Forscher des Massachusetts Institute of Technology haben erforscht, wie sich Wasser energieeffizienter erhitzen lässt. Die Lösung ist eine spezielle Oberfläche mit Mikrostrukturen, die die Bildung der Blasen aus Wasserdampf verhindert.
Von Michael Förtsch
Es scheint banal, aber ist eine der wichtigsten Errungenschaften der Menschheit: Wasser zum kochen bringen. Denn mit kochendem Wasser werden Nahrungsmittel gegart und Keime abgetötet, Materialien biegsam gemacht, Inhaltsstoffe aus Feststoffen herausgelöst und vieles mehr. Jedoch ist das Kochen von Wasser auch ein energieintensiver Prozess. Daher haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology versucht, herauszufinden, wie Wasser schneller und mit dem Einsatz von weniger Energie zum Sieden gebracht werden kann. Und sie haben eine Möglichkeit gefunden.
Laut einem Team von Wissenschaftlern um Evelyn Wang und Youngsup Song sind es die Blasen, die beim Kochen entstehen, die eine effizientere Erhitzung der Flüssigkeit verhindern. „Wenn beim Kochen viele Blasen [aus Wasserdampf] auf der Oberfläche des Heizelements entstehen, heißt das, dass das Kochen sehr effizient ist“, so Youngsup Song. „Wenn aber zu viele Blasen an der Oberfläche sind, kann sich eine dünne Schicht aus Dampf auf die Oberfläche legen.“ Diese wirke wie ein Widerstand, der den Transfer der Hitze von der erhitzenden Oberfläche – wie etwa dem Boden eines Topfes oder der Heizspirale in einem Wasserkocher – zum Wasser dämpft. Je mehr Blasen umso größer ist dieser Widerstand – und umso mehr Energie oder Zeit muss aufgewendet werden, um das Wasser zu erhitzen.
Die Lösung sei, die Oberflächen der Elemente zu modifizieren, die die Hitze unmittelbar an das Wasser weitergeben, wie die Forscher in einer Studie ausführen. Eben dahingehend, dass die Bildung von allzu vielen Blasen und der Gasschicht möglichst minimiert wird. Evelyn Wang, Youngsup Song und ihr Team haben dafür Metallelemente entwickelt und erprobt, die mit kleinen Kanälen durchzogen sind, die gerade einmal zehn Mikrometer messen. Dazu sind auf der Oberfläche mit Vertiefungen versehene Miniaturpfeiler herausgearbeitet. Die Kanäle sollen sich bildende Blasen festhalten und die Pfeiler die Oberfläche eines Heizelementes vergrößern. Dadurch soll mehr Wasser direkt mit der erhitzten Fläche in Verbindung bleiben.
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Effiziente Kochtöpfe müssen warten
Laut den Forschern soll die von der Forschergruppe erdachte Oberfläche sowohl den Wärmeübergangskoeffizient und den kritischen Wärmestrom verbessern. Kurz: Es soll Wasser schneller und mit weniger Energieeinsatz kochen. Dass aber allzu bald Kochtöpfe oder Wasserkocher mit solchen optimierten Böden oder Heizelementen in den Laden kommen, das ist nicht zu erwarten. Denn den Forschern geht es primär darum, das Wasserkochen im industriellen Maßstab zu optimieren. Beispielsweise in Kraft- und Chemiewerken, die dadurch die Energieausbeute erhöhen respektive den Energieaufwand reduzieren könnten.
Aber auch dort wird Wasser wohl auf absehbare Zeit noch auf traditionelle Weise gekocht. Denn laut den Forschern sei die optimierte Oberflächenstruktur derzeit noch nicht in großer Masse herstellbar. Sie wurden für die Testreihen mit viel Aufwand in einem Reinraum erzeugt, ähnlich wie Mikrochips. „Der nächste Schritt ist es nun, über skalierbarere Ansätze nachzudenken“, so Wang. Also Herstellungsmethoden, die weniger aufwendig und deutlich günstiger sind.
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