Sturm im Riesenfass
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So., 12.02.12
Forschung Sturm im Riesenfass
Artikel vom 22.12.2009
Warum in der luftigen Atmosphäre ein solches Chaos herrscht, versuchen Forscher in Ilmenau herauszufinden. In einem riesigen Fass simulieren sie die Erdatmosphäre und beobachten, wohin der Wind weht.
Auf den ersten Blick wirkt die Riesentonne unspektakulär, sogar ein wenig langweilig. Doch was Forscher der Technischen Universität Ilmenau wenige Kilometer von der Kleinstadt entfernt versteckt im Thüringer Wald aufgebaut haben, ist weltweit einmalig und enorm nützlich. In einem acht Meter hohen Fass haben sie einen tausendfach verkleinerten Ausschnitt der Erdatmosphäre mit ihren Luftbewegungen zwischen der von der Sonne aufgewärmten Erdoberfläche und dem kühlen Weltall nachgestellt.
In diesem überdimensionalen «Luftkochtopf» werden zwischen einem beheizten Fußboden und einer Kühlplatte in mehreren Metern Höhe bis zu 300 Kubikmeter Luft gewälzt. Die Naturwissenschaftler unter Leitung von Ronald du Puits erforschen dort seit Jahren Luftströmungen und Turbulenzen, die zu den großen Mysterien in der Natur gehören.
Vom neuen Jahr an widmen sie sich in einem bundesweiten Forschungsprojekt einem speziellen Geheimnis der Strömungswissenschaft, den Grenzschichten und deren Rolle beim Energietransport. Zusammen mit Forschern aus fünf weiteren Wissenschaftseinrichtungen in Deutschland wollen sie die Struktur der dünnen Strömungsschicht aufdecken. «Wenn wir die zwei fingerdicken Luftschichten auf den beiden Platten im Fass enträtseln, wird auch das Luftchaos im ganzen Fass erklärbar», sagt Forschungsleiter du Puits. Dann wäre es auch endlich möglich, große Räume effizient zu belüften und zu beheizen.
Eine Grenzschicht entsteht, wenn sich ein Körper bewegt - sei es in der Atmosphäre, im Wasser oder auch in Rohren, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden. Dank einer besonderen Grenzschicht können Haifische rasant und geschmeidig durchs Wasser gleiten. Flugzeugflügel werden so beschichtet, dass der Auftrieb verstärkt und der Luftwiderstand verringert wird.
Wirbel und Strudel
Bekannt ist auch, dass der Energieaufwand beim Transport von Erdöl durch Rohrleitungen um bis zu 40 Prozent gesenkt werden kann, wenn dem Öl ein geringer Anteil von Polymeren zugesetzt wird. Es ist nicht nur die Beschaffenheit der Oberfläche, die den Energieverbrauch von Autos und Zügen bestimmt. Wichtige Faktoren sind auch die Geschwindigkeit und das Medium, in dem sie sich bewegen, sowie die Temperaturunterschiede zwischen Fahrzeug und Umgebung.
Wenn im Ilmenauer Fass die beheizte Luft nach oben strömt und die abgekühlte Luft herabsinkt, bildet sich an der Heiz- und der Kühlplatte eine etwa ein Zentimeter dicke thermische Grenzschicht. In ihr herrscht Chaos. Die Luft wird zu Wirbeln und Strudeln. Die Temperatur macht große Sprünge.
Bei dem neuen Forschungsprojekt werden die beiden turbulenten Schichten ständig von winzigen neuartigen Temperatursensoren vermessen und miteinander verglichen. Die Sensoren erlauben nach den Worten Du Puits «eine um fast zwei Größenordnungen bessere räumliche Auflösung als in bisherigen Temperaturmessungen».
Indem die Wissenschaftler der Strömung winzige Teilchen zusetzen und deren Bewegung mit Hilfe von Laserstrahlen verfolgen, können sie selbst kleinste turbulente Strukturen innerhalb der Grenzschicht finden und deren Rolle beim Energietransport klären. Eine neue Theorie von zwei Strömungsforschern aus Marburg und Twente besagt, das die dünnen Luftschichten an den Heiz- und Kühlplatten großräumige Luftwalzen antreiben.
Großraumbüros und Zugabteile
Begleitet werden die Messungen durch aufwändige numerische Simulationen, «die selbst auf den weltweit schnellsten Hochleistungsrechnern mehrere Monate in Anspruch nehmen werden», sagt du Puits. Ähnliche Experimente, in kleinerem Ausmaß als in Ilmenau, laufen auch in den USA, in China, Frankreich und Italien.
Noch komplizierter als im Ilmenauer Fass lassen sich Luftströmungen in klimatisierten Räumen vorhersagen, in denen sich Menschen bewegen und Möbel den Luftstrom verändern. Dazu gehören unzureichend belüftete Flugzeugkabinen, zugige Großraumbüros und stickige Zugabteile.
Du Puits Kollege Max Körner startet 2010 mit den nach seinen Angaben weltweit ersten Experimenten zu Raumluftströmungen in einer nachgebauten, verkleinerten Flugzeugkabine. Die Anlage trägt den Namen «SCALEX». Doch auch andere Wirtschaftszweige können profitieren. So konnte der Autohersteller Audi die Messverfahren und Erfahrungen, die am Ilmenauer Fass gesammelt wurden, bei der Konstruktion neuer Autoscheinwerfer nutzen. Es entstand eine Computersimulation, um die Überhitzung im Mikroklima des Autoscheinwerfers zu verhindern.
kat/ham/news.de/ap
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