CD-Labor for Kavitation und Mikroerosion

Gegenstand der Forschung ist die mechanische Mikroerosion, ausgelöst durch eine Flüssigkeit. Die Mechanismen, Ansätze und Techniken solcher Erosionen, die durch Kavitation und den Aufprall von Tropfen oder Flüssigkeitsstrahlen auf feste Oberflächen entstehen, werden detailliert untersucht.

Unter Kavitation versteht man die Gasblasenbildung in einer Flüssigkeit, die durch Unterdruck auftritt, beispielsweise in starken Ultraschallfeldern. Kollabieren solche Gasblasen, kann es in ihrem Inneren sowie an benachbarten Oberflächen kurzzeitig zu extremen Zuständen – mit hohen Druckwerten und Temperaturen – kommen. Dadurch werden selbst härteste Materialien angegriffen und erodieren. Ebenso können auf Oberflächen auftreffende Tropfen großes Erosionspotenzial entwickeln, was in bestimmten Fällen eine gewünschte Reaktion ist. Demnach wird der Erosionsbegriff hier so weit gefasst, dass neben „Zerstörung“ auch eine „Reinigung“ durch sanftere Wechselwirkung von Flüssigkeit oder Kavitationsblasen mit den festen Oberflächen untersucht wird.

Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich zunächst auf die mechanischen Vorgänge auf der Mikroebene. Sie werden ausgelöst, wenn Tropfen auftreffen oder Kavitationsblasen an einem festen Objekt pulsieren und anschließend kollabieren. Während in diesem Bereich für glatte Oberflächen bereits einiges bekannt ist, interessiert man sich hier zusätzlich für verschmutzte und strukturierte Oberflächen, die bisher kaum untersucht wurden. Dazu soll durch gezielte Beeinflussung und Wahl äußerer Parameter, beispielsweise der Tropfengröße oder des Ultraschallfeldes, eine kontrollierte Erosions- oder Reinigungsaktivität erreicht werden. Die Kenntnis der genauen mikroskopischen Phänomene ist die Voraussetzung für eine Optimierung der Erosionswirkungen. Dank der Forschungsarbeit wird es möglich, feste Flächen und Strukturen exakt und skalierbar zu behandeln, um sie etwa zu reinigen, ohne sie zu zerstören.

Die extremen Bedingungen in einer kollabierenden Blase sind auch die Grundlage für viele weitere Phänomene und Techniken, die mit der Kavitation verbunden sind. Im Blaseninneren finden verschiedene chemische Reaktionen statt (Sonochemie), die ebenso untersucht werden. So entsteht unter bestimmten Bedingungen z. B. auch Licht (Sonolumineszenz). Daneben kommt es zu starken Strömungen und Turbulenzen in der Flüssigkeit, die nicht nur Reinigungszwecken, sondern auch Mischprozessen oder der Desinfektion dienlich sind. Viele der ablaufenden Vorgänge sind im Detail bisher noch nicht völlig geklärt. Die Forschungsergebnisse sind hochgradig relevant für Anwendungen der Kavitation in den Bereichen Reinigung, Chemie, Medizin oder Lebenswissenschaften.