🫧 Warum halten manche Schäume besser als andere? Eine Antwort aus dem Weltraum!

In einer Langzeitstudie, die auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wurde, konnten Wissenschaftler die physikalisch-chemischen Faktoren, die die Langzeitstabilität von Schäumen beeinflussen, genau untersuchen, indem sie die durch die Schwerkraft verursachte Entwässerung ausschalteten.

Ob in einem Cappuccino, einem Rasierschaum oder einem Feuerlöscher – Schäume sind Teil unseres Alltags. Leider sind sie, da sie aus Flüssigkeit und Gas bestehen, von Natur aus instabil. Auf der Erde verändern sie sich aufgrund der Entwässerung der Flüssigkeit schnell. Die stabilsten Schäume überstehen diese erste Entwicklungsphase, aber selbst wenn die Hauptentwässerung abgeschlossen ist, wachsen ihre Blasen weiter, entweder durch Verschmelzung oder durch einen Mechanismus namens Reifung: Kleine Blasen schrumpfen und verschwinden, während größere wachsen, da das Gas von einer zur anderen durch die flüssige Phase diffundiert.


Diese späteren Entwicklungsphasen hängen von recht feinen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mischung ab, die die schaumbildende Flüssigkeit ausmacht. Das erklärt, warum die allgemeine Vorhersage der Stabilitätsdauer eines bestimmten Schaums in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung auch heute noch eine offene Frage ist.

Das Verständnis und die Verlangsamung dieser Phänomene sind jedoch entscheidend, um die Leistung von Industrieschäumen zu verbessern. Ein Hindernis für diesen Fortschritt besteht darin, dass auf der Erde die durch die Schwerkraft verursachte Entwässerung die Messungen stört, indem sie eine ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung erzeugt.

Um die Reifung ohne Störungen zu beobachten, führte ein Konsortium von Forschenden Beobachtungen zur Entwicklung von Schäumen durch, die an Bord der Internationalen Raumstation erzeugt wurden – einer Umgebung mit effektiver Schwerelosigkeit. So konnten sie die Stabilität von sehr flüssigen Schäumen (sogenannten "nassen Schäumen") vergleichen, die mit neun verschiedenen Stabilisatoren hergestellt wurden – klassischen Tensiden, einem Polymer und einem Lebensmittelprotein. Dazu maßen sie äußerst präzise die Wachstumsgeschwindigkeit der Blasen und zeigten, dass diese je nach chemischer Natur des verwendeten Stabilisators um den Faktor 10 variiert.

Bisher gingen Fachleute auf diesem Gebiet davon aus, dass diese Geschwindigkeit hauptsächlich von der Permeabilität der Zwischenflüssigkeit abhängt (d.h. von der Fähigkeit der Flüssigkeitsfilme, Gas durchzulassen). Die Forschenden entdeckten jedoch, dass zwei weitere Schlüsselfaktoren eine Rolle spielen. Einerseits erweist sich die Haftung zwischen den Blasen, die ihre lokale Struktur beeinflusst, als wichtig, wenn der Flüssigkeitsanteil nicht zu hoch ist. Andererseits erweist sich die Diffusion des Gases aus den Filmen über Kapillarbrücken oder "Plateauränder" (die sich immer am Treffpunkt von drei Filmen befinden und den Großteil des flüssigen "Skeletts" des Schaums ausmachen) in Fällen, in denen die Permeabilität sehr dünner Grenzflächen besonders gering ist, als entscheidend.


Diese Effekte können entweder zu einer Beschleunigung oder einer Verlangsamung der Schaumreifung führen, was die Komplexität des allgemeinen Phänomens veranschaulicht – eine Komplexität, die diese Arbeit endlich rationalisieren kann, indem sie gleichzeitig die Grenzflächeneigenschaften und die strukturellen Merkmale der untersuchten Schäume berücksichtigt.

Zusammenfassend ermöglicht diese Arbeit ein besseres Verständnis der Rolle der Chemie von Tensiden bei der Reifung nasser Schäume. Sie eröffnet Perspektiven für die Entwicklung von Schäumen in verschiedenen Bereichen, von der Kosmetik über die Schadstoffbeseitigung bis hin zu innovativen Materialien. Diese Ergebnisse werden in der Zeitschrift Journal of Colloid and Interface Science veröffentlicht.