Fasern machen chaotische Turbulenzen berechenbarer

Turbulenzen geh?ren zu den wichtigsten und gleichzeitig zu den am wenigsten verstandenen Ph?nomenen der Natur. Vom Wetter ¨¹ber die Str?mungsverh?ltnisse in Gew?ssern und in industriellen Chemie- oder Biologiereaktoren bis hin zum Blutkreislauf: ?berall, wo sich Fl¨¹ssigkeiten und Gase bewegen, bestimmen Hierarchien von Wirbeln, wie sich die Energie ausbreitet und lokal auswirkt. Die Grenzen der heutigen Vorhersagemodelle werden zu einem grossen Teil durch das begrenzte Verst?ndnis der Turbulenzen und ihrer Zusammenh?nge gesetzt.

Forschende der ETH Z¨¹rich haben jetzt mit Partnern anderer Forschungsinstitutionen ein neuartiges experimentelles Verfahren entwickelt, um die Energien von Wirbeln in Fl¨¹ssigkeiten ¨¹ber die ganze Skalenbreite von wenigen Millimetern bis zu hunderten von Metern viel genauer und vor allem auch einfacher zu erfassen. Die Methode macht den Weg frei f¨¹r wesentlich bessere Vorhersagen und hat das Potenzial mitzuhelfen, unser Verst?ndnis der chaotischen Bewegungen auf eine n?chste Stufe zu heben.

Kleine ?nderung, grosse Wirkung

Markus Holzner und Stefano Brizzolara von der Gruppe f¨¹r Umweltstr?mungsmechanik - einer gemeinsamen, interdisziplin?ren Forschungseinheit der Eidgen?ssischen Forschungsanstalt f¨¹r Wald, Schnee und Landschaft WSL und des Wasserforschungsinstituts Eawag des ETH-Bereichs - haben daf¨¹r das Problem der Turbulenzen-Messung mit einem vollst?ndig neuen Ansatz angegangen. W?hrend die bisherigen Verfahren die Bewegungen von kugelf?rmigen Markierungsteilchen verfolgen, erfassen sie die Bewegungen der Enden von starren Fasern, die in der Fl¨¹ssigkeit schweben. Was als kleine ?nderung des experimentellen Setups erscheint, hat enorme Auswirkungen auf den Messaufwand und auf die Genauigkeit.

Faser-Enden liefern statistisch notwendige Daten

Der grosse Unterschied: Die Rotationen der Enden einer einzelnen Faser liefern die gesamten statistischen Daten, die f¨¹r die Charakterisierung einer Wirbelbewegung und von deren Energie notwendig sind. Bisher mussten die Forschenden daf¨¹r jeweils viele und vor allem auch laufend noch mehr Markierungsteilchen einsetzen. Schwebende Kugeln verteilen sich n?mlich automatisch in einer Fl¨¹ssigkeit und ihr mittlerer Abstand vergr?ssert sich infolge der turbulenten Diffusion schnell.

In Laborsettings, in denen die Forschenden die Teilchenbewegung in transparenten und mit Wasser gef¨¹llten Messk?sten dreidimensional erfassen, bringt eine immer gr?sser werdende Zahl der Messteilchen aber die Kameraerfassung an ihre prinzipiellen Grenzen. Bei ¨¹ber 10'000 Teilchen verdecken sich diese zu oft gegenseitig. Die Aufl?sung der Messungen l?sst sich darum nicht mehr steigern.

Bei der Analyse von Str?mungen und Wirbeln in der offenen See bedeutet eine grosse Anzahl und das dauernde Ersetzen von Tracer-Bojen, wie dies auf Grund des laufenden Wegdriftens der Bojen mit der herk?mmlichen Methode n?tig ist, nicht nur hohe Materialkosten. Auch der Zeitaufwand w?chst entsprechend, wie Holzner erkl?rt. Werden die Bojen aber ¨¹ber Kabel quasi zu riesigen Fasern verbunden, k?nnen sie nicht mehr voneinander weg driften.

Starre Faser rotiert gleich wie die Fl¨¹ssigkeit

Um die Praxisrelevanz des Prinzips zu belegen, haben die ETH-Forschenden ihr System intensiv experimentell ausgetestet. Daf¨¹r verwendeten sie ein 3D-Partikel-Geschwindigkeitsmesssystem, wie es auch f¨¹r die Analysen mit kugelf?rmigen Teilchen verwendet wird. So konnten sie unter anderem zeigen, dass starre Fasern genauso gute Resultate liefern wie flexible.

Der Berechnungsaufwand ist bei einer festen Geometrie allerdings wesentlich kleiner. Der Grund daf¨¹r liegt in der Tatsache, dass die feste Faser immer in der Geschwindigkeit des Wirbels rotiert, denn die Viskosit?t verhindert, dass die Fl¨¹ssigkeit ¨¹ber eine feste Faser hinweggleiten kann. Demgegen¨¹ber rotieren flexible Fasern nicht nur mit der Strudelbewegung der Fl¨¹ssigkeit, sondern sie verbiegen sich auch noch und schwingen mit einer ?hnlich grossen Frequenz.

Von Gezeiten bis zu Herzklappen

Ein grosser Vorteil der Faser-Messmethode liegt, laut Holzner, in ihrer ausserordentlichen ?bertragbarkeit auf alle f¨¹r Wirbelph?nomene relevanten Gr?ssenverh?ltnisse von wenigen Millimetern bis zu mehreren hundert Metern. Um beispielsweise Strudel im Meer zu analysieren, kann die Faser aus zwei GPS-best¨¹ckten Bojen gestaltet werden, welche die Enden markieren und die ¨¹ber ein rund hundert Meter langes Kabel verbunden sind. Aus den Messungen der Bojenbewegungen lassen sich dann beispielsweise Vorhersagen ¨¹ber die Ausbreitung von Verschmutzungen mit ?l oder Plastikabf?llen berechnen.

Am anderen Ende der Skala steht das Verst?ndnis von Wirbelbildungen bei Herzklappen, die eine Ursache f¨¹r gesundheitliche Probleme sein k?nnen. Hier kann beispielsweise in Silikonmodellen mit Fasern im Millimeterbereich experimentiert werden.

Die T¨¹ren zu neuen Erkenntnissen

Bei ersten Pr?sentationen der Forschungsarbeiten auf wissenschaftlichen Kongressen hat Brizzolara festgestellt, dass die Faser-Methode auch andere Forschende inspiriert. Jemand will das System an ein physikalisches Grossmodell f¨¹r Gezeitensimulationen anpassen und andere planen Versuche mit spezifischen Anordnungen von mehreren Fasern.

?Neue experimentelle Methoden ?ffnen in der Wissenschaft immer auch T¨¹ren zu neuen Erkenntnissen?, wie der Forscher aus Erfahrung weiss. Die ETH-Messmethode f¨¹r Turbulenzen hat das Potenzial, die prinzipiell chaotischen Str?mungs-Systeme ein gutes St¨¹ck berechenbarer zu machen und dadurch unter anderem auch bessere Vorhersagemodelle zu erm?glichen.