Im Labor: Elektrisches Feld steuert statische Aufladung

Die meisten Menschen haben schon einmal Klümpchen aus einem Proteinshaker gelöst oder einen schwebenden Klumpen in einer Tasse Schokomilch verfolgt. Statische Elektrizität ist dafür einer der wahrscheinlichen Übeltäter. Ein Team der RMIT University und der Technischen Universität Riga in Lettland hat nun im Labor gezeigt, dass sich die auf einer Oberfläche zurückbleibende statische Ladung kontrollieren lässt. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie ergab, dass ein elektrisches Feld, das angelegt wird, während sich zwei Oberflächen berühren und dann voneinander lösen, festlegt, wie viel Ladung zurückbleibt, ob diese Ladung positiv oder negativ ist – oder ob sie ganz entfernt wird.

Statische Aufladung ist in der Industrie meist ein Problem, gegen das man vorgeht. Die Branche setzt oft teure leitfähige Zusätze als Pauschallösung ein, und allein in der Elektronikindustrie kostet die statische Entladung etwa 5 Milliarden US-Dollar. Der Ansatz des Teams funktioniert anders: Er steuert die Ladung, statt sie überall zu unterdrücken. In den Experimenten wurden Polystyrolfolien, ein Kunststoff, unter Anlegen äußerer Felder 500-mal zusammengepresst und wieder auseinandergezogen. Stärkere Felder hinterließen mehr Ladung, und eine Umkehrung des Felds kehrte auch die Ladung um. Dasselbe Verhalten zeigte sich bei allen getesteten Kunststoffen.

Die Arbeit berührt außerdem eine alte Frage: Was sorgt dafür, dass sich Ladung trennt, wenn zwei Materialien sich berühren und wieder lösen? Computersimulationen zeigten, dass die vom Team angelegten Felder in ihrer Stärke jenen ähneln, die entstehen, wenn raue Kunststoffoberflächen aufeinandergepresst werden. Das stützt die Annahme, dass winzige eingebaute elektrische Felder die Ladungstrennung bei alltäglicher statischer Elektrizität antreiben.

Die Autoren nennen als mögliche Anwendungen antistatische Oberflächen für Fertigung und Elektronikverarbeitung, die Kontrolle darüber, wo geladene Partikel oder Kunststoffe haften bleiben, intelligentere Sensoren sowie intelligente Luft- und Gasfilter. Ein Beispiel: Ein Förderband, das Saatgut sortiert, könnte sein elektrisches Feld auf jede Sorte abstimmen, sodass kein Samenkorn einen Schlag bekommt. Das Team plant, den Ansatz an echten Pulvern zu testen und programmierbare Oberflächen in deutlich kleineren Maßstäben zu untersuchen. Sein laufender Förderantrag mit Industriepartnern zielt auf Kraftstoffe: Dort könnte es den Kraftstoff energieeffizienter machen, wenn antistatische Zusätze entfallen, weil die Oberflächen, mit denen er in Berührung kommt, entsprechend abgestimmt werden. Für keine dieser Anwendungen hat das Team einen Zeitplan angekündigt. Sherrell zufolge besteht der nächste Schritt darin herauszufinden, wie stark das Feld sein muss, wie lange es für jedes Pulver angelegt werden sollte und an welcher Stelle im Prozess es am besten wirkt.

Die Grenzen sind klar. Lebensmittelpulver wie Protein, Zusätze für Malzgetränke und Kaffee wurden nicht getestet; das Team hat Kunststoffe verwendet und erklärt, seine Ergebnisse deuteten darauf hin, wie sich der Ansatz auf Lebensmittel übertragen ließe. Die Ladung wurde durch Anlegen eines Felds während des Kontakts festgelegt und danach gemessen. Das Umschalten der Ladung im laufenden Betrieb, wie es ein Förderband erfordern würde, ist nicht nachgewiesen. Die Simulationen beruhen auf einem vereinfachten Modell, und der Ansatz wurde nicht an industriellen Anlagen getestet.