Wie wel eens een druppel water in een sissende pan heeft laten vallen kent het: het Leidenfrosteffect. Voor het eerst in de geschiedenis slaagden technici er in om het Leidenfrosteffect uit te buiten voor het aandrijven van een motor. Goed nieuws voor Marskolonisten.
Wat is het Leidenfrosteffect?
Als een spetter water in een hete pan valt, is deze in een paar seconden verdampt. De Duitse natuurkundige Johann Gottlob Leidenfrost (1715-1794) ontdekte echter iets vreemds. Je zou verwachten, dat hoe heter de pan is, hoe sneller het water verdampt. Bizar genoeg bleek de druppel in een hete pan, vanaf 250 graden, minder snel te verdampen. We weten nu waarom. Als de pan heter is, verdampt er meer water aan de onderkant van de druppel. Daardoor ontstaat een isolerend ‘kussen’ van waterdamp, dat de druppel als een mini-hovercraft laat zweven en zo gescheiden houdt van de hete bodem. Daardoor neemt de druppel minder warmte op dan in een koelere pan, en blijft de druppel langer in leven. Uiteraard ligt zelfs het Leidenfrosteffect het af, als de temperatuur maar hoog genoeg is. De stralingshitte van de pan, die immers exponentieel toeneemt met de temperatuur, laat dan de druppel rechtstreeks verdampen.
De Leidenfrostmotor met ‘droog ijs’
Niet elke stof vormt een vloeistof bij normale luchtdruk. Kooldioxide bijvoorbeeld, verdampt rechtstreeks als vaste stof: het sublimeert. Vandaar de bijnaam ‘droog ijs’ voor vaste kooldioxide. Een blok droog ijs boven een warm oppervlak blijft ook zweven: het damplaagje kooldioxide houdt het blok zwevend. Kooldioxide wordt veel gebruikt als koelmiddel in labs, dus dit effect was vanzelfsprekend al langer bekend. Nieuw aan dit onderzoek is de poging, het effect te gebruiken om er een motor mee aan te drijven.
Hoe werkt de Leidenfrostmotor?
Een blok van onder verdampend kooldioxide-ijs, levert gas onder druk. Die druk kan direct of indirect afgetapt worden. In dit ontwerp heeft de onderste, hete plaat een spiraalvormig patroon. Hieruit spuit het gas weg, ruwweg zoals in een draaiend stuk siervuurwerk, dat hierdoor het blok droog ijs laat ronddraaien. Het resultaat: dit blok draait steeds sneller, tot er zich een evenwicht instelt. Draait er eenmaal iets, dan is het een fluitje van een cent daar een dynamo aan te koppelen en er zo elektriciteit van af te tappen.
Ideale motor voor Mars
Op aarde lijkt deze motor onpraktisch. Kooldioxide koelen tot vaste stof vergt zeer lage temperaturen. Zelfs hartje winter op Vostok, Antarctica, is nog niet koud genoeg. Op Mars is dit anders. Op onze koude buurplaneet komen grote hoeveelheden kooldioxide in vaste vorm voor, die in een jaarlijkse cyclus sublimeert en weer aanvriest. Om de Leidenfrostmotor aan te drijven, hoeven Marskolonisten er alleen geregeld kooldioxide-ijs in te scheppen. Vanzelfsprekend moet er dan wel een plaats zijn, waar voldoende warmte kan worden geoogst om deze CO2 te laten verdampen. Dit plaatsen zijn er echter voldoende op Mars. Denk aan afvalwarmte van het ruimtestation, reactoren en met zonne-energie opgewarmde gedeelten.
Bron
Gary G. Wells, Rodrigo Ledesma-Aguilar, Glen McHale & Khellil Sefiane, “A sublimation heat engine,” Nature Communications 6,Article number:6390 DOI: 10.1038/ncomms7390