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Blick in stark turbulente Strömungen

Mit Detektoren der Teilchenphysik wirbelnde Kügelchen verfolgt

Von Rainer Scharf

Turbulente Strömungen haben schon Leonardo da Vinci in ihren Bann gezogen und ihn zu bemerkenswert realistischen Zeichnungen angeregt. Auch heute noch geben die chaotischen und unvorhersagbaren Bewegungen schnell strömender Flüssigkeiten oder Gase der Wissenschaft zahlreiche Rätsel auf. Turbulenzen sind nicht.zuletzt deshalb interessant, weil sie bei der Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphäre oder bei der Bildung von Wolken wie auch in der chemischen Produktion oder in Verbrennungsmotoren eine wichtige Rolle spielen. Allerdings war es bislang recht schwierig, sehr schnell fließende turbulente Strömungen detailliert zu untersuchen. Mit "schnellen" Detektoren, die normalerweise in der experimentellen Teilchenphysik verwendet werden, konnten amerikanische Forscher jetzt erstmals die Bewegungen stark turbulenter Flüssigkeiten verfolgen und detailliert untersuchen.

Die Wissenschaftler um Eberhard Bodenschatz von der Cornell University in Ithaca/New York haben eine turbulente Strömung dadurch erzeugt, daß sie Wasser in einen zylindrischen Behälter einschlossen und mit zwei schnell entgegengesetzt rotierenden Scheiben in heftige, turbulente Bewegung versetzten. Der Flüssigkeit gaben sie dann kleine Polystyrolkugeln zu, die im Wasser schwammen und sofort der Wirbelbewegung folgten. Die nur einige zehntel Millimeter großen Kügelchen bewegten sich so schnell, daß man ihre Bahn nicht mit einer herkömmlichen Videokamera verfolgen konnte. Damit sie die Polystyrolkugeln dennoch beobachten konnten, verwendeten die Forscher ein neues Verfahren, mit dem sie in der Sekunde bis zu 70 000 Bilder von den umherwirbelnden Kugeln erzeugten.

Die Wissenschaftler beleuchteten dazu einen kleinen Bereich der Flüssigkeit. Das von den im Wasser schwimmenden Kugeln reflektierte Licht wurde auf sogenannte Silizium-Streifendetektoren gelenkt. Solche Nachweisgeräte, die aus einer großen Zahl von parallelen, lichtempfindlichen Streifen bestehen, werden üblicherweise bei Experimenten in der Elementarteilchenphysik verwendet. Mit ihnen lassen sich schnelle Prozesse - etwa bei Teilchenkollisionen - aufzeichnen.

Traf das von einer der Polystyrolkugeln reflektierte Licht auf einen der Streifen, löste es ein elektrisches Signal aus, das von einer sehr schnellen Elektronik ausgelesen und verarbeitet wurde. Anhand der Signale eines einzigen Streifendetektors ließ sich die Bewegung des Kügelchens in einer Raumdimension verfolgen. Mit drei senkrecht zueinander ausgerichteten Streifendetektoren haben die Forscher die gesamte dreidimensionale Bewegung einzelner Kügelchen rekonstruiert.

Dadurch wurde es erstmals möglich, die Beschleunigungskräfte zu bestimmen, die in einer stark turbulenten Flüssigkeit auftreten und denen auch die in ihr schwimmenden Partikeln unterworfen sind. Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 409, S. 1017) berichten, schwankten diese Kräfte sehr heftig. Im extremsten Fall erreichte die Beschleunigung das Tausendfünfhundertfache der Erdbeschleunigung. Nun ist klar, warum zum Beispiel Moskitos atmosphärische Turbulenzen meiden und sich bei Sturm auf Blättern niederlassen. Die Insekten müssen schon bei Windgeschwindigkeiten von 18 Stundenkilometern in einer Flughöhe von einem Meter damit rechnen, im Durchschnitt alle 15 Sekunden der fünfzehnfachen Erdbeschleunigung ausgesetzt zu sein.

Das von Bodenschatz und seinen Kollegen entwickelte Verfahren öffnet der Turbulenzforschung völlig neue Möglichkeiten. Jetzt können auch für stark turbulente Flüssigkeiten experimentelle Strömungsdaten gewonnen werden, deren Qualität ausreicht, um sie direkt mit den Vorhersagen der Theoretiker und mit Computersimulationen zu vergleichen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.3.2001, Nr. 62 / Seite N2

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