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F.A.Z. v. 5.1.2000

Fließen mit weniger Reibung

Polymer verringert Strömungswiderstand / Transport von Erdöl / Von Rainer Scharf

Wenn eine Flüssigkeit durch eine Röhre strömt, muss sie einen Widerstand überwinden. Diesen kann man beträchtlich verringern, wenn man der Flüssigkeit eine winzige Menge eines geeigneten Polymers, zum Beispiel Polyethylenoxyd, zufügt. Obwohl das schon seit mehr als 50 Jahren bekannt ist und zum Beispiel für den Transport von Erdöl in Pipelines genutzt wird, kann man es bislang noch nicht zufrieden stellend erklären. Dies liegt vor allem daran, dass auch die Rauhigkeit der Röhrenoberfläche den Strömungswiderstand beeinflusst. Jetzt sind französische Wissenschaftler der Lösung dieses interessanten hydrodynamischen Problems ein Stück näher gekommen, indem sie die Reibung zwischen zwei polymerhaltigen Flüssigkeitsschichten untersucht haben, die unterschiedlich schnell strömen.

Für ihre Experimente haben Osanne Paireau und Daniel Bonn von der Acole Normale Superieure in Paris zwei Schichten Salzwasser mit verschiedener Konzentration in einen Behälter gegeben ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 5591). Die Schichten waren jeweils drei Millimeter dick und lagen aufeinander, ohne sich zu vermischen. Dabei hatte die untere, schwerere Schicht den größeren Salzgehalt.

Unter dem Behälter befanden sich einige unregelmäßig angeordnete Magnete, deren Magnetfeld nur in die untere Flüssigkeitsschicht hineinreichte. Als die Wissenschaftler eine elektrische Spannung an die untere Salzwasserschicht anlegten, floss ein elektrischer Strom durch das Salzwasser, der von den Magneten auf komplizierte Bahnen gelenkt wurde. Daraufhin entstand in der unteren Salzwasserschicht eine turbulente Strömung. Die Reibung zwischen den beiden Salzwasserschichten führte dazu, dass auch die obere Schicht turbulent zu strömen begann. Die Strömung wurde mit winzigen, in der oberen Schicht schwimmenden Latexpartikeln sichtbar gemacht. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler ermitteln, wie viel Bewegungsenergie und wie viele Wirbel die Strömung in der oberen Schicht enthielt, nachdem durch die untere Schicht für kurze Zeit ein elektrischer Strom geflossen war.

Die obere Schicht wurde wesentlich schwächer von der unteren Schicht mitgerissen, wenn man 50 millionstel Gewichtsanteile des Polymers Polyethylenoxyd zu einer der beiden Schichten hinzugab. Die Bewegungsenergie der oberen Schicht war in diesem Fall nur halb so groß wie vorher. Das Polymer hatte also die Reibung zwischen den Flüssigkeitsschichten deutlich verringert. Dabei spielte es keine Rolle, welche der beiden Schichten das Polymer enthielt. Auf die Zähflüssigkeit des Salzwassers hatte die geringe Menge des in ihm gelösten Polymers übrigens keine Auswirkung. Auch die Stärke der Turbulenz und der Grad der Verwirbelung in der oberen Flüssigkeitsschicht änderten sich nicht, wenn das Polymer zugegeben wurde.

Die Wissenschaftler erklären ihre Beobachtungen damit, dass sich eine dünne, polymerhaltige Grenzschicht zwischen den beiden Salzwasserschichten ausbildet, die für die Reibung verantwortlich ist. In der Grenzschicht wirken besonders starke Kräfte auf das Salzwasser. Sie führen dazu, dass die langen und biegsamen Polymermoleküle die Zähflüssigkeit des Salzwassers in der Grenzschicht stark erhöhen. Dadurch wird die Bewegungsenergie nicht mehr so gut von der unteren zur oberen Salzwasserschicht übertragen, und die Reibung zwischen den beiden Schichten nimmt ab. Da in der turbulenten Flüssigkeit wesentlich schwächere Kräfte wirken als in der Grenzschicht, ist der Einfluss der Polymermoleküle auf die Turbulenz zu vernachlässigen. Auf welche Weise die Polymermoleküle in der zähflüssigen Grenzschicht die Reibung zwischen den Flüssigkeitsschichten vermindern, soll in weiteren Experimenten untersucht werden.
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