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Göttingen Mikroskopische Glassplitter helfen Wissenschaftlern bei turbulenten Strömungen
Campus Göttingen Mikroskopische Glassplitter helfen Wissenschaftlern bei turbulenten Strömungen
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18:23 22.07.2013
Bei der Arbeit: Huixuan Wu kalibriert seinen Versuchsaufbau, um turbulente Strömungen zu untersuchen.
Bei der Arbeit: Huixuan Wu kalibriert seinen Versuchsaufbau, um turbulente Strömungen zu untersuchen. Quelle: EF
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Göttingen

Mit Hochgeschwindigkeitskameras will Dr. Huixuan Wu genau verfolgen, wie eine turbulente Strömung die Kügelchen mitreißt. Durch die Spiegel soll erstmals ihre Drehung um die eigene Achse sichtbar gemacht werden, teilt das MPIDS mit.

Die Beispiele turbulenter Strömungen können gigantische Ausmaße annehmen: In riesigen Wolken wirbeln Wassertröpfchen wild durcheinander, bei Vulkanausbrüchen entstehen viele hundert Meter hohe Rauch- und Aschewolken und tief im Innern von Sternen versetzen gewaltige Ströme das glühende Plasma in Bewegung. Dennoch liegt der Schlüssel zum Verständnis der Turbulenz im Kleinen verborgen.

Reibung zwischen Flüssigkeits- oder Gasschichten

„Indem wir den Weg einzelner mikroskopischer Teilchen in einer turbulenten Strömung aufzeichnen und auswerten, hoffen wir, die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten aufzudecken“, erklärt  Wu erwartungsvoll. Noch immer sind die physikalischen Gesetze, welche die Turbulenz beschreiben, nicht im Detail verstanden. So ist etwa unklar, wie sie die Bewegungsenergie einer gerichteten Strömung in ungerichtete Wärmeenergie umwandelt. „Sicher ist nur, dass hier die allerkleinsten Wirbel in der Strömung eine Rolle spielen“, so Wu. „Wir nehmen an, dass für sie die Reibung zwischen den Flüssigkeits- oder Gasschichten so einflussreich wird, dass die wirbelnden Teilchen abgebremst werden und so Wärme entsteht.“

In seinem Projekt will der Wissenschaftler nun ein entscheidendes Puzzleteil zur Turbulenzforschung hinzufügen: die Drehung der Teilchen um ihre eigene Achse. „Weltweit ist es bisher noch keiner Forschungsgruppe gelungen, die Eigenrotationen einzelner Teilchen in der Strömung zu beobachten“, erklärt Prof. Eberhard Bodenschatz, Geschäftsführender Direktor des MPIDS.

40 000 Aufnahmen pro Sekunde

Um den Weg einzelner Teilchen in der Strömung zu verfolgen, nutzen Bodenschatz und sein Team in verschiedensten Experimenten eine Art „Überwachungssystem“ für Teilchen: Die Forscher fügen der Strömung so genannte Tracer-Partikel von nur wenigen Mikrometern Größe zu. Hochgeschwindigkeitskameras, die 40 000 Aufnahmen pro Sekunde liefern, zeichnen die Bewegung auf. Aus diesen lassen sich nicht nur einzelne Teilchenbahnen rekonstruieren. „Greift man bei der Auswertung wenige Teilchen heraus, kann man untersuchen, wie sich ihre relative Position zueinander mit der Zeit verändert“, erklärt Bodenschatz. Verdrehen und verdrillen sich die Teilchen relativ zueinander, deutet dies auf Wirbel in der Strömung hin. „Da die Teilchen selbst jedoch kugelförmig sind, lässt sich die Drehung um die eigene Achse so nicht erkennen“, ergänzt er.

Die Situation ist vergleichbar mit der eines Zuschauers bei einem Tennisspiel. Zwar kann der geübte Betrachter vom Rang aus an der Flugbahn des Balles erkennen, ob der Spieler die Filzkugel mit Topspin oder Slice in Rotation versetzt hat. Das eigentliche Rotieren des Balles kann er jedoch nicht ausmachen.

Rotorblatt in einem Glas­zylinder

Die Lösung bietet nun eine Idee, die in der Theorie elegant, in der experimentellen Umsetzung jedoch recht kniffelig ist: Die Tracer-Partikel aus einem durchsichtigen Material werden im Innern mit winzigen Spiegeln versehen. Tausende so präparierte Teilchen fügt Wu dann einer turbulenten Wasserströmung zu, die ein motorgetriebenes Rotorblatt in einem Glas­zylinder erzeugt. Ein Laser bestrahlt den Versuchsaufbau und eine Hochgeschwindigkeitskamera zeichnet das reflektierte Licht auf. Wenn die reflektierten Signale, die sich sehr schnell bewegen, in einen bestimmten Winkelbereich fallen, können die Kameras ihre Bahn in einer Abfolge von Filmen einfangen. Aus der Krümmung und der Geschwindigkeit der Lichtsignale in diesen Filmen lässt sich dann auch auf die Rotation innerhalb der turbulenten Strömung schließen.

„Die Idee stammt von Kollegen von der Cornell University im US-Bundesstaat New York – und ist bereits etwa 30 Jahre alt“, betont Wu. Doch bis heute ist es niemandem gelungen, das Prinzip umzusetzen. „Eine Schwierigkeit besteht darin, das gemeinsame Signal der vielen Spiegel zu interpretieren“, so Wu. Zudem möchte der Forscher gleichzeitig die Geschwindigkeit der Teilchen messen.

Mikrometer große Glassplitter

Die Spiegel herzustellen, ist dabei die erste große Hürde. Versuche mit Kollegen aus der Abteilung „Physikalische Chemie der Polymere“ von Prof. Katharina Landfester am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, wenige Mikrometer große Glassplitter in durchsichtige Kügelchen aus Polyacrylamid einzubringen, haben sich aber bereits als vielversprechend erwiesen.

Wu studierte an der Beihang Universität in Beijing und erhielt 2008 seinen Master-Abschluss an der Johns Hopkins Universität in den USA. In seiner Doktorarbeit wandte er sich der Fluidmechanik und optischen Messmethoden zu. Seit 2011 forscht Wu am MPIDS in Göttingen. Für sein Projekt erhält der Wissenschaftler in den nächsten zwei Jahren ein Stipendium der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.

eb