Wissenschaftler haben einen geschlossenen turbulenten Ball in einem Wassertank geschaffen, der bei der Beantwortung einer Reihe seit langem bestehender Fragen helfen könnte. Überall um uns herum herrscht Turbulenz. Turbulenzen gibt es überall, von der Verwirbelung von Kaffee und Milch in einem Latte über die aerodynamischen Kräfte auf Flugzeugflügeln und den Seiten von Autos bis hin zum Blutfluss im Herzen, nachdem sich eine Klappe geschlossen hat. Allerdings verstehen wir immer noch nicht alle davon vollständig.
Ein Stolperstein ist der traditionelle Ansatz der Physiker, die Phänomene oft isoliert von äußeren Faktoren untersuchen. Aber wenn es zu Turbulenzen kommt, ist der Löffel, genau wie beim Rühren eines Glases Flüssigkeit, immer noch ein integraler Bestandteil des Prozesses und beeinflusst das Verhalten der Flüssigkeit. Bisher waren Methoden zur Isolierung von Turbulenzen als unabhängige Variable schwer zu finden.
Ein Wissenschaftlerteam der University of Chicago hat jedoch eine Methode entwickelt, um begrenzte Turbulenzen in einem Wassertank zu erzeugen. Sie verwendeten Ringstrahlen, um die ringförmige Strömung zu versprühen, bis sich ein isolierter „Turbulenzball“ bildete und bestehen blieb.
„Das war eine Überraschung für uns“, sagte der Physiker Takumi Matsuzawa, Erstautor einer in Nature Physics veröffentlichten Studie, die die Entdeckung beschreibt. Professor William Irvine, der korrespondierende Autor der Studie, sagte: „Es ist, als würde man ruhig auf einem Feld sitzen, ein Picknick machen und zusehen, wie ein Sturm in 15 Metern Entfernung tobt.“
Sie hoffen, dass dieser Durchbruch einen neuen Forschungsweg eröffnen wird, um Turbulenzen besser zu verstehen.
„Turbulenzen – der chaotische Fluss von Materie in einer heterogenen Mischung – sind ein altes Problem“, sagte Owen. „Es wird oft als eines der großen ungelösten Probleme der Physik bezeichnet.“
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler Fortschritte bei der Beschreibung des Verhaltens „idealisierter“ turbulenter Bedingungen gemacht. Mit anderen Worten: Turbulenzen haben keine störenden Variablen wie Grenzen oder Änderungen in Intensität und Zeit. Über Turbulenzen in der realen Welt gibt es jedoch noch viel mehr zu wissen.
„Turbulenzen sind überall um uns herum, aber die Physiker finden bisher nur eine schwer fassbare Beschreibung“, sagte Owen. „Wenn Sie zum Beispiel fragen, kann ich vorhersagen, was als nächstes passieren wird, wenn ich diese turbulente Region durchstoße? Die Antwort ist nein. Nicht einmal mit Supercomputern.“
Ein großes Problem ist das Vorhandensein von Störvariablen in Experimenten. Sie können Turbulenzen erzeugen, indem Sie schnell Wasser durch ein Rohr sprühen oder mit Paddeln in einem Tank rühren. Turbulenzen reiben jedoch immer an den Wänden des Behälters und am Rührer, was die Ergebnisse des Experiments beeinflusst.
Matsuzawa, Owen und ihre Mitarbeiter haben „Wirbelring“-Experimente in Wassertanks durchgeführt – wie Rauchringe, aber im Wasser. Wenn sie versuchen, sie zu kombinieren, um Turbulenzen zu erzeugen, prallt die Energie normalerweise zurück und verflüchtigt sich dann.
Doch als sie eine besondere Konfiguration entdeckten – einen Kasten mit acht Ecken, in denen sich jeweils ein Wirbelringgenerator befand – geschah etwas Seltsames. Als sie wiederholt auf die Ringe feuerten, die sich in der Mitte trafen, sahen sie, wie sich außerhalb der Kastenwände ein in sich geschlossener Ball aus Turbulenzen bildete.
Das war an sich schon ein Durchbruch: „Niemand hätte das früher für möglich gehalten, Turbulenzen eignen sich sehr gut zum Mischen von Flüssigkeiten; wenn man Milch in Kaffee mischt, rührt man sie nur ein- oder zweimal um, bevor sie vollständig vermischt ist, aber wir können sie an Ort und Stelle halten, was sehr überraschend ist.“
Eine eigenständige Turbulenzkugel würde es Wissenschaftlern ermöglichen, ihre Parameter mithilfe von Lasern und mehreren schnellen Kameras genauer zu verfolgen. Dazu gehören Energie und Helizität (ein Maß dafür, wie verwickelt oder „verknotet“ die Schleife ist) sowie Impuls und Drehimpuls (entspricht dem Impuls und Drehimpuls der Flüssigkeit).
Darüber hinaus können sie damit spielen, indem sie die Parameter ändern. Sie können ändern, ob die eingespeiste Schleife eine Spirale im oder gegen den Uhrzeigersinn ist. Sie könnten die Eingangsenergie ändern oder aufhören, Ringe hinzuzufügen, und zusehen, wie sich die Turbulenzen auflösen, oder sie könnten die Helizität der Ringe ändern und beobachten, wie sich die Turbulenzen mit der Zeit entwickeln.
„Wie lösen sich Turbulenzen auf? Wie dehnen sie sich aus? Woran ‚erinnern‘ sie sich? Wie bewegt sich Energie über Skalen hinweg? Gibt es verschiedene Arten von Turbulenzen? Wir können alle möglichen Fragen stellen, und dies ist eine einzigartige Umgebung, um sie zu stellen“, sagte Owen. „Ich hoffe wirklich, dass uns das dabei hilft, in diesem Bereich neue Wege zu beschreiten.