Sand fließt leichter in feuchtem Zustand

Das Transportverhalten von feuchtem Sand haben Physiker der Saar-Uni um Professor Christian Wagner gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Lüttich und Amsterdam unter die Lupe genommen: In Messungen mit einer eigens konstruierten Zelle konnten sie zeigen, dass Sand anfängt zu fließen, sobald eine bestimmte Krafteinwirkung überschritten ist. Ihre Forschungsergebnisse wurden jetzt in Physical Review E publiziert.

Beim Bau ihrer Pyramiden mussten die alten Ägypter riesige Steinquader und Statuen über den Sand transportieren. Damit sich die Kolosse besser bewegen ließen, befeuchteten sie den Sand zuvor mit Wasser. Dies ist detailliert auf einem Wandgemälde aus der Grabkammer von Tehuti-Tehep aus dem Jahre 1880 v.Chr. dargestellt und in Texten beschrieben.

Fast viertausend Jahre später haben Forscher der Universität des Saarlandes in Kooperation mit Kollegen der Universitäten Lüttich und Amsterdam gezeigt, dass feuchter Sand tatsächlich einfacher zu verformen ist, sobald die auf ihn einwirkende Kraft eine gewisse Grenze – die so genannte Fließgrenze – überschritten hat. Dazu haben die Wissenschaftler um Physik-Professor Christian Wagner eine spezielle Zelle konstruiert, mit der sich die Kraft messen lässt, die man benötigt, um Sand durch eine Röhre zu drücken. Vergleichbar ist dies mit dem Ausquetschen einer Zahnpasta-Tube: Ab einem gewissen Druck fließt die Masse aus der Tube, auf der Zahnbürste – also ohne Krafteinwirkung – ist sie wieder fester.

„Im feuchten Sand halten die Wassertröpfchen die Sandkörner durch Kapillarbrücken zusammen, es bilden sich kleine Sandklümpchen“, erläutert Christian Wagner. „Deshalb lassen sich auch nur aus feuchtem Sand Burgen bauen.“ Umso schwieriger sei die Vorstellung, dass angefeuchteter Sand leichter fließt. „Der Grund ist, dass sich zwischen den Sandklümpchen größere Luftlöcher befinden, die den Sand-Agglomeraten größere Bewegungsfreiheit erlauben“, so Wagner. Auf diese Weise könnte Transportenergie eingespart werden. Die Ergebnisse ließen sich auch auf alle anderen Granulate, wie Pulver oder Baumaterialien für den Straßenbau, übertragen, bei deren Verarbeitung weltweit riesige Energiemengen verbraucht werden.

Erstautor der Publikation ist der Argentinier Dr. Jorge Fiscina, der bereits im Rahmen eines von der Alexander von Humboldt-Stiftung finanzierten Georg-Forster Forschungsstipendiums im Team von Professor Christian Wagner gearbeitet hat. Der Gastwissenschaftler hält sich auch derzeit wieder für Forschungsarbeiten an der Saar-Uni auf.

Die Arbeit “Dissipation in quasistatically sheared wet and dry sand under confinement” wurde am 24. August in Physical Review E (Vol. 86, No. 2) publiziert.
Link zur Veröffentlichung: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.86.020103

Link zum erwähnten Wandgemälde:
http://digi.ub.uni-heidelberg.de/diglit/newberry1895bd1/0066?sid=6d14080c19a5e30907fb6f2fddb9f050

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Wagner
Experimentalphysik
Universität des Saarlandes
Telefon: 0681 302-3003
E-Mail: c.wagner@mx.uni-saarland.de