Granulare Materie blitzschnell im Bild

Naturkatastrophen und Verhalten von granularen Systemen besser vorhergesagen

22.09.2017

Alexander Penn / ETH Zürich

ETH-Forscher haben aufsteigende Blasen in gasdurchströmten granularen Medien mit Magnetresonanztomographie sichtbar gemacht (links). Auch die Geschwindigkeiten der einzelnen Partikel (Pfeile im rechten Bild) können so gemessen werden.

Granulare Systeme wie Geröll oder Pulver sind allgegenwärtig, aber nicht leicht zu untersuchen. Jetzt haben Forscher der ETH Zürich eine Methode entwickelt, mit der man zehntausendmal schneller als bisher Bilder aus dem Inneren von granularen Systemen aufnehmen kann.

Auch in unserer hochtechnologisierten, modernen Welt ist es nicht möglich vorherzusehen, wann etwa Felsstürze, wie sie sich vor Kurzem in Graubünden ereignet haben, oder Erdbeben eintreten und wie sie im Detail ablaufen. Das liegt unter anderem daran, dass Wissenschaftler das Verhalten von Geröll und Sand, noch dazu im Zusammenspiel mit Wasser oder Gasen, trotz langjähriger Forschung noch immer nur ansatzweise verstanden haben.

Forscher der ETH Zürich um Christoph Müller vom Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik und Klaas Prüssmann vom Institut für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und der Universität Zürich haben nun gemeinsam mit Kollegen der Universität Osaka in Japan eine neue Untersuchungsmethode entwickelt, die in Zukunft die Erforschung solcher Phänomene erheblich erleichtern könnte. Viele Naturereignisse und Naturkatastrophen könnten so besser verstanden und vorhergesagt werden.

Pulver und Körner in der chemischen Industrie

Granulare Systeme – so der Oberbegriff für alles, was Körnern oder Pulvern ähnelt - 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 kämpft man häufig mit dem Problem, dass die Produktionsabläufe 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 würde dort zu einer enormen Energieersparnis führen», erklärt Alexander Penn, Doktorand in Müllers und Prüssmanns Arbeitsgruppe. Will man aber beispielsweise erforschen, was passiert, wenn man verschiedene Partikel mischt oder in so genannten Wirbelbettreaktoren mit Gasen reagieren lässt, so steht man vor einem grossen Problem. Granulare Systeme sind nämlich undurchsichtig, so dass es sehr schwierig ist, etwas über die genaue räumliche Verteilung der Partikel und ihre Bewegungen zu erfahren.

Medizintechnik für Erforschung granularer Materie

Um dieses Hindernis zu überwinden, haben die Wissenschaftler eine Technik, die heute vor allem in der Medizin verwendet wird, wieder in die physikalische Forschung zurückgeholt: die Magnetresonanztomographie (MRT), bekannt durch die enge Röhre, in die der Patient zur Untersuchung geschoben wird.

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

Die ETH-Forscher haben in ihren neuen, soeben im Fachjournal Science Advances veröffentlichten Experimenten ein kommerzielles MRT-Gerät um mehrere Radioantennen erweitert und die Messdaten mit Hilfe spezieller Software analysiert. Damit gelang es ihnen, Schnappschüsse aus dem Inneren bewegter granularer Systeme zehntausend Mal schneller zu machen, als das bisher möglich war.

Die Wissenschaftler entwickelten dazu spezielle Partikel, welche aus einem Millimeter grossen, mit Agar ummantelten Öltropfen bestand und ein besonders starkes Magnetresonanz-Signal erzeugte. Damit untersuchten sie unter anderem das Verhalten von granularen Systemen, die von einem Gas durchströmt werden. Durch das strömende Gas nimmt das sonst feste granulare Medium den Charakter einer Flüssigkeit an. Gasblasen können 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 Zürcher Forscher können jetzt Bilder aus dem Inneren von granularer Materie mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer hundertstel Sekunde gemacht werden. Zudem ist es durch eine geschickte Analyse der Magnetresonanz-Signale möglich, die Geschwindigkeiten der Partikel zu messen und damit zusätzliche Informationen über die Dynamik dieser komplexen Systeme zu erhalten.

Anwendungen in der CO2-Abscheidung

Mögliche Anwendungen der Erkenntnisse, die mit der neuen Technik gewonnen werden können, sind vielfältig. Die Forscher planen unter anderem, bestehende theoretische Modelle für granulare Systeme genau zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern. Dazu gehören etwa die spontane Entmischung von granularen Mischungen mit Partikeln unterschiedlicher Grösse, die in industriellen Anwendungen zu Problemen führen kann, sowie die plötzliche Stauung („jamming“) von fliessenden Systemen. Die Blasenbildung in durchströmten granularen Systemen wiederum ist wichtig für Verfahren, in denen ein Gas chemisch möglichst 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 könnte ein besseres Verständnis der physikalischen Abläufe zu höherer Effizienz und zu bedeutender Energieersparnis führen.

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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