Kraft des Wassers: Tropfen, die Pirouetten drehen

Mit etwas Glück lassen sich hüpfende Tropfen beobachten. Zum Beispiel draußen auf dem Fensterbrett, wenn der Regen beginnt. Ein Wassertropfen nähert sich der Oberfläche und irgendwas springt tatsächlich nochmal in die Höhe, wie ein Gummiball. Hochgeschwindigkeitskameras zeigen viel besser als es das menschliche Auge wahrnehmen kann, was da passiert. Nach der Landung läuft der Tropfen breit, zieht sich rasch wieder zusammen und hüpft nach oben.

Dieser zurückspringende Tropfen kann aber auch dazu gebracht werden, sich zu drehen. Und zwar richtig schnell. Eine Rotationsgeschwindigkeit von bis 7300 Umdrehungen pro Minute hätten ihre Tröpfchen erreicht, berichten chinesische Wissenschaftler um Huizeng Li im Fachmagazin „Nature Communications“. „Wir haben erstmals gezeigt, dass eine geradlinige Bewegung nach einem Stoß auf einer benetzbaren Oberfläche in eine Drehbewegung umgewandelt werden kann“, sagt der Forschungsleiter Yanlin Song von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Das Phänomen könnte für die Energiegewinnung genutzt werden.

Winzige Spiralen versetzen den Tropfen in Drehung

Um die Tropfen zum Rotieren zu bringen, haben die Forscher Oberflächen gezielt verändert. Sie legten gewissermaßen winzige, spiralförmige "Deiche" an, die haftfähig und „klebrig“ waren, während die Umgebung weniger haftfreundlich und wasserabweisend war. Grundsätzlich können verschiedene Materialien verwendet werden, um lokal besondere Eigenschaften einzustellen, erläutert Yanlin Song. Sein Team verwendete anodisiertes Aluminiumoxid, aber auch Silizium und Polymere.

In Videos zeigen die Forscher, welche Wirkung die Spiral-Deiche und das Zusammenspiel verschiedener Oberflächeneigenschaften haben: Flüssigkeitstropfen fallen herab, breiten sich auf der Unterlage gleichmäßig in alle Richtungen aus, wie ein Pfannkuchen. Beim folgenden Zusammenziehen jedoch kehren Teile der Flüssigkeit unterschiedlich schnell und auf gekrümmten Bahnen in die Tropfenform zurück, wobei die Spirale eine zusätzliche Rotation hineinbringt. Infolgedessen springt der neue Tropfen nach oben und dreht sich zugleich rasch um seine eigene Achse.

Die Rotationsenergie könnte man nutzen

Was zunächst nur ein netter Trick ist, könnte künftig zur Energiegewinnung dienen. Während des Auftreffens werde die geradlinige Bewegungsenergie des Tropfens teilweise in Rotationsenergie umgewandelt. Und diese könne, zumindest anteilig, auf die Unterlage übertragen werden, erläutert Yanlin Song. „Diese Drehung der Unterlage möchten wir nutzen, um Strom zu erzeugen.“

Ist es nicht einfacher, Regentropfen in einem Becken zu sammeln und an dessen Boden eine herkömmliche Wasserturbine zu betreiben - so wie es gängige Wasserkraftwerke tun? „Wir verwenden ein neues Prinzip, die Bauteile dafür sind einfacher und billiger herzustellen“, sagt Yanlin Song. „Was aber noch wichtiger ist: Nachdem mithilfe der neuen Methode bereits Energie aus den Tropfen gewonnen wurde, kann man sie trotzdem noch in einem Reservoir sammeln und später durch eine Turbine leiten, um weiteren Strom zu erzeugen.“ So zumindest die Idee. Bis das gelingt, ist noch weitere Forschungsarbeit nötig.