Ordnung ins Chaos bringen 19.02.2025, 17:00 Uhr

Forscher lösen Rätsel der elektrostatischen Aufladung

Bislang konnte die Wissenschaft die elektrostatische Aufladung nur schwer erklären. Forschende aus Österreich bringen Ordnung ins Chaos.

Elektrostatische Aufladung Luftballon

Ein elektrostatisch aufgeladener Luftballon lässt die Haare zu Berge stehen. Doch was passiert genau? Forschende haben sich des Rätsels angenommen.

Foto: PantherMedia / iuricazac

Ob ein unerwarteter elektrischer Schlag beim Berühren einer Metalltürklinke, ob sich die Haare nach dem Kontakt mit einem Luftballon aufstellen oder ob Styropor am Pullover klebt – statische Aufladung begegnet uns täglich. Obwohl das Phänomen bereits in der Antike beschrieben wurde, ist es bis heute nicht vollständig verstanden. Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben nun herausgefunden, dass die Kontakthistorie von Materialien einen entscheidenden Einfluss darauf hat, wie sie Ladung austauschen.

Scott Waitukaitis, Assistenzprofessor am ISTA, betont: „Es gibt kein Entkommen vor der Kontaktelektrisierung; jeder erlebt sie. Deshalb mag es uns überraschen, dass wir nicht genau verstehen, wie es passiert.“ Bisher konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nur schwer erklären, warum sich verschiedene Materialien unterschiedlich aufladen.

Chaotische Experimente ohne klare Muster

Besonders bei elektrischen Isolatoren wie Kunststoffen war die Ladungsübertragung schwer vorherzusagen. In den 1950er Jahren wurde bereits erklärt, wie Metalle Ladung austauschen, doch bei Isolatoren blieben viele Fragen offen. Eine sogenannte „triboelektrische Reihe“ sollte helfen: Sie ordnet Materialien nach ihrer Ladungsneigung an. Doch das Problem war, dass verschiedene Experimente oft widersprüchliche Ergebnisse lieferten.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Stadtverwaltung Gera-Firmenlogo
Projektingenieure (m/w/d) Stadtverwaltung Gera
WOLFF & MÜLLER-Firmenlogo
Oberbauleiter Hochbau (w/m/d) WOLFF & MÜLLER
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Konstruktion und Entwicklung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Autoland AG-Firmenlogo
Oberbauleiter Tiefbau / Dipl. Ing. Tiefbau (m/w/d) Autoland AG
Sandersdorf-Brehna Zum Job 
Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Inhouse Application Consultant (m/w/d) Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Dortmund Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleitung (m/w/d) Bau und Erhaltung Strecke Die Autobahn GmbH des Bundes
Technische Hochschule Augsburg-Firmenlogo
Professur (W2) für Nachhaltigkeit und Digitalisierung in Produktionsprozessen Technische Hochschule Augsburg
Augsburg Zum Job 
EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG-Firmenlogo
OT Specialist / Operational Technology Engineer (w/m/d) EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG
TenneT-Firmenlogo
Servicetechniker Instandhaltung Umspannwerke (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
Senior R&D Electronic Engineer (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
R&D Software Engineer SQL & ERP Applications (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung Konstruktiver Ingenieurbau (m/w/d) Hennigsdorf Die Autobahn GmbH des Bundes
Hennigsdorf Zum Job 
Dawonia-Firmenlogo
Techniker Propertymanagement (m/w/d) in der Immobilienwirtschaft Dawonia
München Zum Job 
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Sachgebietsleiter Bau (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Bauingenieur (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
medac pharma production GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) medac pharma production GmbH
Dessau-Roßlau Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Qualifizierung Kfz- Prüfingenieur/-in (m/w/d) bzw. Kfz- Sachverständige/-r (m/w/d) TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Heppenheim, Bischofsheim Zum Job 
noris network AG-Firmenlogo
Techniker Zutrittskontrolle & Videoüberwachung / Datacenter Engineer (m/w/d) noris network AG
Nürnberg Zum Job 
fripa  Papierfabrik Albert Friedrich KG-Firmenlogo
Projektingenieur Papierverarbeitung (m/w/d) fripa Papierfabrik Albert Friedrich KG
Miltenberg Zum Job 
ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie-Firmenlogo
(Senior) Manager / Referent Elektroniksysteme (w/m/d) ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie
Frankfurt am Main Zum Job 

Waitukaitis beschreibt es als ein „totales Chaos“, da Versuche mit denselben Materialien oft unterschiedliche Resultate zeigten. Selbst identische Stoffe wie zwei gleiche Luftballons verhielten sich nicht einheitlich. Die entscheidende Frage blieb unbeantwortet: Was bestimmt, in welche Richtung die Ladung fließt?

Ein neuer Ansatz bringt Klarheit

Das Team von Waitukaitis und Juan Carlos Sobarzo suchte gezielt nach einer Antwort und stellte eine spannende Hypothese auf: „Die Kontakthistorie der Materialien beeinflusst ihre Ladungsübertragung“. Bisher wurde dieser Faktor kaum berücksichtigt.

Um ihre Theorie zu testen, verwendeten sie Polydimethylsiloxan (PDMS), ein silikonbasiertes Polymer. Sie wiederholten Experimente mit denselben Proben und stellten fest: Nach etwa 200 Berührungen entwickelten die Proben ein vorhersehbares Ladeverhalten. Materialien mit mehr Kontakten luden sich systematisch negativer auf als solche mit weniger Kontakten.

Sobarzo beschreibt den Moment der Erkenntnis so: „Ich nahm einen Satz Proben, die ich mehrfach genutzt hatte, und plötzlich ordneten sie sich in einer klaren Reihenfolge an.“ Beim erneuten Testen mit frischen Proben ergaben sich anfangs jedoch wieder zufällige Ergebnisse. Erst durch mehrfachen Kontakt stellte sich Ordnung ein.

Glattere Oberflächen beeinflussen die Ladung

Aber warum beeinflusst die Kontakthistorie die Ladung? Das Team suchte nach einer physikalischen Veränderung der Oberfläche und wurde fündig: Durch wiederholten Kontakt glätteten sich mikroskopische Unebenheiten der Materialien. Diese Veränderung auf nanometrischer Ebene könnte der entscheidende Faktor für die Ladungsübertragung sein.

Wie genau diese Glättung die elektrische Ladung beeinflusst, ist noch nicht restlos geklärt. Doch die Erkenntnisse sind wegweisend für das Verständnis elektrostatischer Phänomene. „Wir haben es geschafft, einen großen Hinweis auf einen schwer fassbaren Mechanismus zu liefern“, sagt Sobarzo.

Neues Verständnis der statischen Elektrizität

Diese Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, elektrostatische Effekte gezielt zu steuern. In der Industrie, etwa in der Halbleiterfertigung oder bei der Vermeidung von unerwünschter Staubanziehung, sind diese Erkenntnisse besonders wertvoll.

Waitukaitis zeigt sich begeistert: „Wir haben bewiesen, dass die Wissenschaft der statischen Elektrizität nicht mehr so hoffnungslos ist.“ Durch diese neuen Einsichten entsteht eine Ordnung, wo vorher nur Chaos war.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.