Ausgabe 201

ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 201 / 20. 12. 2021 Wissenschaft & Technik Warum Teekannen immer tropfen Strömungsmechanische Analysen der TU Wien beantworten eine alte Frage: Wie kommt es zum sogenannten »Teapot-Effekt«? 146 Der „Teapot-Effekt“ wurde schon vielen blütenweißen Tischtüchern zum Ver - häng nis: Wenn man eine Flüssigkeit zu langsam aus einer Kanne ausgießt, dann kann es passieren, daß sich der Flüssigkeitsstrom nicht sauber von der Kanne löst und seinen Weg in die Teetasse findet, sondern stattdessen entlang der Kanne nach unten rinnt. Seit Jahrzehnten wird dieses Phänomen wissenschaftlich untersucht – nun gelang es einem Forschungsteam der TU Wien mit einer aufwendigen theoretischen Analyse und zahlreichen Experimenten, den „Teapot- Effekt“ vollständig und detailliert zu be - schreiben: Ein Zusammenspiel verschiedener Kräfte sorgt für eine minimale Benetzung direkt an der Kante, und sie reicht aus, um unter bestimmten Bedingungen den Flüssigkeitsstroms umzuleiten. Ein Effekt mit langer Geschichte Erstmals beschrieben wurde der „Teapot- Effekt“ von Markus Reiner im Jahr 1956. Reiner promovierte an der TU Wien im Jahr 1913 und emigrierte dann in die USA, wo er zu einem wichtigen Pionier der Rheologie wurde – der Wissenschaft vom Fließverhalten. Immer wieder gab es Versuche, diesen Effekt präzise zu erklären. Arbeiten zu diesem Thema wurden 1999 mit dem satirischen „IG-Nobel-Preis“ ausgezeichnet. Nun schließt sich der Kreis, indem der Teapot-Effekt an Reiners Alma Mater, der TU Wien, erneut un - ter die Lupe genommen wurde – von einem Team rund um Bernhard Scheichl, Dozent am Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung und Key Scientist am Österreichischen Exzellenzzentrum für Tribologie (AC2T research GmbH), in Kooperation mit dem Department of Mathematics am University College London. „Obwohl es sich um einen ganz alltäglichen und scheinbar simplen Effekt handelt, ist es bemerkenswert schwierig, ihn im Rahmen der Strömungsmechanik exakt zu erklären“, sagt Bernhard Scheichl. Entscheidend ist die scharfe Kante an der Unterseite des Teekannen-Schnabels: Dort bildet sich ein Tropfen, die Stelle direkt unterhalb der Kante bleibt stets benetzt. Die Größe dieses Tropfens hängt davon ab, mit welcher Ge - Foto: Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung, TU Wien Auf den richtigen Schwung kommt es an – und auf die Benetzung an der Unterkante des Schnabels. schwindigkeit die Flüssigkeit aus der Kanne fließt. Wenn eine bestimmte Geschwindigkeit unterschritten wird, kann dieser Tropfen dafür sorgen, daß der gesamte Strahl um die Kante herum gelenkt wird und an der Teekanne nach unten abfließt. „Uns ist es nun erstmals gelungen, eine vollständige theoretische Erklärung dafür zu liefern, warum sich dieser Tropfen bildet und die Unterseite der Kante immer benetzt bleibt“, sagt Bernhard Scheichl. Die Mathematik dahinter ist kompliziert – es handelt sich um ein Zusammenspiel aus Trägheit, vis - kosen und kapillaren Kräften. Die Trägheitskraft sorgt dafür, daß die Flüssigkeit die Tendenz hat, ihre ursprüngliche Richtung beizubehalten, die Kapillarkräfte hingegen bremsen die Flüssigkeit an der Schnabeloberfläche ab. Das Zusammenspiel dieser Kräfte ist die Grundlage des Teapot-Effekts. Allerdings sor - gen die Kapillarkräfte dafür, daß der Ef fekt nur ab einem ganz bestimmten Kontaktwinkel zwischen Wand und Flüssigkeitsoberfläche auftritt. Je kleiner dieser Winkel ist oder je hydrophiler (also benetzbarer) das Material des Schnabels ist, umso stärker wird die »Österreich Journal« – https://kiosk.oesterreichjournal.at Ablösung der Flüssigkeit vom Schna bel ge - bremst. Tee im Weltraum Interessanterweise spielt die Stärke der Schwerkraft im Verhältnis zu den anderen auftretenden Kräften dabei keine entscheidende Rolle. Die Schwerkraft legt bloß die Richtung fest, in die der Strahl gelenkt wird, ihre Stärke ist für den Teapot-Effekt aber nicht entscheidend. Beim Teetrinken auf einer Mondbasis wäre der Teapot-Effekt also auch zu beobachten, auf einer Raumstation völlig ohne Schwerkraft hingegen nicht. Die theoretischen Berechnungen zum Teapot-Effekt publizierte das Forschungsteam im September 2021 im Fachjournal „Journal of Fluid Mechanics“. Nun wurden auch noch Experimente durchgeführt: Mit unterschiedlichen Durchflußraten wurde Was - ser aus einer geneigten Teekanne gegossen und mit Spezialkameras gefilmt. So konnte man genau zeigen, wie die Benetzung der Kante unterhalb einer kritischen Ausgussgeschwindigkeit zum „Teapot-Effekt“ führt, die Theorie wurde somit bestätigt. n https://www.tuwien.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 201 / 20. 12. 2021 Wissenschaft & Technik Innovatives Luftfahrzeug hebt senkrecht ab 147 Das österreichische Start-Up Apeleon präsentiert erstmals Eindrücke aus der Flugerprobung ihres Technologie-Demonstrators. In den vergangenen Monaten hat Apeleon ihren bislang größten Technologie-De - monstrator intensiv getestet. In einem mehrstufigen Testprogramm wurden die Flug - eigenschaften des Luftfahrzeuges evaluiert und wichtige Erkenntnisse für die nächste Pha se, die Prototypenentwicklung, gesammelt. Gründer und Geschäftsführer von Apeleon, Andreas Fürlinger, über die Fortschritte: „Die Flugerprobung ist ein wichtiger Be - standteil einer Luftfahrzeugentwicklung, um mathematische Modelle und letztendlich das neuartige Konzept zu validieren. Die Tests zei gen, an welchen Schrauben wir in Zu - kunft noch drehen müssen.“ Der Demonstrator wird, wie eine Drohne als RPAS (Remotely Piloted Aircraft Sy - stem), also von einem Piloten vom Boden aus, in Sichtverbindung betrieben. Dafür be - nötigt es eine Betriebsgenehmigung der ös - terreichischen Luftfahrtbehörde Austro Control. Nach intensiver Zusammenarbeit, er - hielt Apeleon von Austro Control die Flugerprobungsbewilligung für ihren Demonstrator in der „Specific“ Kategorie für UAS (Un- manned Aircraft Systems). Dafür mußte eine sogenannte SORA – Specific Operations Risk Assessment – durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um ein mehrstufiges, standardisiertes Risikoanalyseverfahren für den Ein - satz von zivilen Drohnen um sicherzustellen, daß der Drohnenflug ohne Gefährdung oder Störung unbeteiligter Dritter durchgeführt werden kann. „Der gesamte Drohnenbereich durchläuft derzeit eine unglaublich dynamische Ent - wick lung. Innovative Ideen und neue technologische Möglichkeiten eröffnen immer vielfältigere Anwendungsgebiete. Austro Control unterstützt als Luftfahrtbehörde jun - ge Unternehmen wie Apeleon, wenn es dar - um geht, die Erprobung neuer technischer Lösungen in einem sicheren Rahmen zu er - möglichen“, sagt Valerie Hackl, Geschäftsführerin von Austro Control. Das Luftfahrzeug bringt aktuell rund 100 Kilogramm auf die Waa ge. In den nächsten Jahren soll es als Prototyp doppelt so groß entwickelt und gebaut werden und als Basis Foto: Volare GmbH / Markus Zahradnik Foto: Volare GmbH Der Technologie-Demonstrator im Hangar… für eine Luftfahrzeugzulassung und Serienproduktion dienen. Fürlinger betont: „Es ist wichtig auch in Österreich innovative und zukunftsweisende Themen der Luftfahrt umzusetzen, um diese neue Branche (Regionalverkehr in der Luft) zu verankern, sowie mit einem österreichischen Player in diesem Bereich vertreten zu sein. Wir verfügen über gut ausgebildete und motivierte Fachkräfte sowie eine gute Zulieferindustrie. Somit sind wichtige Voraussetzungen für ein nachhaltiges Wachstum in der Region vorhanden.“ … und bei einer Flugdemonstation »Österreich Journal« – https://kiosk.oesterreichjournal.at Über Apeleon Apeleon ist eine Marke der im niederösterreichischen Mödling ansässigen Volare GmbH, unter der ein elektrisch betriebenes senkrecht startendes und landendes Luftfahrzeug entwickelt wird. Mit direkten Routen und einer hohen Reisegeschwindigkeit können abgelegene Regionen untereinander oder mit Ballungszentren, ohne Schaffung aufwendiger und kostspieliger Infrastruktur, angebunden werden. n https://www.apeleon.com/ https://www.youtube.com/watch?v=ehO3BbZVZ1A