Gefährliche Schwingungen im Hochbau ausschalten

Was bewegt einen jungen Maschinenbauingenieur, die Barthaare (Vibrissen) von Robben zu erforschen? „Der Wissensdurst“, schmunzelt Matthias Witte (32). Er hat nach seinem Studium in Rostock am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Rostock in seiner Doktorarbeit herausgefunden, wie Robben sicher ihre Beute fangen.

Mit den vorliegenden Ergebnissen zur Umströmung von Vibrissen sind die Grundlagen gelegt worden, die es Bauwerksaerodynamikern auf der ganzen Welt zukünftig erlauben werden, Hochhäuser, die bald an der 1.000 Meter Marke kratzen sollen, sicherer, komfortabler und kosteneffizienter zu gestalten.

„Matthias Witte hat den strömungsmechanischen Mechanismus eines ganz besonderen Phänomens aufgeklärt“, würdigt Privatdozent Dr. Wolf Hanke. Im Marine Science Center in Rostock-Hohe Düne hatten die Wissenschaftler beobachtet, dass sich die Barthaare von Robben, wenn sie auf der Jagd nach Beute durch das Wasser jagen, kaum bewegen. Normalerweise müssten die Barthaare aber in der Strömung wie eine Fahne im Wind flattern. „Das ist bei Robben nicht der Fall. Trotz der nur feinen Verwirbelungen, die ein Fisch im Wasser hinterlässt, erspürt und verfolgt der Seehund mit seinen Barthaaren zielsicher seine Beute“, sagt Dr. Hanke.

Matthias Witte hat in seiner Doktorarbeit durch umfangreiche Messungen und Computersimulationen den Mechanismus aufgeklärt, warum sich das Robbenbarthaar in der Strömung nicht bewegt. Der junge Forscher hat die Umströmung der Barthaare, die die Tiere einmal im Jahr verlieren und die eine gewisse Welligkeit in Längsrichtung aufweisen, mit einer am Lehrstuhl Strömungsmechanik entwickelten Mikroskopanlage experimentell untersucht.
Kaum vorstellbar: auf einer Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter und an mehr als 6.000 Punkten gleichzeitig konnten die Geschwindigkeitsinformation bei Umströmung eines solchen Barthaares erfasst werden. Mit Hilfe von Fotografien verschiedener Robbenbarthaare konnte zudem eine Vorlage für ein idealisiertes Barthaarmodell erstellt werden, das in Windkanaluntersuchungen und Computersimulationen verwendet wurde. So wurde es möglich, die Strömungsvorgänge am Barthaar der Robbe bis ins kleinste Detail zu beschreiben.

Die bahnbrechende Erkenntnis: Beim Barthaar der Robben treten im Gegensatz zu Masten, Brücken oder Hochhäusern, keine strömungsinduzierten Schwingungen auf. „Deshalb kann der Seehund auch so haargenau Spuren von Fischen im Wasser verfolgen“, hat Matthias Witte herausgefunden. Professor Alfred Leder, Lehrstuhl für Strömungsmechanik an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock, stellt fest: „Wir haben mit den Barthaaren von Robben einen Körper vorliegen, der einen neuen Weltrekord aufstellt hinsichtlich der Vermeidung strömungsinduzierter Schwingungen“.

Wie viele Stunden Matthias Witte im Strömungstechniklabor der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik immer wieder Versuche gefahren hat, weiß er heute nicht mehr. Im Zuge eines gemeinsamen DFG-Projektes „Strömungsbeeinflussung in Natur und Technik“ und in Zusammenarbeit mit dem Marine-Science-Center der Universität Rostock, das der bekannte Robbenforscher Professor Guido Dehnhardt leitet, sowie mit Hilfe des Instituts für Biowissenschaften der Universität, wurde die Forschung des jungen Mannes möglich. Er ließ sich von der einfachen Voraussetzung leiten, dass jeder Fisch im Meer eine spezifische Strömungsspur hinterlässt und er wusste, dass die Barthaare der Robben für die Wahrnehmung von Wasserbewegungen zuständig sind. Alles andere war wissenschaftliche Neugier – wie machen die das? – und Zähigkeit.

„Wir haben damit eine Fragestellung abgeschlossen, die uns lange beschäftigt hat“, sagt Dr. Hanke. Jetzt kann die bionische Umsetzung des Vibrissen-Mechanismus vorangetrieben werden, unter anderem bei künstlichen Sensoren, die Barthaaren von Robben nachempfunden sind. Neuentwicklungen könnten künftig durch die neuesten Erkenntnisse aus Rostock auch bei Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei ferngesteuerten Robotern in Schiffswracks.

„Die vorgelegten Ergebnisse von Matthias Witte sind bahnbrechend“, hebt der Doktorvater des gebürtigen Greifswalders, Professor Alfred Leder, hervor. „Die Biologie hat da etwas vollbracht, was jeden Wissenschaftler zum Erstaunen bringt und für uns eine herausragende technische Relevanz hat.“

Normalerweise entsteht bei der Umströmung von Hochhäusern, Masten, Schornsteinen und Brücken eine Wirbelstraße, die auf die umströmte Struktur starke, zeitveränderliche Kräfte überträgt. Im Ergebnis dieses Prozesses beginnen die umströmten Bauwerksstrukturen zu schwingen. Welche gravierenden Auswirkungen diese Schwingungen haben können, zeigte der Einsturz der Tacoma-Brücke im Nordwesten der USA im Bundesstaat Washington im Jahr 1940.

Die Untersuchungen von Barthaaren der Robben bringen nun den Beweis, dass diese Gefahr beim Bau von Hochhäusern oder eben Brücken abgewendet werden kann, wenn man die Konstruktionsprinzipien von Robben-Barthaaren anwendet. Das belegen die Untersuchungen von Matthias Witte im Strömungstechniklabor der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock eindeutig.

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