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06.01.2021 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Wozu taugen eigentlich Ferrofluide?

Autor:
Dieter Beste
4 Min. Lesedauer

Ferrofluide sind Flüssigkeiten, die magnetische Partikeln enthalten und somit auf magnetische Felder reagieren. Dabei können sie bizarre Strukturen ausbilden und damit verblüffen, entgegen der Schwerkraft zu fließen. Alles nur Spielerei?

Um 1970 bekam Klaus Stierstadt von einem Kollegen aus den USA ein kleines Fläschchen mit einer rabenschwarzen Flüssigkeit geschenkt, die sich mit einem normalen Dauermagneten bewegen ließ. "Dieses Fläschchen stand etwa zehn Jahre auf meinem Schreibtisch. Und alle paar Tage berührte ich es mit dem Magneten und freute mich an den bizarren Mustern, welche die Flüssigkeit dabei bildete", berichtet Klaus Stierstadt im Vorwort des essentials "Ferrofluide im Überblick". Um 1980 sei ihm dann die Idee gekommen, damit etwas ganz Neues zu machen, was mit normalen Flüssigkeiten nicht möglich war, erinnert sich der emeritierte Professor für Physik an der Universität München, "zum Beispiel Konvektion im schwerelosen Zustand."

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2020 | OriginalPaper | Buchkapitel

Physikalische Eigenschaften magnetischer Flüssigkeiten

Viele Eigenschaften der Ferrofluide ähneln weitgehend denen ihrer Trägerflüssigkeiten. Der Gehalt an kolloidalen Teilchen liegt ja im Allgemeinen nur bei 5 bis 20 %. Gebräuchliche Trägerflüssigkeiten sind Wasser, Öle, Ester und andere …

Tatsächlich enthält 50 Jahre später das Füllhorn der Ferrofluide vielfältige Anwendungen – und in der Forschung erfinden Wissenschaftler weltweit tagtäglich Neues hinzu: So ist etwa die Verbesserung der Wärmeübertragung in der Elektronikkühlung von größter Bedeutung. Forscher arbeiten auf diesem Gebiet an der Nutzbarmachung unterschiedlicher Nanofluide, um so das Wärmemanagement der immer kleiner werdenden Geräte zu verbessern. In letzter Zeit nun haben Ferrofluide die Aufmerksamkeit der Entwickler auf sich gezogen, da diese Flüssigkeiten in Gegenwart eines Magnetfeldes manipuliert und somit "die Durchflussrate auch durch Änderung der Stärke und/oder Frequenz des Magnetfelds variiert werden kann", erklären etwa die Autoren des Buchkapitels "Numerical Analysis of Heat Transfer in Ferrofluid under Constant External Magnetic Field".

Ein anderes Beispiel für die erfolgreiche Nutzung von Ferrofluiden sind Neigungssensoren, die in zahlreichen Anwendungen in der Medizin, Computertechnik, Luft- und Raumfahrt oder dem Bauwesen zu finden sind. Im Allgemeinen sind Neigungssensoren so konstruiert, dass sie nur die Schwerkraft benötigen wie etwa in einem Pendel-Neigungssensor, um den Neigungswinkel zu bestimmen. Demgegenüber erlaubt jetzt eine innovative Bauweise auf Basis von Ferrofluiden eine weitere Miniaturisierung von Sensoren zur Neigungsmessung. "Diese Art von Sensoren ist nicht nur kompakter, sondern kann auch kostengünstig erstellt werden", heißt es in dem Fachaufsatz "Ferrofluid transformer-based tilt sensor".

Ferrofluide kommen in der Natur nicht vor 

Ferrofluide sind künstlich hergestellte Substanzen – 1965 erfunden von dem Nasa-Wissenschaftler Steve Papell, um damit die Treibstoffzufuhr in Raketenmotoren zu regulieren. Modernen Ferrofluide bestehen aus sehr kleinen Teilchen von Magnetit, die in einer normalen Flüssigkeit suspendiert sind, zum Beispiel in Wasser oder in Öl. Es handelt sich dabei also um Kolloide. Der darin enthaltene Magnetit ist das als schwarzer Rost bekannte Eisenoxid Fe3O4. Die Magnetitteilchen sind im Mittel 10 nm groß. "Dass sie so klein sein müssen ist notwendig, damit sie in der Trägerflüssigkeit schweben bleiben und nicht infolge der Schwerkraft zu Boden sinken. Ihre Dichte ist nämlich etwa dreimal so groß wie die der umgebenden Flüssigkeit. Wenn aber die Teilchen klein genug sind, dann verhindert die thermische Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle, dass sie sedimentieren", erläutert Klaus Stierstadt. 

Stachelmuster entlang magnetischer Feldlinien

Kommt nun ein Ferrofluid in ein Magnetfeld, bilden sich an der Oberfläche der magnetischen Flüssigkeit "Stacheln" aus, die sich längs der magnetischen Feldlinien anordnen. Und diese weisen oft senkrecht von seiner Oberfläche nach außen. "Durch die Anordnung entlang der Feldlinien wird die magnetische Energie des Kolloids minimalisiert", erklärt Stierstadt auf Seite 22: "Es würden sich am liebsten dünne Flüssigkeitsfäden entlang den Feldlinien bilden. Dem wirkt aber die Grenzflächenspannung des Fluids entgegen, welche seine Oberfläche möglichst klein halten möchte. Sie zieht die sich bildenden Fäden längs der Feldlinien wieder zusammen. Als Kompromiss zwischen magnetischer und Oberflächenenergie entstehen dann die beobachteten Stachelmuster."

Anwendungspallette erweitert sich stetig

Aktuelle Anwendungen magnetischer Flüssigkeiten sind unter anderem Lautsprecher mit erheblich verbesserter Klangqualität, Bremsen und Kupplungen. In Deutschland hat Klaus Stierstadt mit seiner Begeisterung für Ferrofluide zahlreiche Kollegen dazu anstiften können, sich diesen zähflüssigen Materialien zuzuwenden. So widmet sich Stefan an der TU Dresden diesem Forschungsgebiet; er hat dort die Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik inne. Zugleich ist Odenbach Vorsitzender im Ferrofluidverein Deutschland e.V. Alle drei Jahre findet inzwischen auch die Internationale Konferenz (ICMF) über magnetische Flüssigkeiten statt, die letzte 2019 in Paris. Dort werden regelmäßig die neuesten Anwendungsmöglichkeiten magnetischer Flüssigkeiten diskutiert, die in weltweit etwa 100 Instituten erdacht werden. 
 

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