Der Tanz der Teilchen im heißen Strom

26. September 2014, 18:54
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Metallstaub in Schmelzöfen oder Schneeflocken auf dem Dachstein: Wo immer feste Teilchen in Bewegung sind, wird es für den Mechatroniker Stefan Pirker interessant

Linz - "Wenn ein Dissertant bei mir zu arbeiten beginnt, braucht er zunächst nicht mehr als einen Bleistift und ein Blatt Papier", beschreibt Stefan Pirker den Beginn eines neuen Projekts. Ein Ansatz, der verblüfft, denn die Prozesse, mit denen er sich am ChristianDoppler-Labor für partikuläre Strömungen an der Uni Linz beschäftigt, sind so komplex, dass sie selbst mit modernsten Computern nur näherungsweise beschrieben werden können. Doch ihre physikalischen Prinzipien wurden zum Teil schon von Isaak Newton vor über dreihundert Jahren entdeckt - daher auch die simplen Arbeitsgeräte für erste analytische Abschätzungen.

Es geht dabei immer um feste Teilchen, die sich im Strom eines sogenannten Fluids befinden - ein bewegtes Medium, das entweder aus einem Gas oder einer Flüssigkeit besteht. "Die Physik ist dabei aber immer gleich", betont Pirker, "egal, ob es sich um Sand in einem Flussbett oder Metallstaub in einem Strom heißer Luft handelt." Nach den ersten Berechnungen folgt die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus: Stift und Papier werden durch Computer ersetzt, aus der Idee wird ein handfestes Modell entwickelt.

Im Strömungskanal

Das kann durchaus raumfüllende Dimensionen annehmen: Ein Strömungskanal, der in den Linzer Laboratorien des Mechatronikers und CD-Labor-Leiters steht, nimmt beinahe zwei Stockwerke ein. Das einem riesigen Staubsauger ähnelnde Gerät dient der Erforschung verschiedener Strömungssituationen.

"Hier können wir zum Beispiel eine Schüttung betrachten, bei der Material durch den Kanal fällt. Diese Schüttung wird dann mit einem Gas durchströmt und der Druckverlust gemessen", schildert Pirker. Die Interaktionen der Teilchen miteinander und ihre Wechselwirkung mit dem Gas stehen dabei im Mittelpunkt der Analysen. In dem Versuchsaufbau werden die mathematischen Modelle der Forscher getestet und verfeinert, um schließlich realistische Simulationen zu entwickeln. Mit ihnen lässt sich dann vorhersagen, wie sich die Partikel unter verschiedenen Bedingungen verhalten.

Besonders in der Metallindustrie sind ihre Ergebnisse gefragt - die Mehrheit ihrer Kooperationspartner stammt aus dieser Branche. "Vieles, was in der metallurgischen Industrie gemacht wird, erinnert ein bisschen an moderne Alchemie", erklärt Pirker das Interesse an seiner Forschung. "Man baut riesige Anlagen und fährt dort Hochtemperaturprozesse, dabei weiß man eigentlich nicht genau, was da drinnen überhaupt passiert."

So habe man in Hochöfen oft das Problem, dass die Mischung aus Erz, Kohle und Kalk, die von oben eingeschüttet wird, in der acht Meter langen Anlage hängenbleibt. Es entstehen Hohlräume, die plötzlich in der mehr als tausend Grad heißen Röhre zusammenfallen und dabei riesige Staubwolken aufwirbeln.

Das Phänomen sei zwar seit langem bekannt, sagt Pirker, man habe aber noch keine Erklärung dafür, warum die Mischung in den Öfen ins Stocken gerät. Hier kommt seine Arbeitsgruppe ins Spiel: Mit ihren Simulationen sollen die Gründe für die verstopften Öfen geklärt und Methoden entwickelt werden, um solche Probleme in Zukunft zu vermeiden.´

Blutpumpen und Lawinen

Die Metallurgie ist aber nur eine von vielen Branchen, in denen solche Strömungsmodelle Anwendung finden könnten. Von der Nahrungsmittel- über die Kunststoffindustrie bis hin zu Zement- und Baufirmen arbeitet man in vielen Bereichen mit strömenden Partikeln. Da die mathematischen Modelle über Open-Source-Plattformen im Internet kostenfrei weitergegeben werden, haben sich in wenigen Jahren viele Nutzer gefunden. "Über viertausend User haben wir inzwischen gewonnen", berichtet Pirker. "Wir sind damit weltweit ziemlich weit vorne gelandet."

Seit seiner Gründung im Jahr 2009 habe sich das Labor für partikuläre Strömungen zu einem der drei größten Forschungseinrichtungen der Christian-Doppler-Gesellschaft entwickelt - finanziert durch Mittel des Wissen- und Wirtschaftsministeriums, der Nationalstiftung und durch Industriepartner. Dementsprechend sei auch ihr Budget auf das Doppelte eines normalen Labors der Gesellschaft gewachsen, sagt Pirker. Dutzende Universitäten und Industriebetriebe nutzen inzwischen die Modelle der Forscher aus Linz. Bei der Entwicklung von Blutpumpen für Herztransplantationen werden sie ebenso eingesetzt wie bei der Abschätzung der Lawinengefahr auf dem Grimming im Dachsteingebirge.

Zu den berühmtesten Abnehmern gehört die US-amerikanische Raumfahrtagentur Nasa: Bei der Entwicklung des Marsrovers Curiosity kamen die Linzer Strömungsmodelle zum Einsatz. "Dabei ging es um die Interaktion zwischen den Partikeln von dem Marsboden und den Reifen", beschreibt Pirker das Projekt. "Denn auch das sind Wechselwirkungen zwischen einer bewegten Geometrie und festen Teilchen."

Die große Zahl an Nutzern habe dabei auch einen positiven Rückkopplungseffekt für seine Strömungsforschung, betont der Wissenschafter. Denn immer wenn es zu Problemen kommt oder Fehler in den Simulationen entdeckt werden, erhalten die Forscher wichtiges Feedback. So könne man die Programme stetig verbessern.

Roheisenabstich am Hochofen: Strömungsmodelle sind in der Metallindustrie besonders gefragt. "Man baut riesige Anlagen und fährt dort Hochtemperaturprozesse, dabei weiß man eigentlich nicht genau, was da drinnen überhaupt passiert", sagt Stefan Pirker. (Wolfgang Däuble, DER STANDARD, 24.9.2014)

  • Roheisenabstich am Hochofen: Strömungsmodelle sind in der Metallindustrie besonders gefragt. "Man baut riesige Anlagen und fährt dort Hochtemperaturprozesse, dabei weiß man eigentlich nicht genau, was da drinnen überhaupt passiert", sagt Stefan Pirker.
    foto: nigel treblin/dapd

    Roheisenabstich am Hochofen: Strömungsmodelle sind in der Metallindustrie besonders gefragt. "Man baut riesige Anlagen und fährt dort Hochtemperaturprozesse, dabei weiß man eigentlich nicht genau, was da drinnen überhaupt passiert", sagt Stefan Pirker.

  • Stefan Pirker simuliert, wie Partikel mit ihrer Umwelt interagieren.
    foto: uni linz

    Stefan Pirker simuliert, wie Partikel mit ihrer Umwelt interagieren.

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