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Den Bock zum Gärtner machen: Mehrstufige turbulente Strömungen nach dem Vorbild der Natur

Im Schatten von Bäumen ist es kühler ist als in "einfachem" Schatten, da durch fraktale Porosität eine effizientere Konvektion erreicht wird. Das EU-finanzierte Projekt MULTISOLVE lüftete einige der Geheimnisse aus der Natur für eine neue Klasse turbulenter Strömungen.
Den Bock zum Gärtner machen: Mehrstufige turbulente Strömungen nach dem Vorbild der Natur
Für eine nachhaltige Entwicklung sind dringend neue Techniken gefragt, damit Fertigungsprodukte und Prozesse effizient und umweltfreundlich bleiben. Design spielt für diese notwendigen Innovationen eine wichtige Rolle, wenn Energieverbrauch und Schadstoffausstoß gesenkt werden sollen. Glücklicherweise können Entwickler auf Natur und Evolution zurückgreifen, um Vorlagen für ihre Arbeit zu finden.

Das EU-finanzierte Projekt MULTISOLVE ließ sich nach dem Vorbild der Natur – insbesondere fraktalen Geometrien – bei der Entwicklung einer neuen Klasse mehrstufiger turbulenter Strömungen inspirieren. Die Ergebnisse sind vor allem deshalb bedeutsam, weil sie auf breiter Basis und in vielen Industriebereichen wie Mischprozessen, Luftfahrt, Automobilsektor, Energieerzeugung und Windtechnik anwendbar sind.

Die Macht des Fraktals

Dass sich Fraktalgeometrien zur Steuerung von Turbulenzen und Strömungen eignen, hat die Forschung in den letzten 10 Jahren bereits demonstriert. Als Leiter des MULTISOLVE-Projektteams und großem Verfechter dieses Ansatzes erklärte Professor Christos Vassilicos hierzu: "Bei turbulenten Strömungen, die in sich selbst fraktal sind, wird im Prinzip der Bock zum Gärtner gemacht. Genauere Kenntnisse darüber, wie fraktales Design Strömungen beeinflusst, die überall in der Natur vorkommen, ermöglichen ein Design genau nach den jeweiligen Wünschen." Mit der Methode konnte das Team experimentell wie auch rechnerisch (an Modellen) demonstrieren, dass es möglich ist, maßgeschneiderte Turbulenzen zu generieren, um viele Prozesse effizienter und effektiver zu machen.

Eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete ist die Verbesserung von Mischungsprozessen. Von welcher Bedeutung dies ist, erklärt Prof. Vassilicos so: "Der Stellenwert, den der Prozess des Mischens in der Industrie hat, etwa in chemischen Reaktoren, Bioreaktoren oder Verbrennungsanlagen, wird oft noch vernachlässigt. Bei dem enormen Einsatzspektrum kommt es vor allem auf effiziente Prozesse an – insbesondere bei Leistungseingang, Mischungsqualität, Geschwindigkeit und Kosten."

Obwohl der Schwerpunkt von MULTISOLVE auf turbulenten Strömungen in Luft und Wasser lag, gab es (in einem weiteren Projekt) auch andere Entwicklungen, etwa für viskoelastische Flüssigkeiten (Schokolade). Dabei zeigte sich, dass die Mischzeit halbiert werden kann, wenn die Mischschaufeln nach fraktalen Prinzipien konstruiert werden. Mit geringeren Produktionszeiten und niedrigeren Kosten stößt dieser technologische Durchbruch auf beträchtliches Interesse bei der Industrie.

Eine weitere spannende Anwendung ist die Konstruktion von Rotorblättern für Luftströme in Windkraftanlagen, mit denen in Europa immer mehr Strom erzeugt wird. Für eine ausreichende Stabilität darf die Dicke der Blätter an den Hinterkanten nicht den Wert Null betragen, da dies die Blätter an der Stelle schwächt, wo sie mit der Achse zusammenwirken, sodass Biegung entsteht und mehr Widerstand erzeugt wird. Daher werden die Blätter oft verkürzt, was wiederum den Windwiderstand erhöht und die Effizienz verringert.

Somit bot MULTISOLVE eine Lösung an, die Projektkoordinator Professor George Papadakis folgendermaßen erklärt: "Mittels Fraktaldesign wurde die Hinterkante geriffelt, was den Windwiderstand verringert und den Wirkungsgrad steigert, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen. Das Fraktaldesign reduzierte auch den Geräuschpegel, was besonders bei Tragflächen von Flugzeugen günstig ist. Entscheidend ist, dass mit dem MULTISOLVE-Ansatz nur die jeweiligen Einzelteile ersetzt werden müssen.

Für die Markteinführung fokussierte das MULTISOLVE-Team nun auf eine begrenzte Anzahl von Anwendungen für skalierte, industriell relevante Tests. Um die neue Technologie aus dem Labor auf den Markt zu bringen, sind jedoch noch andere Probleme zu lösen, wie Professor Vassilicos erklärt: "Die normale zeitliche Verzögerung in der akademischen Forschung kann für spezifische industrielle Anwendungen Jahre betragen, da die Industrie vielen sozioökonomischen Zwängen unterliegt. Wenn wir solche Umstände aber gegenseitig berücksichtigen, kann echte Innovation durch Zusammenarbeit entstehen.

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

MULTISOLVE, turbulente Strömung, Nanotechnologie, Windkraftanlagen, Mischerschaufeln, Tragflächen, Winglets, fraktales Design, Stromerzeugung, Wärmeübertragung, viskoelastische Flüssigkeiten
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