei diesen Experimenten keine Rolle. Das änderten Alban Sauret von der University of California in Santa Barbara und seine Kollegen nun allerdings mit einem neuen Experiment: Dafür beschichteten sie zunächst knapp einen Millimeter große Glaskügelchen mehrmals mit einem Silikon. Je dicker diese Schichten waren, desto besser hafteten die Glaskügelchen aneinander.

Aufbau des Experiments

In einem nächsten Schritt schichteten die Forscher die Kügelchen aufeinander und glätteten die Oberfläche des groben Pulvers. Auf diese Oberfläche richteten sie einen senkrecht einströmenden Luftstrahl mit veränderbarer Strömungsgeschwindigkeit. Das Ergebnis: Je stärker die Haftkräfte zwischen den Kügelchen waren, desto schnellere Luftströmungen waren nötig, um Erosionseffekte auf der Oberfläche zu verursachen. Dabei bildeten sich sogar kleine Krater, die sich mithilfe einer Lasermethode nachweisen ließen. Die Tiefe dieser Krater nahm mit steigender Strömungsgeschwindigkeit und abnehmenden Haftkräften zu.

Mit diesem Grundlagenexperiment lässt sich nun der Einfluss der Haftkräfte zwischen Staubkörnchen genauer analysieren. „Damit können wir vorhersagen, wie die Haftkräfte eine beginnende Erosion verändern“, sagt Sauret. Konkrete Anwendungen erwartet er beispielsweise bei der Reinigung von Solarmodulen, die oftmals mit aneinanderhaftenden Staubkörnchen verschmutzt sind. So ließe sich die Luftströmung aus Reinigungsdüsen optimieren, um die Staubschicht möglichst schonend von den Solarmodulen zu entfernen. „Das ist besonders für trockene Regionen mit Wassermangel von großem Interesse“, so Sauret.