Belgisch team onderzoekt met hulp van ESA verdampende druppels in hyperzwaartekracht

De ploeg van de Université de Liège (Ulg) bestudeerde met de Large Diameter Centrifuge (LDC) te ESTEC het zogenaamde Leidenfrosteffect. Dat fenomeen kan ontstaan wanneer druppels van een vloeistof in contact komen met een heet oppervlak en verdampen.

Wanneer een bepaalde temperatuur wordt bereikt ontstaat een isolerende damplaag die contact met het oppervlak verhindert en de snelheid vertraagt waarmee de vloeistof verdampt.

Dat kan leiden tot interessante toepassingen waarbij bijvoorbeeld objecten, ondersteund door de druppels, zonder wrijving over hete oppervlakten kunnen bewegen.

Het Belgische team wilde met zijn experiment de gevolgen van de zwaartekracht op de verdampingstijd en het gedrag van druppels tijdens de verdamping testen.

Aanvankelijk bestond de opzet van het experiment uit een verhit oppervlak dat met servomotoren kon bewogen worden. Een infraroodcamera boven het oppervlak hield de druppel in de gaten. Zodra de druppel uit het centrum van de plaat weg bewoog reageerden de servomotoren. De bedoeling was om de druppel, die heel gemakkelijk kon bewegen, op zijn plaats te houden.

Maar al gauw bleek dat het systeem niet snel genoeg kon reageren om dit te vermijden. Het team kwam vlug met een nieuwe oplossing. Ze plaatsten een aluminium ring op de plaat. Die werd door de plaat verhit en kon zo de druppels op hun plaats houden.

De verdamping werd door een gewone videocamera voor verdere analyse gefilmd.

De Belgen voerden het experiment uit onder omstandigheden die 5, 10, 15 en 20 keer de normale zwaartekracht op de aarde bedroegen. De resultaten van het experiment toonden aan dat de verdampingstijd afneemt naarmate het zwaartekrachtniveau toeneemt.

'Dat is dan misschien wel geen echte verrassing, maar nog niemand had dit experiment eerder uitgevoerd', aldus professor Stéphane Dorbolo van het Ulg-team.

Een ander resultaat van het experiment was dat het zogenaamde Leidenfrostpunt - de kritieke temperatuur waarboven het effect plaatsvindt - een klein beetje hoger ligt naarmate het zwaartekrachtniveau toeneemt. Ook dit was volgens de verwachtingen. Als de zwaartekracht groter wordt, neemt de dikte van de laag van grote druppels af en de kans op contact tussen de vloeistof en het substraat toe.

Tenslotte bekeken ze ook het verschijnsel dat 'schoorstenen' ontstaan in het centrum van de grootste druppels. Die zien er enigszins uit als eierdooiers in het midden van een gebakken ei. Het team ontdekte dat de afstand tussen nabijgelegen 'schoorstenen' verkleint wanneer de zwaartekracht vergroot.

De resultaten van het experiment zijn gepubliceerd in EPL, A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics. De hoofdauteurs zijn de teamleden Laurent Maquet en Martin Brandenbourger, allebei doctoraatsstudenten aan de Ulg.

Ze vonden dit heel erg praktijkgerichte experiment, de wetenschappelijke ondersteuning van hun mentor van de European Low Gravity Research Association (ELGRA) en de samenwerking met ESA-experten een uitstekende kans voor hun ontwikkeling als onderzoekers.

'De samenwerking met de experts was zeer waardevol en een grote hulp bij nieuwe opstellingen van een experiment', aldus Laurent Maquet.

Het Spin Your Thesis! programma geeft gewone studenten, masters en doctoraatsstudenten de gelegenheid om experimenten uit de voeren met de Large Diameter Centrifuge (LDC) van ESA. Met deze faciliteit van wereldklasse kunnen krachten van 1 tot 20 g bereikt worden.

Momenteel werken universitaire studententeams uit het Verenigd Koninkrijk, Roemenië, Italië en Griekenland aan nieuwe experimenten voor de zesde Spin Your Thesis! campagne die van 7 tot 18 september 2015 loopt.

Leidenfrost drops: Effect of gravity

by L. Maquet, M. Brandenbourger, B. Sobac, A.-L. Biance, P. Colinet and S. Dorbolo 

is gepubliceerd in EPL, 110 (2015) 2400, doi: 10.1209/0295-5075/110/24001.