Forscher entdecken, wie Regentropfen unseren Autos tatsächlich schaden

Der Gartenzaun, dessen Beschichtung abblättert oder das Auto, das auf seiner Oberfläche Beschädigungen aufweist, sind nicht nur Ärgernisse im Auge des Betrachters und das Ergebnis von Korrosion. Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben eine weitere Ursache entdeckt, wenn mit einer Schutzschicht bestrichene Oberflächen „Wind und Wetter“ standhalten müssen: Regentropfen. In ihrer Untersuchung haben Jürgen Butt und weitere Kollegen herausgefunden, dass sich die kleinen Wassertropfen beim Gleiten über isolierende Oberflächen elektrisch aufladen. Fallen sie danach beispielsweise auf ein Auto, kann ihre elektrische Ladung regelrecht ein Loch in die Oberfläche sprengen.

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Echter Schutz? Forscher lassen Regentropfen fallen

In ihren Versuchen arbeiteten die Forscher mit 35 Mikroliter großen Tropfen, die Natriumchlorid enthielten, um Regenwasser nachzuahmen. Diese ließen sie einerseits auf eine mit Teflon beschichtete Kupferoberfläche fallen, andererseits ließen sie die Tropfen zunächst von einer geneigten Fläche über vier Zentimeter hinuntergleiten, bevor sie von einer Höhe von fünf Millimetern auf die isolierte Schicht trafen.

Bei dem Material der Flächen handelte es sich um ein Pflanzenblatt der Sorte Tradescantia spathacea, einen PVC-Schaumstoff aus dem Baummarkt, eine ebenso im Handel erhältliche Fensterverglasung sowie eine fluorierte Beschichtung auf Quarz. Es zeigte sich, dass sich jene Tropfen, die über diese Oberflächen kullerten, spontan aufluden. Die Ladungen reichten je nach Oberfläche von 0,2 Nanocoulomb bis zu zwei Nanocoulomb. Ein Nanocoulomb bei etwa der Größe eines Regentropfens entspricht einigen tausend Volt. Für eine genauere Bezifferung arbeitete das Team mit einer leitenden Kugel als Modell, die über einer leitenden Wand schwebt. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass ein Tropfen mit einer Ladung von zwei Nanocoulomb 60 Kilovolt pro Millimeter erreicht.

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3.000 Mal wiederholten die Forscher diesen Vorgang jeweils mit dem direkten Aufprallen auf der Kupferplatte und dem vorherigen Hinuntergleiten an den Flächen, die Situationen an einem Regentag nachstellen sollten.

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Welche Kraft in geladenen Wassertropfen steckt

Durch ein Rasterelektronenmikroskop zeigte sich, dass die mit einer 60-Nanometer-dicken Teflonschicht überzogene Kupferplatte durch die Tropfen, die vorher abgeprallt waren, Vertiefungen von mehreren Nanometern Tiefe aufwies. Teilweise reichten diese durch das Teflon hindurch, erreichten also das Metall. Somit konnte Korrosion entstehen. Anders sah es bei den Tropfen aus, die direkt auf das Teflon aufprallten: Die Beschichtung blieb nach 3.000 Versuchen intakt.

„Wir haben vor einigen Jahren die Physik dahinter erforscht, wie sich Wassertropfen aufladen, wenn sie über Oberflächen rutschen. Dies ist eine Art ‚Reibungselektrizität‘ bei Tropfen und physikalisch viel komplexer als angenommen. Treffen solche geladenen Tropfen auf eine Beschichtung, entladen sie sich lokal und können die Schicht punktuell durchschlagen wie ein kleiner Blitz – mit Folgen für ihre Haltbarkeit“, berichtet der in die Studie involvierte Rüdiger Berger, Gruppenleiter im Arbeitskreis „Physik an Grenzflächen“.

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Um die fallenden Tropfen näher zu beobachten, nutzten die Forscher Hochgeschwindigkeitskameras. Dadurch konnten sie sehen, dass sich die Form bei elektrisch geladenen Tropfen während des Fallens verändert. Sie entwickeln eine Kegelform, ähnlich dem sogenannten Taylor-Kegel, der beim Elektrosprühverfahren auftritt. „Wir führen diese Kegelbildung des Tropfens auf das starke elektrische Feld zurück, das bei Annäherung an die Probe entsteht und typischerweise als Indikator für Korrosion an der Probenoberfläche dient“, schreiben die Forscher.

Was das Experiment für Schutzlacke der Zukunft bedeuten

Da heute verwendete Schutzlacke auf der Annahme basieren, dass Regentropfen Salze und Säuren mit sich bringen und diese chemisch etwa dem Gartenzaun oder unserem Auto zusetzen, muss bei der Entwicklung neuer Beschichtungen auch die lokale Beschädigung durch die elektrische Ladung in den Tropfen mitgedacht werden. Dabei gilt es auch die Dicke der Beschichtung zu ermitteln, denn üblicherweise sind Lackbeschichtungen nur wenige Mikrometer dick. Die Forscher weisen abschließend außerdem daraufhin, dass geladene Tropfen auch auf natürliche Weise in Wolken, Meereswellen, Springbrunnen oder Wasserfällen entstehen können oder „oder wenn sie über hydrophobe Materialien gleiten, bevor sie auf das beschichtete Metall treffen.“ Wenngleich die Studie unter Laborbedingungen stattfand, deuten die Hinweise darauf, dass das für unseren Gartenzaun und das draußen geparkte Auto keine guten Nachrichten sind.

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