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TU Ilmenau will Geheimnis um Grenzschichten lüften

Wieso heizen sich Raumflugkörper beim Eintritt in die Erdatmosphäre auf? Weshalb verringert der Zusatz von Polymeren den Energieaufwand beim Transport von Erdöl durch Rohrleitungen um bis zu 40 Prozent? Warum bewegt sich ein Haifisch so rasant und geschmeidig durchs Wasser? Auf diese sehr unterschiedlichen Fragen gibt es eine gemeinsame Antwort: Weil Raketen, Rohre und Haie eine sogenannte Grenzschicht haben. Diese dünne Schicht umgibt alle sich bewegenden Objekte. Sie ist einer der Gründe dafür, dass für jede Fahrt mit dem ICE, dem Auto oder selbst mit dem Fahrrad Energie benötigt wird. Die Höhe des Energieaufwandes hängt dabei von vielen einzelnen Faktoren ab, zum Beispiel wie die Oberfläche des Körpers beschaffen ist, wie schnell und in welchem Medium er sich bewegt und ob sich seine Temperatur von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität Ilmenau will in den kommenden Jahren unter anderem die Frage nach der Universalität der oft nur wenige Millimeter starken Grenzschichten beantworten. Dem deutschlandweit agierenden Netzwerk gehören zudem Naturwissenschaftler und Ingenieure der Universitäten Cottbus, Marburg, Erlangen und des Max-Planck-Instituts Göttingen an. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft stellt knapp 2 Millionen Euro für drei Jahre für das Forschungsvorhaben mit der Fachbezeichnung „Wandnahe Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenten Rayleigh-Bénard-, Taylor-Couette- und Rohrströmungen“ bereit. Offizieller Start ist der 1. Januar 2010.

An der TU Ilmenau werden dann Mitarbeiter des Instituts für Thermo- und Fluiddynamik die Schichten am sogenannten „Ilmenauer Fass“ vermessen. In dieser weltweit einzigartigen experimentellen Anlage von acht Metern Höhe und sieben Metern Durchmesser lassen sich insbesondere Grenzschichten um erhitzte oder gekühlte Gegenstände mit hoher Präzision untersuchen. Indem die Wissenschaftler der Strömung winzige Teilchen zusetzen und deren Bewegung mit Hilfe von Laserstrahlen verfolgen, können sie selbst kleinste turbulente Strukturen innerhalb der Grenzschicht auffinden und deren Rolle beim Energietransport aufklären. Begleitet werden die Messungen durch aufwändige numerische Simulationen, die selbst auf den weltweit schnellsten Hochleistungsrechnern mehrere Monate Zeit in Anspruch nehmen werden. Am Ende ihrer insgesamt sechsjährigen Arbeiten werden die Forscher vielleicht auch die Geheimnisse um die Haifischhaut gelüftet haben. (Tu Illmenau)