Wenn Tropfen und Partikel aufeinandertreffen

TU Graz News: Können Sie uns Ihre Forschung beschreiben?

Carole Planchette: Mein Forschungsfeld ist Strömungslehre oder Fluid Mechanics, also die Physik von Flüssigkeiten und Gasen in Bewegung. Dieses Feld reicht von klassischen Fragestellungen der Aerodynamik im Windtunnel, aber auch die Hydrodynamik, bis hin zu komplexen technischen Strömungssystemen.

Im Speziellen arbeite ich am sogenannten Multiphase Flow, oder Mehrphasenströmungen. Dabei handelt es sich um Systeme, in denen also unterschiedliche Phasen – etwa unmischbare Flüssigkeiten, Gase oder Feststoffe – miteinander wechselwirken. Wie sich solche Systeme verhalten, hat seinen Ursprung in den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen. Sind diese fein dispergiert – in Form von Tröpfchen, Bläschen oder Partikeln - gewinnen die Grenzflächen stark an Bedeutung, da auf diesen kleinen Skalen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen groß ist. Konkret betrifft das etwa Tröpfchen, Bläschen, Jets und kleine Partikel. Tröpfchen oder partikelbeladene Grenzflächen dienen mir dabei als kontrollierbare Modellsysteme, an denen sich diese Mechanismen besonders präzise untersuchen lassen. Gleichzeitig sind genau diese Effekte für viele technische Anwendungen relevant, etwa in der Mikrofluidik, beim Drucken funktionaler Materialien oder bei Beschichtungsprozessen.

Ich versuche gleichermaßen Grundlagen zu erforschen und auch die Anwendung im Blick zu behalten. Mein Fokus liegt jedoch klar auf den Grundlagen. Denn ich bin überzeugt, dass man ein Phänomen vollständig verstehen muss, bevor daraus eine sinnvolle Anwendung entstehen kann.

Arbeiten Sie aktuell an einem Projekt in diesem Bereich?

Planchette: Ich arbeite derzeit mit meiner Gruppe an mehreren Projekten, die unterschiedliche Aspekte von Mehrphasenströmungen untersuchen.

Ein zentrales Projekt ist „REMEDY“, ein EIC-Pathfinder-Projekt mit internationalen Partnern. Dabei versuchen wir, eine sogenannte Bio-Tinte aus Mikroorganismen herzustellen. Diese Tinte möchten wir in kleinen Tröpfchen präzise auf geeignete Paneele drucken. Die bedruckten Elemente sollen später an Fassaden angebracht werden und dort funktionale Biofilme bilden, die beispielsweise CO₂ binden. Da diese Filme aus lebenden Mikroorganismen entstehen, können sie kleinere Beschädigungen durch biologisches Wachstum wieder schließen.

Gemeinsam mit Theresa Rienmüller vom Institut für Biomechanik und einem industriellen Partner arbeite ich außerdem an einer Lab-on-a-Disk-Plattform. Dabei wird eine Probe, z.B. Blut, auf einen rotierenden mikrofluidischen Chip aufgebracht, um sehr schnell viele Parameter aus winzigen Flüssigkeitsmengen zu analysieren.

In einem Sonderforschungsbereich zur Optimierung von Elektromotoren, koordiniert an der TU Graz von Annette Mütze und gemeinsam mit der TU Darmstadt durchgeführt, leite ich ein Teilprojekt im Bereich der Kühlung. Unser Beitrag startet derzeit und untersucht einen neuartigen Ansatz mit sogenannten „Compound“-Tröpfchen, also Tropfen aus zwei unmischbaren Flüssigkeiten. Ziel ist es, die guten Benetzungseigenschaften der äußeren Flüssigkeit mit der effizienten Verdampfung der inneren zu kombinieren, um Wärme gezielt abzuführen.

In einem weiteren, vom FWF geförderten Projekt untersuche ich, wie Tröpfchen und Partikel in der Luft kollidieren und was dabei passiert. Bleibt ein Teil des Tröpfchens am Partikel haften? Wird es umhüllt oder stoßen sie sich ab? Wir arbeiten in diesem Projekt großteils experimentell.

Was meinen Sie damit genau?

Planchette: Es geht typischerweise um Wasser- oder Öllösungen. Wir möchten besser verstehen, wie kritisch solche Phänomene in verschiedenen industriellen Prozessen sind – etwa bei der Herstellung von Milch- oder Kaffeepulver durch Sprühtrocknung (spray drying). Gleichzeitig wollen wir herausfinden, was passiert, wenn die Luft sehr staubig ist und es dann regnet: Wie viel Staub bleibt in der Luft, und welche Partikel werden tatsächlich ausgewaschen?

Wie können Sie das im Labor nachstellen? Lassen Sie es da regnen oder stellen Sie sich im Regen in den Hof?

Planchette: Das ist gar nicht so einfach. Wir müssen sicherstellen, dass Tröpfchen und Partikel auf kontrollierte Art mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufeinandertreffen. Deshalb erzeugen wir sowohl die Tröpfchen als auch die Partikel selbst. Dafür nutzen wir zwei Tröpfchenströme, die sich in der Luft begegnen. Einer davon besteht aus einer Flüssigkeit, die unter UV-Strahlung aushärtet – durch gezielte Bestrahlung entstehen daraus feste Partikel, die dann mit den flüssigen Tropfen kollidieren. So haben wir zwei präzise einstellbare und reproduzierbare Ströme, sodass wir die Kollisionsbedingungen systematisch variieren können, von frontalen bis seitlich versetzten Kollisionen, mit Tropfendurchmessern im submillimetrischen Bereich und Geschwindigkeiten bis zu zehn Metern pro Sekunde.

Wie kommen Sie auf die Idee, ein solches Experiment zu bauen?

Planchette: Die Erzeugung gleichmäßiger Tröpfchenströme basiert auf einer klassischen physikalischen Instabilität, der sogenannten Rayleigh-Plateau-Instabilität. Solche Tropfengeneratoren sind in der Strömungslehre gut etabliert. Die Idee war jedoch, dieses Prinzip gezielt weiterzuentwickeln: Wir kombinieren zwei solcher Ströme und nutzen UV-Polymerisation, um aus einem davon definierte feste Partikel zu erzeugen. Dadurch können wir Tröpfchen-Partikel-Kollisionen unter exakt kontrollierten Bedingungen untersuchen. Dieses Setup erlaubt es uns, fundamentale Wechselwirkungen systematisch zu analysieren.

Ihre Forschung ist zumeist in der Grundlagenforschung beheimatet – warum?

Planchette: Meine Forschung ist stark grundlagenorientiert, weil ich überzeugt bin, dass technologische Entwicklungen nur auf einem fundierten physikalischen Verständnis aufbauen können. Mich interessiert nicht nur, dass ein Phänomen funktioniert, sondern warum es funktioniert. Gerade in der Strömungslehre wirken viele Systeme einfach, sind es aber nicht. Für mich besteht die Aufgabe darin, geeignete Experimente zu entwickeln, um die zugrunde liegenden Phänomene so gut wie möglich zu verstehen und zu modellieren.

Wie haben Sie Ihren Weg in die Wissenschaft gefunden?

Planchette: Schon als Kind war ich an Wissenschaft interessiert und sehr neugierig. Diese Neugier ist für mich bis heute ein innerer Motor geblieben. Ich hätte mich für unterschiedliche wissenschaftliche Wege entscheiden können. Während meines Studiums in Paris an einer der Grandes Écoles bin ich dann in der Strömungsmechanik auf inspirierende Menschen gestoßen, die mich für dieses Fach wirklich begeistert haben. Für mich war es danach ein ganz natürlicher Weg, diesen Bereich auch wissenschaftlich weiterzuverfolgen. Ich habe mein Doktorat abgeschlossen und bin anschließend für mein Postdoc nach Österreich gekommen.

Was mich an der Strömungslehre besonders fasziniert, ist die unmittelbare Verbindung zum Alltag. Viele physikalische Mechanismen zeigen sich in Situationen, die wir zunächst gar nicht als physikalisch wahrnehmen. Etwa wenn ich Kaffee mische oder wenn Tröpfchen an der Duschwand hängen bleiben und langsam herunter gleiten. Gerade an solchen scheinbar einfachen Beobachtungen zeigt sich, wie komplex die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen sind. Genau diese Verbindung vom Alltäglichen zur physikalischen Theorie und weiter zur Technik versuche ich auch in der Lehre zu vermitteln.

Sehen Sie so die Welt? Also bei jedem Rühren im Kaffee und bei jeder Dusche?

Planchette: Manchmal schon. Ein Beispiel, das ich auch gerne in der Lehre verwende, ist folgendes: Gibt man etwas Wasser in eine heiße Pfanne, beginnen die Tröpfchen über die Oberfläche zu rollen.  Das Wasser verhält sich gänzlich anders als in einer kalten Pfanne. Genau darin zeigt sich sehr anschaulich der sogenannte Leidenfrost-Effekt. Solche Phänomene haben viele Menschen schon beobachtet – spannend wird es, wenn man die physikalischen Prinzipien dahinter versteht.

Welche Pläne haben Sie für Ihre Professur?

Planchette: Ich habe seit geraumer Zeit eine Arbeitsgruppe, die bereits Pläne und Visionen hatte, bevor ich die Professur angenommen habe. Damit möchte ich natürlich weiterarbeiten und die Gruppe gezielt weiter ausbauen. Ich möchte mehr Personen mit unterschiedlichen Hintergründen integrieren um die fachliche Vielfalt im Team weiter zu stärken. Ich selbst arbeite vor allem experimentell und entwickle meine Modelle analytisch, aber sehe großes Potenzial darin, unsere Arbeit stärker mit numerischer Simulation zu ergänzen. Die Verbindung von Experiment, Modellierung und Simulation bietet in unserem Gebiet viele neue Möglichkeiten.

Gibt es Forschungsfragen, die Sie unbedingt beantworten möchten?

Planchette: Eine spezielle Frage zu wählen ist mir unmöglich.

Besonders spannend finde ich Systeme, in denen Partikel an Grenzflächen beteiligt sind – sei es bei Tropfen, Blasen oder Emulsionen. Solche Systeme findet man sowohl in der Natur als auch in technischen Anwendungen. Oft hängt das Verhalten des gesamten Systems davon ab, was auf sehr kleiner Skala an der Grenzfläche passiert. Diese Zusammenhänge besser zu verstehen, halte ich für wichtig – auch, um bestehende Verfahren weiterzuentwickeln. In diesem Bereich, gibt es noch viele offene Fragen.