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Seilspringen in der Keksdose: HZDR-Forscher entdeckt verblüffendes Phänomen in Flüssigmetallen

26.11.2018

Wer eine Flüssigkeit erwärmt, löst unweigerlich Turbulenzen aus: Heißes Fluid steigt auf und durchmischt sich mit dem kälteren Rest. In gewissen Fällen können sich dabei mehrere Wirbel zu einer größeren Struktur – einer großskaligen Zirkulation – zusammenschließen. Mit Kollegen der University of California in Los Angeles (UCLA) hat Dr. Tobias Vogt vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nun etwas Überraschendes festgestellt: In ihrem Experiment bewegte sich diese Struktur ganz ähnlich wie ein Springseil. Das Ergebnis könnte helfen, bestimmte Phänomene auf der Sonnenoberfläche besser zu verstehen.

Besonders deutlich zeigt es sich bei einer Lavalampe: Sobald sich die Flüssigkeit in ihr erwärmt, steigen dicke Blasen auf und wirbeln munter durcheinander.


Bei Experimenten mit flüssigem Gallium konnten Forscher aus Dresden und Kalifornien zeigen, dass die sogenannte großskalige Zirkulation einen Wirbel formt, der sich wie ein Springseil bewegt.

Foto: HZDR / T. Vogt

Fachleute bezeichnen dieses temperaturgetriebene Phänomen als Konvektion. Unter bestimmten Voraussetzungen können sich thermische Turbulenzen sogar zusammenschließen und eine übergeordnete, ausgedehnte Struktur bilden – die großskalige Zirkulation.

Ein Beispiel dafür findet sich am Wolkenhimmel. Weht der Wind aus einer bestimmten Richtung, können sich mehrere Kumuluswolken über Dutzende Kilometer aufreihen – es entsteht eine Wolkenstraße.

Auch auf der Sonne lässt sich das Phänomen beobachten: Schaut man sich ihre Oberfläche durch ein Spezialteleskop an, erscheint sie als Ansammlung vieler Körnchen. Diese „Granulation“ kommt durch Konvektion zustande: Von unten steigt heißes, hell erscheinendes Material an die Oberfläche, kühlt dort ab und sinkt am Rand eines Körnchens als dunkles Material wieder hinab. Diese Körnchen sind bis zu 1.000 Kilometer groß und existieren nur wenige Minuten.

„Bislang ging die Fachwelt davon aus, dass es sich bei diesen großskaligen Zirkulationen mehr oder weniger um zweidimensionale Strukturen handelt“, erklärt Tobias Vogt vom HZDR-Institut für Fluiddynamik.

„Unser Experiment stellt diese Vorstellung nun jedoch in Frage.“ Ausgangspunkt war ein mit dem Helmholtz-Doktorandenpreis verbundenes Reisestipendium, das Vogt 2016 gewonnen hatte. Es führte ihn für drei Monate an die UCLA. Mit den dortigen Experten des Department of Earth, Planetary and Space Science konzipierte er einen Versuchsaufbau, mit dem er die großskalige Zirkulation im Detail untersuchen konnte.

Kern des Experiments war ein zylindrischer Behälter von der Größe einer Keksdose, gefüllt mit flüssigem Gallium – ein Metall, das bereits bei knapp 30 Grad Celsius schmilzt. „Es leitet sehr gut Wärme und ist dreimal dünnflüssiger als Wasser“, erläutert Tobias Vogt.

„Konvektionsphänomene können dadurch sehr deutlich in Erscheinung treten.“ Während sich der Boden des Behälters bis auf 70 Grad Celsius heizen ließ, konnte der Deckel auf rund 30 Grad Celsius gekühlt werden. Durch diesen Temperaturunterschied geriet das Flüssigmetall in Wallung: Heißeres Fluid stieg auf, überall in der Dose bildeten sich Turbulenzen.

Turbulenzen wie Luftschlangen
Um das Geschehen zu beobachten, musste das Team eine spezielle Ultraschalltechnik verwenden: „Da Gallium nicht durchsichtig ist, kamen Laserverfahren nicht infrage“, beschreibt Vogt.

„Stattdessen setzten wir ein Verfahren ein, wie es im Prinzip auch Mediziner nutzen, wenn sie Blutströme in Gefäßen sichtbar machen wollen.“ Konkret schickten die Forscher kurze Ultraschallpulse in den Behälter.

Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit wurden die Pulse unterschiedlich reflektiert, was sich mit Sensoren messen ließ. Das Resultat waren dreidimensionale Strömungsprofile des turbulenten Flüssigmetalls, ergänzt durch numerische Simulationen auf einem Supercomputer.

In sämtlichen Profilen ließen sich die großskaligen Zirkulationen deutlich erkennen – sie erinnern an eine Luftschlange, die die gesamte Dose ausfüllt. „Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass sich diese Struktur ähnlich wie ein Springseil bewegt“, erklärt Vogt.

„Sie kreist beständig vor sich hin – sowohl die Bewegung als auch die Struktur der großskaligen Zirkulation sind ganz klar dreidimensional.“ Das weckt Zweifel an den gängigen theoretischen Beschreibungen. Sie hatten das Phänomen als quasi zweidimensionales Problem behandelt und müssen nun überdacht werden.

Um schließlich zu prüfen, ob sich die Springseil-Strukturen auch bei anderen Flüssigkeiten bilden, initiierten die Wissenschaftler eine Reihe von Computersimulationen.

Das Ergebnis: „Auch bei Wasser tritt dieser Effekt auf“, erklärt Tobias Vogt. „Doch da Wasser zähflüssiger als flüssiges Gallium ist und Wärme schlechter leitet, ist das Phänomen deutlich schwächer ausgeprägt.“

Publikation:
T. Vogt, S. Horn, A.M. Grannan, J.M. Aurnou: Jump rope vortex in liquid metal convection, in PNAS, 2018 (DOI: 10.1073/pnas.1812260115)

Weitere Informationen:
Dr. Tobias Vogt
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel. +49 351 260-2451 | E-Mail: t.vogt@hzdr.de

Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel. +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden | www.hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt knapp 1.200 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Tobias Vogt
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel. +49 351 260-2451 | E-Mail: t.vogt@hzdr.de

Originalpublikation:

T. Vogt, S. Horn, A.M. Grannan, J.M. Aurnou: Jump rope vortex in liquid metal convection, in PNAS, 2018 (DOI: 10.1073/pnas.1812260115)

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/springseil_konvektion

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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