Schäumen mit Röntgenmesstechnik auf der Spur

Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen Messtechniken entwickeln, die Einblicke in die Strömungsdynamik von Schäumen geben.

„Die Strömungsdynamik von Schäumen ist bisher kaum untersucht, weil es noch keine geeigneten Messmethoden gibt“, erläutert Dr. Sascha Heitkam, Leiter der neuen Emmy-Noether-Gruppe, die an der Schnittstelle zwischen HZDR und der TU Dresden angesiedelt ist.

Die neue Forschungsgruppe will passende Messtechniken entwickeln und erproben. „An der TU Dresden gibt es sehr gut ausgebildete Studenten und wichtige Kooperationspartner in den relevanten Disziplinen der Strömungsdynamik, Messtechnik und Verfahrenstechnik. Das HZDR verfügt wiederum über sehr gute messtechnische Möglichkeiten und Erfahrung“, erklärt Heitkam.

Die Faszination an Schäumen begleitet den Wissenschaftler bereits seit Schulzeiten – und seinem ersten Schaumexperiment bei „Jugend forscht“. „Schäume weisen faszinierende und bisher unerklärte Phänomene auf. Ihre Fließeigenschaften unterscheiden sich stark von Wasser oder Luft – sie ähneln eher Ketchup oder Zahnpasta“, so Heitkam.

Eine Frage, die ihn umtreibt, ist etwa, ob Schaumströmungen turbulent werden können. Um dies herauszufinden, sind dreidimensionale Messungen notwendig. Da Schäume undurchsichtig sind, können herkömmliche, optische Messmethoden jedoch nur deren Oberfläche erfassen. Ein Forschungsziel der Emmy Noether-Gruppe wird es unter anderem sein, röntgenbasierte Techniken weiter zu verfeinern und die elektrische Leitfähigkeit von Wasser zu nutzen, um den Flüssigkeitsgehalt von Schaum mittels Elektroden zu analysieren.

Sobald die neuen Techniken erprobt sind, stehen größere Experimente auf dem Plan der Forschungsgruppe: „In vertikalen Steigröhren können wir Schaumströmungen ähnlich wie die Luftströmungen in einem Windkanal unter kontrollierten Bedingungen studieren“, sagt Heitkam. „Ein Vorgängerexperiment gibt es bereits. Für die erstmalige dreidimensionale Vermessung der Strömungsparameter müssen wir es jedoch in größerem Maßstab aufsetzen, sonst würden die Wände der Röhre den Fluss zu stark verfälschen.“ Weitere Experimente sollen die Dynamik von Verwirbelungen des Schaumes durch einen bewegten Zylinder oder hinter einer Düse analysieren.

Von der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhält Heikamp dafür ab Mai 2020 für die nächsten sechs Jahre eine Förderung in Höhe von rund 1,3 Mio EUR.

sk