Bij het spuiten van verf of coatings op een oppervlak, of meststoffen of pesticiden op gewassen, de grootte van de druppels maakt een groot verschil. Grotere druppels zullen minder drijven in de wind, waardoor ze hun beoogde doelen nauwkeuriger kunnen raken, maar kleinere druppeltjes blijven eerder plakken als ze landen in plaats van eraf te stuiteren.

Nutsvoorzieningen, een team van MIT-onderzoekers heeft een manier gevonden om die eigenschappen in evenwicht te brengen en het beste van beide te krijgen:sprays die niet te ver drijven, maar kleine druppeltjes leveren die aan het oppervlak blijven kleven. Het team heeft dit op een verrassend eenvoudige manier bereikt, door een fijn gaas tussen de spray en het beoogde doel te plaatsen om druppeltjes op te splitsen in druppeltjes die slechts een duizendste zo groot zijn.

De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling Vloeistoffen , in een paper van MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, voormalig postdoc Dan Soto, afgestudeerde student Henri-Louis Girard, en drie anderen bij MIT en bij CNRS in Parijs.

Eerder werk van Varanasi en zijn team was gericht op manieren om ervoor te zorgen dat de druppeltjes effectiever aan de oppervlakken blijven kleven in plaats van weg te stuiteren. De nieuwe studie richt zich op het andere uiteinde van het probleem:hoe de druppeltjes in de eerste plaats de oppervlakte kunnen bereiken. Varanasi legt uit dat doorgaans minder dan 5 procent van de gespoten vloeistoffen zich daadwerkelijk aan hun beoogde doelen houden; van de 95 procent of meer die wordt verspild, ongeveer de helft gaat verloren om te drijven en komt er zelfs nooit, en de andere helft stuitert weg.

Verstuivers - apparaten die vloeistoffen kunnen sproeien in de vorm van druppeltjes die zo klein zijn dat ze in de lucht blijven hangen in plaats van te bezinken - zijn cruciale onderdelen van veel industriële processen, inclusief schilderen en coaten, brandstof in motoren of water in koeltorens spuiten, en printen met fijne inktdruppels. De nieuwe vooruitgang die door dit team werd ontwikkeld, was om de eerste spray in de vorm van grotere druppels te maken, die veel minder last hebben van wind en meer kans hebben om hun doelen te bereiken, en dan om de veel fijnere druppeltjes te maken net voordat ze het oppervlak bereiken, door er een gaasscherm tussen te plaatsen.

Hoewel het proces op veel verschillende spuittoepassingen kan worden toegepast, "de grote drijfveer is de landbouw, ", zegt Varanasi. De afvoer van pesticiden die hun doel missen en op de grond vallen, kan een belangrijke oorzaak zijn van vervuiling en een verspilling van dure chemicaliën. Bovendien, de impact van fijnere druppeltjes zal bepaalde planten minder snel beschadigen of verzwakken.

Boeren bedekken sommige soorten gewassen al met gaas, om te beschermen tegen vogels en insecten die de planten verslinden, dus het proces is al bekend en wordt veel gebruikt. Vele soorten netwerkmaterialen zouden werken, zeggen de onderzoekers - wat belangrijk is, is de grootte van de openingen in het gaas en de dikte van het materiaal, parameters heeft het team nauwkeurig gekwantificeerd door middel van een reeks laboratoriumexperimenten en wiskundige analyse. Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten voornamelijk een algemeen verkrijgbaar en goedkoop fijn roestvrijstalen gaas.

De onderzoekers stellen voor dat, na het uitzetten van het gaas over het gewas, ofwel direct ondersteund door de plantenstengels of ondersteund op een frame, een boer kan gewoon een conventionele spuit gebruiken die grotere druppels produceert, die zelfs in winderige omstandigheden op koers zou blijven. Vervolgens, als de druppels de planten bereiken, ze zouden door het gaas in fijne druppeltjes worden gebroken, elk ongeveer een tiende van een millimeter breed, wat hun kansen om te blijven plakken enorm zou vergroten.

Als extraatje, de aanwezigheid van het gaas over de gewassen zou ze ook kunnen beschermen tegen schade door regenbuien, door de regendruppels ook op te splitsen in kleinere druppeltjes die de plant minder belasten als ze toeslaan. Gewasschade door stormen, die in sommige gevallen de opbrengst ernstig kan verminderen, kan tijdens het proces worden verminderd, zeggen de onderzoekers. In aanvulling, grotere druppels veroorzaken meer spatten, wat kan leiden tot een verspreiding van ziekteverwekkers.

Behalve dat het efficiënter is, het proces kan ook het probleem van drift van pesticiden verminderen, die soms van de ene akker naar de andere waaien, en zelfs van de ene staat naar de andere, Varanasi zegt, en belanden soms ook bij mensen thuis. "Mensen willen dit oplossen. Ze zoeken naar oplossingen."

Hetzelfde principe zou kunnen worden toegepast op andere toepassingen, Giard wijst erop, zoals het sproeien van water in koeltorens zoals die worden gebruikt voor elektriciteitscentrales en veel industriële of chemische fabrieken. Het gebruik van een gaas onder de sproeikoppen in dergelijke torens "kan fijnere druppels creëren, die sneller verdampen en voor een betere koeling zorgen, "zegt hij. De efficiëntie van de koeling is gerelateerd aan het oppervlak van de druppel, die drie ordes van grootte groter is met de fijnere druppeltjes, hij zegt.

In het recente werk, Varanasi en zijn team hebben een manier gevonden om veel van het water terug te winnen dat verloren gaat door verdamping van dergelijke koeltorens, door een ander soort gaas over de bovenkant van de torens te gebruiken. De nieuwe bevinding zou kunnen worden gecombineerd met die methode, waardoor de efficiëntie van de energiecentrale aan zowel de invoer- als de uitvoerzijde wordt verbeterd.

Voor het schilderen en voor het aanbrengen van andere soorten coatings, hoe fijner de druppeltjes zijn, hoe beter ze bedekken en hechten, Girard zegt, dus het proces zou de kwaliteit en duurzaamheid van de coatings kunnen verbeteren.

Terwijl de meeste bestaande verstuivingsmethoden afhankelijk zijn van hoge druk om vloeistof door een nauwe opening te persen, die energie nodig heeft om de druk te creëren, deze methode is puur passief en mechanisch, zegt Girard. "Hier, we laten het gaas de verneveling in wezen gratis doen."