Blasen oder ein Tropfen werden sich in einer unmischbaren Flüssigkeit auch trotz der fehlenden Auftriebskraft unter Schwerelosigkeit bewegen, wenn an der Oberfläche (Trennfläche zwischen den beiden Phasen) Unterschiede der Oberflächenspannung vorliegen. Diese können z.B. durch Temperaturunterschiede an der Blasen- oder Tropfenoberfläche hervorgerufen werden, da die Oberflächenspannung von der Temperatur abhängt. In dieser Situation treibt die Blasen- oder Tropfenperipherie eine Strömung an, welche an der Trennfläche in Richtung steigender Oberflächenspannung fließt. Dieses Phänomen, welches als thermokapillare Konvektion bezeichnet wird, wurde unter reduzierter Erdschwere in einem Spaceshuttle-Experiment von Forschern in einer Kooperation zwischen der Bergakademie Freiberg, dem Department of Chemical Engineering der Clarkson University, Potsdam, New York und dem NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio bestätigt und systematisch untersucht.

Eine wichtige Motivation für diese Forschung ist die durch die Raumfahrt geschaffene Möglichkeit, neuartige Werkstoffe mit verbesserten Materialeigenschaften herzustellen. Der Hintergrund dafür ist die im Orbit ausbleibende gravitationsabhängige Auftriebskonvektion in Schmelzen, welche man bei erdgebundenen Herstellungsprozessen als Ursache für eine begrenzte Produktqualität ansieht. Die Untersuchungen zeigen, dass Blasen oder Tropfen in einer Flüssigkeit mit Temperaturgradienten sich umso schneller bewegen, desto größer ihr Durchmesser oder der angelegte Temperaturgradient ist. Damit besitzt man nun grundsätzlich die Möglichkeit, trotz der Abwesenheit von Gravitation Blasen und Tropfen in Flüssigkeiten gezielt zu bewegen.

Die erste Filmsequenz zeigt die Blaseninjektion (Luft) und anschließende Wanderung durch die mit einem Temperaturgradienten beaufschlagte Umgebungsflüssigkeit (Silikonöl) unter Schwerelosigkeit im Spaceshuttle-Experiment. Blasendurchmesser: 8,2 mm, Temperaturgradient: 0.33 K/mm. Die zweite Sequenz zeigt, wie dieser Versuch mit einem Laser-Interferometer beobachtet wurde. Das Interferenzstreifenmuster macht das Temperaturfeld der Strömung sichtbar.

Weitere Details können in folgenden Publikationen nachgelesen werden:

  • Thermocapillary migration of bubbles and drops at moderate to large Marangoni number and moderate Reynolds number in reduced gravity.
    P. H. Hadland, R. Balasubramanian, G. Wozniak, R. S. Subramanian.
    Experiments in Fluids 26 (1999) 240 – 248
  • Temperature fields in a liquid due to the thermocapillary motion of bubbles and drops. G. Wozniak, R. Balasubramaniam, P. H. Hadland, R. S. Subramanian.
    Experiments in Fluids 31 (2001) 84 – 89