Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der FAU präzisiert Gesetz der Teilchendynamik granularer Gase

07.03.2018

Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Universität Leicester und der Universität Vigo haben erstmals nachgewiesen, dass die kinetische Energie von Teilchen in granularen Gasen, etwa Staubwolken, temporär steigen kann, obwohl dem System stetig Energie entzogen wird. Damit präzisieren sie das vor 35 Jahren formulierte Haff’sche Gesetz, nach dem die granulare Temperatur in geschlossenen Systemen stetig abnimmt. Die mit neuartigen Simulationsverfahren gewonnenen Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.*

Granulare Gase sind Systeme, die in geringer Dichte makroskopische Teilchen enthalten. Beispiele sind kosmischer Staub, die Planetenringe um Saturn, Uranus und Neptun, aber auch aufgewirbelte irdische Staubwolken.
Im Grunde können sie wie molekulare Gase, etwa Helium, beschrieben werden – mit einem wichtigen Unterschied: Granulare Partikel kollidieren nicht elastisch miteinander.


Granulares Gas

Thorsten Pöschel

„In isolierten granularen Gasen ohne externe Energiezufuhr nimmt die Bewegungsenergie der Teilchen aufgrund der Zusammenstöße stetig ab, deshalb sinkt auch die granulare Temperatur“, erklärt Prof. Dr. Thorsten Pöschel vom Lehrstuhl für Multiscale Simulation of Particulate Systems der FAU. „Dieses Kühlgesetz, auch Haff’sches Gesetz genannt, ist seit 1983 bekannt und eine der zentralen Erkenntnisse der Kinetik granularer Gase.”



Adhäsion verändert Eigenschaft

Das Haff’sche Gesetz der granularen Kühlung lässt jedoch einen Aspekt unberücksichtigt: Insbesondere in Systemen mit sehr kleinen Teilchen im Mikrometerbereich kommt es durch verschiedene Kräfte, beispielsweise durch Oberflächenadhäsion oder elektrostatische Ladungen, zu Zusammenhaftungen der Partikel.

„Aufgrund dieser Aggregationen wachsen die Teilchen und verändern ihre Eigenschaften. Zugleich sinkt ihre Zahl im System und damit auch die Zahl der Freiheitsgrade für die Teilchenbewegung“, sagt Thorsten Pöschel. „Unsere Vermutung war, dass sich dadurch temporär die granulare Temperatur erhöhen kann, obwohl bei jedem Stoß mechanische Energie verloren geht.“

Neue Simulationsmethoden präzisieren altes Gesetz

Genau diesen kontraintuitiven Effekt konnte Pöschel gemeinsam mit dem Physiker Nikolai V. Brilliantov von der Universität Leicester (Großbritannien) und dem Informatiker Arno Formella von der Universität Vigo (Spanien) in aufwändigen Simulationen nachweisen. Dafür haben die Forscher etablierte Methoden angewandt und weiterentwickelt, etwa die analytische Mathematik für die Kinetik der Gaseigenschaften und die Monte-Carlo-Simulation – ein stochastisches Verfahren auf der Basis der Wahrscheinlichkeitstheorie. Pöschel:

„Mit einem neuartigen System kinetischer Gleichungen und entsprechender Skalierungslösungen ist es uns erstmals gelungen, die Dynamik der Teilchenaggregation in granularen Gasen zuverlässig abzubilden. Wir haben das Haff’sche Gesetz keinesfalls revidiert, aber einen wichtigen Effekt nachgewiesen, der bislang unberücksichtigt blieb.“

Die Ergebnisse der Wissenschaftler könnten dabei helfen, die grundlegenden Eigenschaften granularer Gase besser zu verstehen – sei es bei irdischen Effekten wie der Rußagglomeration in Rauchgasen oder bei astrophysikalischen Phänomenen wie kosmischem Staub in planetaren Ringen. Sie wurden unter dem Titel „Increasing temperature of cooling granular gases“ in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

*doi: 10.1038/s41467-017-02803-7

Kontakt:
Prof. Dr. Thorsten Pöschel
Lehrstuhl für Multiscale Simulation of Particulate Systems
Tel.: 09131 85-20865
thorsten.poeschel@fau.de

Dr. Susanne Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bose-Einstein-Kondensate können Gravitationswellen derzeit wohl kaum nachweisen
12.12.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Beobachtung der Sternentstehung: Fertigung des Sechs-Meter-Teleskops von CCAT-prime hat begonnen
12.12.2018 | Universität zu Köln

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Im Focus: Neuartige Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Von „Frequenzkämmen“ spricht man bei speziellem Laserlicht, das sich optimal für chemische Sensoren eignet. Eine revolutionäre Technik der TU Wien erzeugt dieses Licht nun viel einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht...

Im Focus: Topological material switched off and on for the first time

Key advance for future topological transistors

Over the last decade, there has been much excitement about the discovery, recognised by the Nobel Prize in Physics only two years ago, that there are two types...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Januar und Februar 2019

11.12.2018 | Veranstaltungen

Eine Norm für die Reinheitsbestimmung aller Medizinprodukte

10.12.2018 | Veranstaltungen

Fachforum über intelligente Datenanalyse

10.12.2018 | Veranstaltungen

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

gbo datacomp sucht auf jobs for future nach jungen Talenten und setzt Wachstumskurs fort

12.12.2018 | Unternehmensmeldung

Bose-Einstein-Kondensate können Gravitationswellen derzeit wohl kaum nachweisen

12.12.2018 | Physik Astronomie

Neue Testmethode verbessert Tuberkulose-Diagnose bei Nashörnern

12.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

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