Wiener Physiker: Zugstabilität von Wasser ist höher als angenommen

3. November 2016, 11:40
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Forscher untersuchten das Phänomen der Kavitation mithilfe von Computersimulationen

Wien – Unter großer Zugbelastung kann bei Wasser die sogenannte Kavitation auftreten: die Bildung kleiner Dampfbläschen, die anwachsen und die Flüssigkeitsspannung schließlich abreißen lassen. Wie das auf molekularer Ebene vonstatten geht, und dass Wasser noch stabiler ist als bisher vermutet, zeigten Wiener Physiker nun im Fachblatt "PNAS".

Wenn Wasser unter negativen Druck gesetzt wird, "man sozusagen daran zieht", wie Christoph Dellago von Universität Wien sagt, wird die Flüssigkeit nur von der Anziehungskraft ihrer Moleküle zusammengehalten. Unter diesen Bedingungen tendiere das System aber eigentlich nicht zum flüssigen, sondern zum Dampfzustand. Bevor es dorthin gelangt, baut sich vor dem System aber eine "Energiebarriere" auf, so der Physiker.

Diese könne man sich wie einen Berg vorstellen, der die sich gerade bildenden Bläschen vom Erreichen des nächsten Tals abhält. Ist dieser thermodynamische Kraftakt einmal geschafft, wachsen die Bläschen rasch an und die angelegte Spannung lässt die Flüssigkeit irgendwann zerreißen.

Forschung seit Jahrhunderten

Da negativer Druck etwa in Pumpen oder bei sich drehenden Turbinen sowie Schiffsschrauben auf das umgebende Wasser wirkt, kann es hier zur Kavitation kommen. "Wenn diese Blasen gebildet werden und der Druck wieder steigt, kollabieren sie. Dabei entstehen auf der mikroskopischen Ebene sehr starke Strömungen, die auf längere Sicht das Material beschädigen können", so Dellago.

Auch wegen der technischen Relevanz ist die Wissenschaft dem Phänomen der Zugstabilität von Wasser seit über 300 Jahren mit verschiedensten Experimenten auf der Spur. Diese führten aber bisher zu relativ unterschiedlichen Resultaten. "Im Experiment kann es zum Beispiel sein, dass sich Blasen an Verunreinigungen leichter bilden. Somit tritt Kavitation schon bei geringeren negativen Drücken auf. Dellago: "Am Computer hat man den großen Vorteil, dass man alles unter Kontrolle hat."

Neue Theorie

Die Forscher erstellten also Computersimulationen, in denen die Bewegungen der einzelnen Moleküle abgebildet und damit sehr schnell ablaufende Prozesse der Bläschenbildung beobachtet werden konnten.

Auf diese Weise gelangten die Wiener Physiker zusammen mit Kollegen aus Spanien und Frankreich zu einer Theorie, die das Auftreten von Kavitation in Wasser abhängig von der angelegten Spannung vorhersagt. Im Zuge der Analysen wurde klar, dass Wasser stabiler ist, als es viele frühere Experimente nahelegten. Konkrete Hinweise auf Anpassungen an Materialien oder die Beschaffenheit von Bauteilen in Maschinen könne man aus den neuen Ergebnissen zwar nicht direkt ableiten. "Man kann aber besser sagen, unter welchen Bedingungen und mit welcher Häufigkeit Kavitation stattfindet", so Dellago. (APA, 3.11.2016)

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