Forschung. Warum bewegen sich große Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten bis zu 10-mal schneller? Was im Haarshampoo nett aussieht, macht in der industriellen Fertigung Kopfzerbrechen. Forscher der TU Graz und der TU Darmstadt haben nun eine Erklärung gefunden.
Es ist ein Rätsel, das in vielen industriellen Produktionsprozessen relevant ist: die sprunghaft unterschiedlichen Aufstiegsgeschwindigkeiten von Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten.
Viskoelastische Flüssigkeiten sind Stoffe, die Merkmale flüssiger und elastischer Stoffe in sich vereinen. Ein Beispiel dafür sind viele Haarshampoos: Stellt man eine durchsichtige, fast ganz gefüllte Flasche davon auf den Kopf, so sieht man die eingeschlossene Luft als Blase in ungewöhnlicher Form aufsteigen.
Ein Problem für die Industrie
In vielen Industrieprozessen treten solche Flüssigkeiten als Lösungen von Polymeren auf, die häufig durch Begasung mit Sauerstoff angereichert werden müssen. „Wir wissen seit etwa 60 Jahren, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei einem kritischen Blasendurchmesser sprunghaft zunimmt. Die Blasen steigen dann plötzlich bis zu zehnmal schneller auf. Das spielt für die kontrollierte Begasung dieser Flüssigkeiten eine fundamentale Rolle. Gleichzeitig war unklar, was diesen sprunghaften Geschwindigkeitsanstieg verursacht“, so Günter Brenn vom Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz.
Mit einer Kombination aus Simulation, Experiment und theoretischen Analysen haben die Teams von Günter Brenn an der TU Graz und Dieter Bothe an der TU Darmstadt nun eine Erklärung für das Phänomen: Sie haben herausgefunden, dass die Wechselwirkung der Polymermoleküle mit der Strömung rund um die Gasblasen zu dem merkwürdigen Geschwindigkeitsverhalten der Blasen führt.
„Entspannter“ Zustand bevorzugt
- „Die Strömung rund um die Blase führt dazu, dass sich dort die gelösten Polymermoleküle verformen. Diesen Zustand mögen die Moleküle nicht besonders. Sie wollen so schnell wie möglich zum entspannten, unverformten Zustand zurückkehren“, so Brenn. Wenn diese Rückkehr zum entspannten Zustand schneller geht als der Transport der Moleküle bis zum Äquator der Blase, dann bleibt die Blase laut den Forschungsergebnissen langsam.
- Dauert die Rückkehr zur Entspannung hingegen länger als die Reise zum Blasenäquator, dann wird in der Flüssigkeit eine Spannung frei, die die Blase „anschiebt“, heißt es. Das führe zu einer Selbstverstärkung, da nachfolgende Polymermoleküle nun erst recht bis unterhalb des Äquators kommen, sich dort entspannen und wiederum eine „Schubkraft“ freisetzen, so die Forscher.
Besseres Verständnis für Strömungsvorgänge
Neben der Praxisrelevanz dieser Erkenntnis ergeben sich daraus auch Konsequenzen in der Grundlagenforschung: „Es hat sich herausgestellt, dass eine weitere überraschende Eigenschaft des Strömungsfeldes dieser Lösungen diesem von uns gezeigten molekularen Mechanismus zugeordnet werden kann: nämlich der sogenannte ,negative Nachlauf‘ der Gasblase“, so Bothe.
Das sei ein Bereich im Strömungsfeld unter der Blase, in dem normalerweise die Flüssigkeit mit kleiner Geschwindigkeit der Blase „hinterherläuft“. Bei den polymeren Flüssigkeiten ist es aber laut Bothe umgekehrt: dort sei die Flüssigkeitsbewegung entgegen der Blasenbewegung orientiert.
Diese Flüssigkeitsbewegung komme durch dieselbe Spannung zustande, die auch die Blase „anschiebt“. Aus diesem Verständnis können sich laut dem Forscher Möglichkeiten zur Steuerung von Strömungsvorgängen ergeben.
