Granulare Materie blitzschnell im Bild

Auch in unserer hochtechnologisierten, modernen Welt ist es nicht m?glich vorherzusehen, wann etwa Felsst¨¹rze, wie sie sich vor Kurzem in Graub¨¹nden ereignet haben, oder Erdbeben eintreten und wie sie im Detail ablaufen. Das liegt unter anderem daran, dass Wissenschaftler das Verhalten von Ger?ll und Sand, noch dazu im Zusammenspiel mit Wasser oder Gasen, trotz langj?hriger Forschung noch immer nur ansatzweise verstanden haben.

Forscher der ETH Z¨¹rich um Christoph M¨¹ller vom Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik und Klaas Pr¨¹ssmann vom Institut f¨¹r Biomedizinische Technik der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Z¨¹rich haben nun gemeinsam mit Kollegen der Universit?t Osaka in Japan eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, die in Zukunft die Erforschung solcher Ph?nomene erheblich erleichtern k?nnte. Viele Naturereignisse und Naturkatastrophen k?nnten so besser verstanden und vorhergesagt werden.

Pulver und K?rner in der chemischen Industrie

Granulare Systeme ¨C so der Oberbegriff f¨¹r alles, was K?rnern oder Pulvern ?hnelt - spielen nicht nur in der Natur eine zentrale Rolle. Auch in praktischen Anwendungen sind sie wichtig, etwa in der Chemieindustrie, wo drei Viertel der Ausgangsstoffe in dieser Form vorliegen. Dort k?mpft man h?ufig mit dem Problem, dass die Produktionsabl?ufe unterbrochen werden, zum Beispiel durch unvorhergesehene und unzureichend verstandene Stauung oder Entmischung der verwendeten granularen Materialien.

?Selbst eine kleine Effizienzsteigerung der Produktionsprozesse durch verbessertes Wissen w¨¹rde dort zu einer enormen Energieersparnis f¨¹hren?, erkl?rt Alexander Penn, Doktorand in M¨¹llers und Pr¨¹ssmanns Arbeitsgruppe. Will man aber beispielsweise erforschen, was passiert, wenn man verschiedene Partikel mischt oder in so genannten Wirbelbettreaktoren mit Gasen reagieren l?sst, so steht man vor einem grossen Problem. Granulare Systeme sind n?mlich undurchsichtig, so dass es sehr schwierig ist, etwas ¨¹ber die genaue r?umliche Verteilung der Partikel und ihre Bewegungen zu erfahren.

Medizintechnik f¨¹r Erforschung granularer Materie

Um dieses Hindernis zu ¨¹berwinden, haben die Wissenschaftler eine Technik, die heute vor allem in der Medizin verwendet wird, wieder in die physikalische Forschung zur¨¹ckgeholt: die Magnetresonanztomographie (MRT), bekannt durch die enge R?hre, in die der Patient zur Untersuchung geschoben wird.

In der Magnetresonanztomographie werden mit Hilfe von Radiowellen und starken Magnetfeldern zun?chst die magnetischen Momente bestimmter Atomkerne eines Gewebes oder Materials (die man sich wie kleine Kompassnadeln vorstellen kann) r?umlich ausgerichtet. Anschliessend verlieren die Atomkerne diese Ausrichtung wieder, wobei sie ihrerseits Radiowellen aussenden, die dann gemessen werden k?nnen. Aus den Messergebnissen l?sst sich schliesslich ein dreidimensionales Bild der Positionen der Atomkerne im Material erstellen.

Die ETH-Forscher haben in ihren neuen, soeben im Fachjournal Science Advances ver?ffentlichten Experimenten ein kommerzielles MRT-Ger?t um mehrere Radioantennen erweitert und die Messdaten mit Hilfe spezieller Software analysiert. Damit gelang es ihnen, Schnappsch¨¹sse aus dem Inneren bewegter granularer Systeme zehntausend Mal schneller zu machen, als das bisher m?glich war.

Die Wissenschaftler entwickelten dazu spezielle Partikel, welche aus einem Millimeter grossen, mit Agar ummantelten ?ltropfen bestand und ein besonders starkes Magnetresonanz-Signal erzeugte. Damit untersuchten sie unter anderem das Verhalten von granularen Systemen, die von einem Gas durchstr?mt werden. Durch das str?mende Gas nimmt das sonst feste granulare Medium den Charakter einer Fl¨¹ssigkeit an. Gasblasen k?nnen in diesem ?fluidisierten? granularen System aufsteigen, sich teilen oder miteinander verschmelzen. Bisher konnte man solche Blasen nicht in Echtzeit studieren.

Mit der neuen Untersuchungstechnik der Z¨¹rcher Forscher k?nnen jetzt Bilder aus dem Inneren von granularer Materie mit einer zeitlichen Aufl?sung von weniger als einer hundertstel Sekunde gemacht werden. Zudem ist es durch eine geschickte Analyse der Magnetresonanz-Signale m?glich, die Geschwindigkeiten der Partikel zu messen und damit zus?tzliche Informationen ¨¹ber die Dynamik dieser komplexen Systeme zu erhalten.

Anwendungen in der CO₂-Abscheidung

M?gliche Anwendungen der Erkenntnisse, die mit der neuen Technik gewonnen werden k?nnen, sind vielf?ltig. Die Forscher planen unter anderem, bestehende theoretische Modelle f¨¹r granulare Systeme genau zu ¨¹berpr¨¹fen und gegebenenfalls zu verbessern. Dazu geh?ren etwa die spontane Entmischung von granularen Mischungen mit Partikeln unterschiedlicher Gr?sse, die in industriellen Anwendungen zu Problemen f¨¹hren kann, sowie die pl?tzliche Stauung (?jamming¡°) von fliessenden Systemen. Die Blasenbildung in durchstr?mten granularen Systemen wiederum ist wichtig f¨¹r Verfahren, in denen ein Gas chemisch m?glichst stark mit den Bestandteilen der Partikel reagieren soll. Solche Verfahren kommen zum Beispiel bei der Abscheidung von Kohlendioxid zum Einsatz, mit der in Zukunft dem Klimawandel entgegengewirkt werden soll. Auch hier k?nnte ein besseres Verst?ndnis der physikalischen Abl?ufe zu h?herer Effizienz und zu bedeutender Energieersparnis f¨¹hren.