DropCoalSurf - Transportprozesse bei der Tropfenkoaleszenz unter Mikrogravitation: Einfluss von Tensiden und Dampfdruck
Die Koaleszenz von Tropfen spielt in vielen natürlichen und technischen Prozessen einewichtige Rolle, beispielsweise bei der Bildung von Regentropfen, bei der Verbrennung von Kraftstoffen oder bei der Verabreichung von Medikamenten durch inhalierte Tropfen. Wie sich zwei Tropfen bei ihrem Zusammentreffen verhalten und miteinander vermischen, hängt dabei von zahlreichen Faktoren ab. Neben den Eigenschaften der Flüssigkeiten spielen dabei auch Transportprozesse an den Grenzflächen und Veränderungen der Oberflächenspannung eine wichtige Rolle. Letztere können beispielsweise durch Tenside beeinflusst werden, die in zahlreichen praktischen Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere bei Tropfen aus unterschiedlichen Flüssigkeiten sind die dabei auftretenden Prozesse und ihre Wechselwirkungen noch nicht vollständig verstanden.
Ziel des Experiments ist es, den Gasphasentransport im schmalen Spalt zwischen zwei gleich großen Tropfen vor ihrer Koaleszenz genauer zu untersuchen. Hierzu werden unter anderem Tropfen aus Wasser und Wasser-Ethanol-Gemischen verwendet. Da Ethanol leichter verdunstet als Wasser, verändert sich die Zusammensetzung der umgebenden Gasphase. Besonders im schmalen Spalt zwischen den beiden Tropfen entstehen dadurch erhöhte Ethanolkonzentrationen. Gelangt Ethanol-Dampf an die Oberfläche des benachbarten Tropfens, verändert er dort die lokale Oberflächenspannung. Die daraus resultierenden Oberflächenspannungsgradienten treiben Strömungen innerhalb des Tropfens an, sogenannte solutale Marangoni-Strömungen. Gleichzeitig treten Verformungen der Tropfenoberflächen auf. Diese Wechselwirkungen beginnen bereits vor dem eigentlichen Kontakt der Tropfen und beeinflussen sowohl den Zeitpunkt der Koaleszenz als auch die anschließende Vermischung.
Im Experiment werden deshalb sowohl das Dampffeld in der Umgebung und zwischen den Tropfen als auch die Strömungen innerhalb der Tropfen untersucht. Für die Charakterisierung der Gasphase wird die Background-Oriented Schlieren Methode (BOS) eingesetzt. Dabei werden Änderungen des Brechungsindex der Gasphase genutzt, um Konzentrationsunterschiede sichtbar zu machen. Die Strömungen innerhalb der Tropfen werden mit Particle Image Velocimetry (PIV) anhand kleiner Tracerpartikel gemessen. Ergänzend wird untersucht, wie Tenside diese Wechselwirkungen verändern und ob sich dadurch die Vermischung der Tropfen beeinflussen lässt.
Unter Schwerkraft führen Konzentrations- und damit verbundene Dichteunterschiede in der Gasphase zu Auftriebsströmungen, die den Stofftransport zwischen den Tropfen beeinflussen. Auch Dichteunterschiede zwischen den verwendeten Flüssigkeiten können während und nach der Koaleszenz zusätzliche, schwerkraftgetriebene Strömungen hervorrufen und damit die eigentlichen Mischungsprozesse überlagern. Unter Mikrogravitation werden diese Effekte nahezu vollständig unterdrückt. Gleichzeitig entfällt die hydrostatische Verformung der Tropfen weitgehend, sodass ihre Form hauptsächlich durch die Oberflächenspannung bestimmt wird. Dadurch lassen sich die für die Koaleszenz relevanten Grenzflächen-, Transport- und Mischungsprozesse weitgehend isoliert von schwerkraftgetriebenen Effekten untersuchen. Die Ergebnisse sollen zu einem besseren Verständnis der Prozesse beitragen, die bereits vor der Koaleszenz zweier Tropfen einsetzen und deren weitere Dynamik beeinflussen.