Aktuelles

Geschüttelter Sand

Rätselhafte Tendenzen: Cluster entstehen und vergehen

Von Rainer Scharf

Sand und andere Granulate zeigen ein überraschend vielfältiges Verhalten. Ruhender Sand beispielsweise ähnelt einem Feststoff. Gerät er in Bewegung, fließt er indes wie eine Flüssigkeit. Ein kräftig geschütteltes Granulat wiederum verhält sich wie ein Gas. Anders als Gasmoleküle verlieren Sandkörner jedoch einen Teil ihrer Bewegungsenergie, wenn sie zusammenprallen. Diese inelastischen Kollisionen führen dazu, daß sich Granulatteilchen zusammenballen können. Die Zusammenballungen oder Cluster lösen sich unter bestimmten Bedingungen ganz plötzlich von selbst wieder auf, wie Forscher in den Niederlanden jetzt beobachtet haben.

Für ihre Experimente haben Detlef Lohse und seine Kollegen von der Universität Twente einige hundert Stahlkügelchen in einen Plastikbehälter gefüllt. Jede Kugel war nur drei Millimeter groß. Kleine Barrieren teilten das Gefäß in gleich große, nebeneinanderliegende Fächer. Ein Motor schüttelte den Behälter schnell auf und ab, wobei die Frequenz und damit die Heftigkeit des Schüttelvorgangs verändert werden konnte ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 174302). Mit einer Videokamera dokumentierten die Forscher, was in dem Behälter vor sich ging.

Durch das Schütteln gerieten die Kügelchen in heftige Bewegung und flogen über die Barrieren hinweg von einem Abteil ins andere. War die Frequenz groß genug, verteilten sich die Kugeln gleichmäßig auf alle Fächer. Als die Forscher den Behälter dann etwas weniger stark schüttelten, begannen die Kugeln, sich in einigen Fächern zu sammeln. Je mehr in ein Abteil gerieten, desto häufiger kollidierten sie miteinander. Dabei verringerte sich ihre Bewegungsenergie. Den Kugeln fiel es dadurch immer schwerer, die Barrieren zu überwinden. Nach einer gewissen Zeit sammelten sich fast alle Kugeln in einem einzigen Fach. Das Granulat hatte einen Cluster gebildet.

Als die Forscher den Behälter anschließend wieder heftiger schüttelten, blieben die meisten Kugeln zunächst noch in dem einen Abteil gefangen. Nur wenige Kugeln erhielten. durch den Schüttelvorgang eine so große Bewegungsenergie, daß sie die Barrieren überwinden konnten. Die Zahl der Kugeln in dem Abteil nahm deshalb nur langsam ab. Doch plötzlich, von einer Sekunde zur anderen, entwichen fast alle Kugeln, und der Cluster löste sich auf. Was war geschehen? Eine genaue Analyse des Videofilms brachte die Lösung.

Dadurch, daß ein Teil der Kugeln entwich, hatte sich die Schichtung der zurückbleibenden Kugeln aufgelockert. Diese hatten nun eine größere Bewegungsfreiheit und kollidierten somit nicht mehr so häufig miteinander. Gleichzeitig nahm ihre Bewegungsenergie zu, wodurch immer mehr Kugeln in immer kürzerer Zeit das Abteil verlassen konnten, was schließlich zu dem lawinenartigen Entweichen der Kugeln führte. Als die Forscher die Filmsequenz von der plötzlichen Auflösung eines Clusters rückwärts laufen ließen, sah man einen Vorgang, der sich deutlich von der Entstehung des Clusters unterschied. Offensichtlich bildete sich im rückwärtslaufenden Film der Cluster schneller als in der Wirklichkeit.

Die Forscher, die die Vorgänge exakt berechnen können, sprechen davon, daß die Zeitrichtung bei der Clusterbildung eindeutig ausgezeichnet ist, also die Dynamik des Granulats keine Zeitumkehrsymmetrie besitzt. Verantwortlich dafür sind die inelastischen Kollisionen der Partikeln, bei denen mit fortschreitender Zeit die Bewegungsenergie der Teilchen in Wärme umgewandelt wird. Der umgekehrte Vorgang, daß die Wärme in Bewegungsenergie umgewandelt wird, tritt hingegen nicht auf. Angesichts der großen praktischen Bedeutung, die Granulate etwa in der Rohstoffindustrie oder in der Lebensmittelproduktion haben, und der immensen Schäden, die dort durch Verklumpungen entstehen, dürften die Forschungsergebnisse der Forscher um Lohse große Beachtung finden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 30.04.2002, Nr. 100 / Seite 48

>>> Zur Startseite