Es kann laute Geräusche machen und hat eine unglaubliche Zerstörungskraft ... Was ist das für eine psychedelische Blase?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Yongjiu (Institut für Mechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Als Anfang 1942 ein amerikanisches U-Boot in der Straße von Makassar unterwegs war, wurde seine Abhöranlage häufig durch ein mysteriöses „Knistern“ gestört. Die Quelle dieser Geräusche war zunächst verwirrend. Als Wissenschaftler jedoch in den umliegenden Gewässern große Ansammlungen von Knallkrebsen entdeckten, begannen sie zu spekulieren, dass diese Meereslebewesen die Quelle dieser ungewöhnlichen Geräusche sein könnten.

Im Jahr 1946 veröffentlichte das Naval Electronics Laboratory des War Research Department der University of California einen interessanten Forschungsbericht, der die wahre Quelle dieser gewaltigen Geräusche enthüllte: den heftigen Zusammenstoß, der durch das schnelle Schließen der riesigen Scheren der Knallkrebse verursacht wurde.

Bericht über die Untersuchung des durch Knallkrebse verursachten Lärms durch das Naval Electronics Laboratory, War Research Department, University of California

Ein handgezeichnetes Bild einer Knallgarnelenschere in 9-facher Vergrößerung

(Bildquelle: Referenz 1)

Doch erst im Jahr 2000 gelang es Lohse, Professor für angewandte Physik an der Universität Twente in den Niederlanden, und seinem Forschungsteam, Hochgeschwindigkeitsfotografie und Hydrophon-Ausrüstung zu kombinieren, um das Geheimnis des Geräusches wirklich zu lüften. Es wurde tatsächlich durch Blasen verursacht, die sich bei der Bewegung des Wasserstrahls bildeten.

Noch überraschender ist, dass diese Blasen nicht nur laute Geräusche machen, sondern auch eine erstaunliche Zerstörungskraft besitzen. Angesichts dessen fragen sich die Leute unweigerlich, wie diese mysteriösen Blasen entstehen. Warum macht es so ein lautes Geräusch? Warum hat es eine so starke Zerstörungskraft?

(A) Das vom Hydrophon im Experiment erhaltene Signal

(B) Die Entwicklung und Evolution von Kavitationsblasen, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera

(Bildquelle: Referenz 2)

Was ist Kavitation?

Um die vorherige Frage zu beantworten, müssen wir ein grundlegendes physikalisches Prinzip verstehen: In einer Flüssigkeit nimmt der Druck ab, wenn die Durchflussrate zunimmt, und der Druck steigt, wenn die Durchflussrate abnimmt. Dies ist eine Manifestation des Bernoulli-Prinzips. Gleichzeitig sinkt der Siedepunkt einer Flüssigkeit mit abnehmendem Druck, weshalb es selbst bei Verwendung von kochendem Wasser in großen Höhen schwierig ist, Eier zu kochen.

Zurück zum Thema Knallkrebse: Durch das schnelle Schließen ihrer großen Scheren kann eine Wasserströmung mit bis zu 115 km/h entstehen. Der durch diese Geschwindigkeit entstehende niedrige Druck reicht aus, um flüssiges Wasser ohne Erwärmung direkt in Wasserdampf umzuwandeln, wodurch die Blasen entstehen, die wir sehen. Dieser Vorgang wird Kavitation genannt.

Nachdem Kavitationsblasen erzeugt wurden, ist der Druck in den Blasen viel niedriger als der äußere Wasserdruck, sodass die Blasen schnell zusammengedrückt und zusammengezogen werden und schließlich kollabieren und zerstört werden, wobei Stoßwellen und ein Geräusch von fast 210 Dezibel erzeugt werden. Knallkrebse nutzen diese Kavitationsblasen, um im Ozean zu tödlichen Meistern zu werden.

Schematische Darstellung der Bedingungen für das Auftreten von Kavitation

(Bildquelle: Dieses Bild wurde basierend auf dem Originalbild des Autors, 3Franc JP, erstellt)

Die Gefahr der Kavitation: Von Lärm bis zu Strukturschäden

Das laute Geräusch und die zerstörerische Kraft dieser Kavitationsblasen sind nicht auf Knallkrebse beschränkt; Sie können außerdem erhebliche Erosionsschäden an Bauwerken verursachen. Insbesondere bei Tragflügelbooten, Propellern und Turbinenblättern, die unter Wasser mit hoher Geschwindigkeit laufen, bilden sich im Niederdruckbereich an der Oberfläche zahlreiche Kavitationsblasen, die lokale Stoßbelastungen mit hoher Energie erzeugen und Kavitationsschäden an der Oberfläche verursachen, was wiederum eine Reihe von Problemen wie Vibrationen und Lärm hervorruft.

Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur den normalen Betrieb der Unterwasserkommunikation und des Sonars, sondern können aufgrund von Lärm auch den Standort des eingesetzten Schiffs offenlegen. Gleichzeitig kommt es aufgrund der Auswirkungen von Kavitation und Kavitationserosion häufig zu einer Verringerung der Effizienz des Gerätesystems, zu Erosionsschäden an der Struktur und möglicherweise sogar zu Funktionsstörungen der Geräte. Daher stellen Kavitationsblasen im Bereich der Hochgeschwindigkeitshydrodynamik zweifellos eine große versteckte Gefahr bei technischen Anwendungen dar und können als Killer Nummer eins bezeichnet werden.

Typisches Kavitationsstrukturschadensdiagramm von Turbinenschaufeln

(Bildquelle: Referenz 4)

Bedrohungen in Stärken verwandeln: Anwendungen der Kavitationstechnologie

Da jede Medaille jedoch immer zwei Seiten hat, bringt Kavitation auch einige positive Effekte mit sich.

Mit der Weiterentwicklung der Kavitation umhüllen die Blasen nach und nach das gesamte Strömungsobjekt und bilden eine „Superkavitation“. Diese spezielle Kavitation kann das Objekt vollständig vom äußeren Wasserkörper isolieren und es in die Gasphase versetzen, wodurch die Fest-/Flüssig-Grenzfläche in eine Fest-/Gas-Grenzfläche umgewandelt wird, die Viskosität verringert und der Reibungswiderstand stark reduziert wird. Daher verfügt es über ein großes Anwendungspotenzial im militärischen und zivilen Bereich.

Der Superkavitationstorpedo, der im 20. Jahrhundert in der Militärindustrie auftauchte, ist die Verkörperung dieser Technologie. Es kann die Geschwindigkeit des Torpedos von 60 Knoten auf über 200 Knoten erhöhen und hat einen wichtigen militärischen Wert. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass durch die Bildung dieser Superkavitation das Fahrzeug von der Gasphase umgeben ist. Wenn sich die Fluglage aufgrund äußerer Einflüsse ändert, wird ein Teil des Fahrzeugs nass und von einem großen Heckdrehmoment beeinflusst, was die Kontrolle der Fluglagestabilität während Langstreckenflügen sehr schwierig macht.

Schematische Darstellung der Superkavitationsströmung

(Bildquelle: Referenz 5)

Zukünftige Erkundung: Hochgeschwindigkeits-Oberflächenfahrzeuge

Tatsächlich hat Qian Xuesen, Träger der Verdienstmedaille für zwei Bomben und einen Satelliten meines Landes und erster Direktor des Instituts für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, bereits vor 60 Jahren proaktiv das Konzept der „Superkavitation“-Tragflächenoberfläche im Zusammenhang mit der Superkavitationstechnologie vorgeschlagen. In einem im Chinese Journal of Mechanics veröffentlichten Artikel zur Theorie der Tragflächen vertrat er die Ansicht, dass für Anwendungen mit Geschwindigkeiten über 90 Kilometern pro Stunde herkömmliche Konstruktionen nicht mehr anwendbar seien und dieser Tragflächentyp verwendet werden müsse. Dieses Konzept, das den damaligen Forschungsrahmen weit überschritt, wurde inzwischen verifiziert und angewendet.

Am Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das von Qian Xuesen selbst gegründet wurde, nutzte ein Forschungsteam diese Technologie, um ein neues Konzept für ein Hochgeschwindigkeitsschiffsmodell zu entwickeln, das die Geschwindigkeit und Stabilität der Überwasserschiffe meines Landes erheblich verbessert hat. Die entsprechenden grundlegenden theoretischen Forschungsergebnisse wurden kürzlich auch in der maßgeblichen Fachzeitschrift für Strömungsmechanik (Journal of Fluid Mechanics) veröffentlicht. Diese Forschungsergebnisse liefern nicht nur Grundlagen und Ideen zur Verbesserung der Fahrgeschwindigkeit von Schiffen, sondern tragen auch zur Verwirklichung des strategischen Ziels des Aufbaus einer starken Seefahrernation bei.

CCTV News berichtete über entsprechende Erfolge

(Fotoquelle: CCTV News)

Kavitationsblasen mögen einfach erscheinen, aber sie stellen eine magische Kombination aus Natur und Physik dar. Durch eingehende Forschung werden Wissenschaftler weiter erforschen, wie sich dieses Phänomen effizienter nutzen lässt, und so Durchbrüche in der Hochgeschwindigkeits-Strömungsmechanik in weiteren Bereichen fördern.

Quellen:

[1] Abteilung für Kriegsforschung am USNavy Electronics Laboratory, University of California, „Unterwasserlärm durch Knallgarnelen“ (San Diego, 1946)

[2] M Versluis, B Schmitz, A von der Heydt, D Lohse (2000). Wie Schnappgarnelen schnappen: Durch kavitierende Blasen. Science, 289 (5487): 2114-2117.

[3] Franc JP, Michel JM Grundlagen der Kavitation. Springer, 2004.

[4] Christopher E. Brennen. Eine Einführung in die Grundlagen der Kavitation, 2011

[5] Jaeho Chung1 und Yeunwoo Cho. Belüftete Superkavitation um einen bewegten Körper in einer ruhenden Flüssigkeit: Beobachtung und Widerstandsmessung J. Fluid Mech. (2018), Bd. 854, S. 367–419.