Interphase contact angle in hypergravity and microgravity environments : payload system design and scientific results

Liquid droplet spreading is a very common phenomenon in various natural and industrial processes, e.g. thermal management and combustion systems. Liquid cooling systems are becoming more commonplace and as such understanding the wetting under different gravity conditions is very important for implementation of such cooling strategies for gravity dependant environments. Although there are numerous investigations on sessile droplets in the scientific literature, only a few of these have been performed at different gravity levels. Here a complete study on the behavior of static and dynamic sessile drops under microgravity and hypergravity environments is presented. The project is based on collaboration between Politecnico di Milano (Italy) and Université Libre de Bruxelles (Belgium) in conducting microgravity and on-ground research. It is developed in the frame of ESA Spin Your Thesis Programme at the Large Diameter Centrifuge Laboratory in ESTEC (Noordwijk, The Netherlands) and in the frame of ESA 55th Parabolic Flight Campaign (Bordeaux, France). The goal of the experiment is to study the effect of the gravity on the shape of a static sessile drop and on the dynamic advancing contact angle in growing sessile drops. Several surfaces with micro- and nano- coatings were used, providing different contact angles (CA) and different contact angle hysteresis (CAH). Distilled deionized water was used as working liquid. The main variable parameters were: drop volume (1µl - 1ml); liquid flow rate (0.064 - 64 ml/min); CA (30° - 130º); gravity (μg - 19g). The drop shape was visualized from the side with the help of the Shadow Technique with a resolution of 10 µm/pixel. Numerical algorithms for a solution of the Young-Laplace equation, which describes the shape of sessile droplets, was developed and tested for different initial conditions. A set of direct and inverse problems were solved on determination of the capillary length and CA from the measured values of droplet dimensions: height, diameter, wetted spot diameter and volume. For the first time the spreading of a sessile droplet under the effect of gravity was experimentally observed on surfaces with low CAH and high CAH.

La formazione di gocce sessili è un fenomeno molto comune in vari processi naturali e industriali, ad esempio di gestione termica e in sistemi di combustione. La comprensione della fisica che lega tale fenomeno alle differenti condizioni di gravità è molto importante per la realizzazione di strategie di raffreddamento per ambienti dipendenti dalla gravità. Anche se ci sono numerose ricerche sulle gocce sessili nella letteratura scientifica, solo alcune di queste sono state condotte a diversi livelli di gravità. Di seguito viene presentato uno studio completo sul comportamento delle gocce sessili statiche e dinamiche in condizioni di microgravità e ipergravità. Il progetto nasce dalla collaborazione tra il Politecnico di Milano e l’Université Libre de Bruxelles (Belgio) nella conduzione di esperimenti scientifici di ricerca on-ground e in microgravità. Si sviluppa nel contesto del Programma dell’Agenzia Spaziale Europea ESA “Spin Your Thesis 2011” presso il Laboratorio della Large Diameter Centrifuge in ESTEC (Noordwijk, Paesi Bassi) e nell’ambito della cinquantacinquesima Campagna ESA di Voli Parabolici (Bordeaux, Francia). L'obiettivo della tesi è, in particolare, studiare l'effetto della gravità sulla forma di una goccia sessile statica e dell'angolo di contatto dinamico di avanzamento. Sono state utilizzate diverse superfici con micro- e nano- rivestimenti, fornendo angoli di contatto (CA) differenti e diverse isteresi di angolo di contatto (CAH). Come liquido di lavoro è stata usata acqua distillata deionizzata. I principali parametri valutati sono: volume della goccia (1μl - 1 ml); portata del liquido (0,064 - 64 ml/min), CA (30° - 130°), gravità (μg - 19g). La dinamica delle gocce è stata visualizzata con l'aiuto della Shadow Technique con una risoluzione di 10 μm/pixel. E’ stato sviluppato e validato un algoritmo numerico per la soluzione dell’equazione di Young - Laplace, che descrive la forma di gocce sessili, per diverse condizioni iniziali. Un insieme di problemi diretti e inversi sono stati risolti sulla determinazione della lunghezza capillare e dell’angolo di contatto a partire dai valori misurati di dimensioni delle gocce: altezza, diametro e volume. Per la prima volta la diffusione di una goccia sessile sotto l'effetto della gravità è stata sperimentalmente osservata su superfici con ridotta ed elevata isteresi.