Die Wirkung von turbulenten Strömungen ist offensichtlich. Wissenschaftlich beschrieben werden konnten diese noch nicht. Es handelt sich um eines der größten ungelösten physikalischen Probleme. Ein globales Team führender Physiker will das Problem jetzt mit einer neuen Methode lösen.

Turbulente Strömungen sind allgegenwärtig: in Ozeanen, um Fahrzeuge oder durch Pipelines. Turbulenzen bestimmen Reibungsverluste sowie Transport- und Mischeigenschaften. Ein grundlegendes Verständnis des Ursprungs von Turbulenz und der Prinzipien, die ihr zugrunde liegen, gibt es allerdings noch nicht.

Die Bewegung der glatten (laminaren) Strömung kann genau beschrieben werden – mittels Gleichungen aus Newtons Bewegungsgesetzen (Navier Strokes-Gleichungen). Bei bewegten Strömungen haben diese Gleichungen jedoch keine Aussagekraft. Selbst wenn die größten Supercomputer der Welt angewendet werden.

Ungelöstes physikalisches Problem

Das Phänomen gilt als eines der größten ungelösten physikalischen Probleme. Dessen besseres wissenschaftliches Verständnis könnte für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen genutzt werden. Von der Meteorologie über die Ozeanographie bis hin zu Astrophysik und Aerodynamik. So könnten zum Beispiel gefährliche Wetterereignisse wie Hurrikanen oder Tornados präziser vorhergesagt werden – und die Modellierung der Flugzeugaerodynamik erheblich unterstützt.

Neue Methode

Jetzt möchte ein internationales Konsortium führender Physiker neuartige Techniken einsetzen und das Problem turbulenter Strömungen besser beschreiben, modellieren und konzipieren. Dabei soll die Art der turbulenten Strömungen mit Hilfe der statistischen Eigenschaften turbulenter Flüssigkeiten besser beschrieben werden. Die neue Methode soll zum neuen konzeptionellen Rahmen zur Beschreibung von Turbulenzen entwickelt werden. Dieser konzeptionelle Rahmen könnte die Fähigkeit zur Vorhersage realer turbulenter Strömungen erhöhen.

Beteiligung der IST Austria

Mit im Team ist Professor Björn Hof, Physiker im Bereich Fluiddynamik am Institute of Science and Technology IST Austria, nahe Wien. Er leitet eine Forschungsgruppe, die an nichtlinearer Dynamik und Turbulenzen forscht. Die Gruppe kombiniert detaillierte Experimente im Labor mit hochauflösender Computersimulation. Unter Anwendung von Methoden der nicht-linearen Dynamik und statistischen Physik, werden Schlüsselaspekte des Übergangs zwischen laminarer und turbulenter Strömung gesucht. Dabei sollen universelle Merkmale identifiziert werden, die dieser Übergang mit ungeordneten Systemen in anderen Bereichen der Physik gemeinsam hat. Manche dieser Einsichten können verwendet werden, um turbulente Strömungen zu kontrollieren. Die Gruppe entwickelt solche Methoden aktiv.

Forschungsförderung

Das Konsortium erhielt 3,7 Mio. Euro Forschungsförderung von der Simons Foundation in New York. 1994 gegründet, unterstützt diese Projekte an der Grenze der Grundlagenforschung. Die Förderung gilt dem Einsatz experimenteller Techniken, die sich typischerweise aus interdisziplinären grundlagenorientierten Forschungsgruppen entwickeln.

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