Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Granulare Materie blitzschnell im Bild

21.09.2017

Granulare Systeme wie Geröll oder Pulver sind allgegenwärtig, aber nicht leicht zu untersuchen. Jetzt haben Forscher der ETH Zürich eine Methode entwickelt, mit der man zehntausendmal schneller als bisher Bilder aus dem Inneren von granularen Systemen aufnehmen kann.

Auch in unserer hochtechnologisierten, modernen Welt ist es nicht möglich vorherzusehen, wann etwa Felsstürze, wie sie sich vor Kurzem in Graubünden ereignet haben, oder Erdbeben eintreten und wie sie im Detail ablaufen.


ETH-Forscher haben aufsteigende Blasen in gasdurchströmten granularen Medien mit Magnetresonanztomographie sichtbar gemacht (links). Auch die Geschwindigkeiten der Partikel (Pfeile im rechte

Bild: Alexander Penn / ETH Zürich

Das liegt unter anderem daran, dass Wissenschaftler das Verhalten von Geröll und Sand, noch dazu im Zusammenspiel mit Wasser oder Gasen, trotz langjähriger Forschung noch immer nur ansatzweise verstanden haben.

Forscher der ETH Zürich um Christoph Müller vom Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik und Klaas Prüssmann vom Institut für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und der Universität Zürich haben nun gemeinsam mit Kollegen der Universität Osaka in Japan eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, die in Zukunft die Erforschung solcher Phänomene erheblich erleichtern könnte. Viele Naturereignisse und Naturkatastrophen könnten so besser verstanden und vorhergesagt werden.

Pulver und Körner in der chemischen Industrie

Granulare Systeme – so der Oberbegriff für alles, was Körnern oder Pulvern ähnelt - spielen nicht nur in der Natur eine zentrale Rolle. Auch in praktischen Anwendungen sind sie wichtig, etwa in der Chemieindustrie, wo drei Viertel der Ausgangsstoffe in dieser Form vorliegen.

Dort kämpft man häufig mit dem Problem, dass die Produktionsabläufe unterbrochen werden, zum Beispiel durch unvorhergesehene und unzureichend verstandene Stauung oder Entmischung der verwendeten granularen Materialien.

«Selbst eine kleine Effizienzsteigerung der Produktionsprozesse durch verbessertes Wissen würde dort zu einer enormen Energieersparnis führen», erklärt Alexander Penn, Doktorand in Müllers und Prüssmanns Arbeitsgruppe.

Will man aber beispielsweise erforschen, was passiert, wenn man verschiedene Partikel mischt oder in so genannten Wirbelbettreaktoren mit Gasen reagieren lässt, so steht man vor einem grossen Problem. Granulare Systeme sind nämlich undurchsichtig, so dass es sehr schwierig ist, etwas über die genaue räumliche Verteilung der Partikel und ihre Bewegungen zu erfahren.

Medizintechnik für Erforschung granularer Materie

Um dieses Hindernis zu überwinden, haben die Wissenschaftler eine Technik, die heute vor allem in der Medizin verwendet wird, wieder in die physikalische Forschung zurückgeholt: die Magnetresonanztomographie (MRT), bekannt durch die enge Röhre, in die der Patient zur Untersuchung geschoben wird.

In der Magnetresonanztomographie werden mit Hilfe von Radiowellen und starken Magnetfeldern zunächst die magnetischen Momente bestimmter Atomkerne eines Gewebes oder Materials (die man sich wie kleine Kompassnadeln vorstellen kann) räumlich ausgerichtet. Anschliessend verlieren die Atomkerne diese Ausrichtung wieder, wobei sie ihrerseits Radiowellen aussenden, die dann gemessen werden können. Aus den Messergebnissen lässt sich schliesslich ein dreidimensionales Bild der Positionen der Atomkerne im Material erstellen.

Die ETH-Forscher haben in ihren neuen, soeben im Fachjournal Science Advances veröffentlichten Experimenten ein kommerzielles MRT-Gerät um mehrere Radioantennen erweitert und die Messdaten mit Hilfe spezieller Software analysiert. Damit gelang es ihnen, Schnappschüsse aus dem Inneren bewegter granularer Systeme zehntausend Mal schneller zu machen, als das bisher möglich war.

Die Wissenschaftler entwickelten dazu spezielle Partikel, welche aus einem Millimeter grossen, mit Agar ummantelten Öltropfen bestand und ein besonders starkes Magnetresonanz-Signal erzeugte. Damit untersuchten sie unter anderem das Verhalten von granularen Systemen, die von einem Gas durchströmt werden. Durch das strömende Gas nimmt das sonst feste granulare Medium den Charakter einer Flüssigkeit an. Gasblasen können in diesem «fluidisierten» granularen System aufsteigen, sich teilen oder miteinander verschmelzen. Bisher konnte man solche Blasen nicht in Echtzeit studieren.

Mit der neuen Untersuchungstechnik der Zürcher Forscher können jetzt Bilder aus dem Inneren von granularer Materie mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer hundertstel Sekunde gemacht werden. Zudem ist es durch eine geschickte Analyse der Magnetresonanz-Signale möglich, die Geschwindigkeiten der Partikel zu messen und damit zusätzliche Informationen über die Dynamik dieser komplexen Systeme zu erhalten.

Anwendungen in der CO2-Abscheidung

Mögliche Anwendungen der Erkenntnisse, die mit der neuen Technik gewonnen werden können, sind vielfältig. Die Forscher planen unter anderem, bestehende theoretische Modelle für granulare Systeme genau zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern. Dazu gehören etwa die spontane Entmischung von granularen Mischungen mit Partikeln unterschiedlicher Grösse, die in industriellen Anwendungen zu Problemen führen kann, sowie die plötzliche Stauung („jamming“) von fliessenden Systemen. Die Blasenbildung in durchströmten granularen Systemen wiederum ist wichtig für Verfahren, in denen ein Gas chemisch möglichst stark mit den Bestandteilen der Partikel reagieren soll. Solche Verfahren kommen zum Beispiel bei der Abscheidung von Kohlendioxid zum Einsatz, mit der in Zukunft dem Klimawandel entgegengewirkt werden soll. Auch hier könnte ein besseres Verständnis der physikalischen Abläufe zu höherer Effizienz und zu bedeutender Energieersparnis führen.

Literaturhinweis

Penn A, Tsuji T, Brunner DO, Boyce CM, Pruessmann KP, Müller CR. Real-time probing of granular dynamics with magnetic resonance. Sci. Adv. 3, e1701879 (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1701879

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/09/granulare-...

Peter Rüegg Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht 3D-Bilder von Krebszellen im Körper: Medizinphysiker aus Halle stellen neues Verfahren vor
16.05.2018 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Innovatives Verfahren zur umweltschonenden Gülleaufbereitung kommt auf den Markt
03.05.2018 | Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Frühwarnsystem RAWIS in Katastrophenübung mit THW final getestet

23.05.2018 | Informationstechnologie

RWI/ISL-Containerumschlag-Index dreht wieder leicht ins Plus

23.05.2018 | Wirtschaft Finanzen

Wenn Korallen Plastik fressen

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics