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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Die zweite Entdeckung der Kavitation. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Ende des XNUMX. Jahrhunderts musste die englische Marine zwei für die damalige Zeit perfekte Schiffe aufstocken. „Dering“ und „Turbinia“ mussten den letzten Test bestehen – für die Geschwindigkeit, die die Konstrukteure übrigens als ihren Hauptvorteil anführten. Leider wurde die geschätzte Geschwindigkeit nicht erreicht. Eine detaillierte Untersuchung der möglichen Ausfallursachen ergab, dass Propeller bei hoher Geschwindigkeit sehr stark verschleißen, Schlaglöcher und Hohlräume bilden und die zahlreichen Dampf-Luftblasen auf den Blättern schuld sind. Unter solchen Umständen wurde die Technologie erstmals in die Kavitation eingeführt. Es ist die Technik. Denn die Wissenschaft kennt dieses Phänomen seit zwanzig Jahren. Es wurde theoretisch vom englischen Physiker O. Reynolds vorhergesagt. Und wenn die Designer mehr auf die Grundlagenforschung ihres Landsmanns achten würden, gäbe es vielleicht keine Peinlichkeit. Ja, der Theoretiker hätte die Ingenieure vor übertriebenen Hoffnungen warnen können. Aber nicht mehr. Hätte man ihn gefragt, wie man ein wirklich ultraschnelles Schiff baut und die Kavitation auf irgendeine Weise umgeht, hätte der Wissenschaftler kaum eine Antwort gefunden. Und bis heute, mehr als ein Jahrhundert nach der Entdeckung der Kavitation, ist die Wissenschaft, die dieses Phänomen untersucht, der Technologie zu verdanken. Es ist nicht immer möglich, den Schwellenwert genau zu berechnen, ab dem Kavitation auftritt, die für eine Maschine oder Struktur schädlich ist. Es bröckelt immer noch, sie enthüllt das Metall von Propellern, die Flügel von Pumpen und Turbinen, die Betonkörper von Dämmen, Kanälen, Schleusen. Noch schwieriger – und verlockende Gedanken dazu wurden erst gestern geboren – ist es, die zerstörerischen Kräfte der Kavitation umzudrehen und sie zu Verbündeten zu machen. Warum gibt die mächtige moderne Wissenschaft den wichtigsten Geheimnissen der Kavitation nach? Erinnern wir uns zunächst daran, was sie ganz genau über dieses Phänomen weiß. Kavitationsblasen entstehen in einer Flüssigkeit, wenn darin ein Unterdruck erzeugt wird. Dies geschieht beispielsweise beim Umströmen eines festen Körpers mit hoher Geschwindigkeit oder, was im Wesentlichen dasselbe ist, wenn sich der Körper selbst in einer Flüssigkeit schnell bewegt. Schall- und Ultraschallwellen, die durch die Flüssigkeit dringen, erzeugen ebenfalls Bereiche mit niedrigem Druck, was zu Kavitation führt. Kavitationsblasen leben nur für sehr kurze Zeit. Mit großer Geschwindigkeit, im Bruchteil einer Sekunde, kollabieren sie. Dieser Zusammenbruch erzeugt wie eine Explosion eine Schockwelle. Lass es nur Mikroexplosionen sein. In kurzen Augenblicken sind es Hunderte, Tausende davon. Sie überlappen einander und vervielfachen ihre Stärke. An verschiedenen Stellen der Flüssigkeit steigt die Temperatur schlagartig auf Tausende von Grad, der Druck auf viele Dutzend Atmosphären. Die Blasen können die dünnsten Stachelstrahlen haben, die auf einer harten Oberfläche wie ein kumulatives Projektil wirken, das die Panzerung zerstört! Hierher kommen die unglaublichen Kräfte schwereloser Blasen. Leider sind diese Kräfte meist destruktiv. Nur in wenigen Fällen beginnen sie heute sinnvoll zu wirken – sie reinigen beispielsweise die Oberfläche von Teilen, helfen dabei, das natürliche Muster von Finishing-Steinen sichtbar zu machen, und mischen „unverträgliche“ Flüssigkeiten wie Benzin und Wasser. Um schädliche, zerstörerische Kavitation besser zu bekämpfen und sie besser für das Gute zu nutzen, gibt es nur einen Weg – tiefer in ihre Geheimnisse einzudringen. Was ist der Unterschied zwischen einer Kavitationsblase und einer normalen? Was ist drinnen los? Welche Gesetze regeln darin die Energieumwandlung? Wenn Wissenschaftler heute die Antworten auf diese Fragen wüssten, würden morgen ultraschnelle Schiffe Wirklichkeit werden. Doch bisher gibt es nur zahlreiche, argumentierende Hypothesen. Und deshalb ist der Ingenieur nicht in der Lage, eine neue Struktur oder Maschine, in der er die Kavitationskräfte nutzen möchte, mit der erforderlichen Genauigkeit zu berechnen. Wie unzureichend das Wissen über dieses Phänomen bisher ist, zeigt ein solches Beispiel. Vor fast einem halben Jahrhundert wurde die Sonolumineszenz entdeckt – das Leuchten von Flüssigkeiten unter Einwirkung von Ultraschall sowie sonochemische Reaktionen, die nur dann ablaufen, wenn Reagenzien mit Schall bestrahlt werden. Beide Phänomene sind sehr energieintensiv und können nur durch Kavitation verursacht werden. Die Effekte sind zu einer Art Test für Kavitation geworden. Ihr Mechanismus und ihre Natur sind jedoch immer noch ein Rätsel. Warum ist Kavitation so unzugänglich? Welche Hindernisse stehen seinen Geheimnissen im Weg? Um sich die stattfindenden Transformationen C mit einer Kavitationsblase klarer vorstellen zu können, muss man zunächst sorgfältig verfolgen, wie sie in allen Phasen ihres Lebens entsteht, sich bewegt, verschwindet, kurz gesagt. Die Kavitationsblase ist zu einer der Hauptfiguren von Wissenschaftsfilmen geworden. In Dutzenden Laboren auf der ganzen Welt wurde es auf unzähligen Metern Film gefilmt. Aber leider können selbst Ultrahochgeschwindigkeitsfilme nicht mit den Momenten seines Lebens Schritt halten. Unser Filmheld lebt nur Hunderttausendstel oder sogar Millionstel einer Sekunde! Wir müssen auch berücksichtigen: Die Größe der Blasen beträgt Hundertstel, Tausendstel Millimeter. Schließlich besteht Kavitation nicht aus einer oder gar tausend Blasen, die in einem Augenblick entstehen. In einem Kubikzentimeter des sogenannten Kavitationsfeldes pulsieren etwa eine Milliarde von ihnen gleichzeitig! Es ist kein Zufall, dass einer der ersten Helden des holographischen Kinos, sobald er in einer experimentellen Laborversion erschien, wieder zu einer Kavitationsblase wurde ... Und die Geheimnisse ließen nicht nach. Igel in einem Reagenzglas In der Wissenschaft passiert es oft so: Um ein komplexes Problem zu lösen, mit dem die besten Köpfe, bewaffnet mit modernster Technologie, seit vielen Jahren kämpfen, fehlt eine sehr einfache Idee, eine elementare, fast schulische Erfahrung. Im Hinblick auf das Problem der Kavitation war dieser vielleicht entscheidende Schritt glücklicherweise von Wissenschaftlern aus dem Bereich der chemischen Physik des All-Union Scientific Research Institute of Organic Synthesis unternommen worden. Während sich einige Forscher auf immer fortschrittlichere Geräte und neueste Methoden zur Lösung ungewöhnlich komplexer Systeme von Differentialgleichungen der Blasenbewegung verließen, suchten VNIIOS-Spezialisten nach einer nicht frontalen Workaround-Lösung. Was war ihr beabsichtigtes Manöver? Sie argumentierten so etwas. Das deutliche Erkennen der Kavitationsblasen verhindert, dass sie dürftig sind und eine extrem kurze Lebensdauer haben. Sie hängt von der Frequenz der Schwingungen ab, die Kavitation anregen. Wenn Forscher in der Lage wären, Kavitation beispielsweise bei Frequenzen von 10–100 Hz zu erreichen, könnten die Blasen Berechnungen zufolge Zehntelsekunden leben und eine Größe von bis zu einem Zentimeter haben. Dann würden wir unseren Filmhelden ganz aus der Nähe sehen. Ist diese einfache Idee noch nie jemandem in den Sinn gekommen? Natürlich kam sie. Es gab viele Versuche. Auf dem Schreibtisch des Leiters des Sektors, M.A. Margulis, lag ein Artikel mit den Ergebnissen der letzten von amerikanischen Forschern erstellten Untersuchungen. Und daran ist nichts Tröstliches. Wieder einmal wurde die übliche Sichtweise bestätigt: Kavitation ist ein Schwellenphänomen, das heißt, sie tritt ab einer bestimmten Frequenz auf, und diese Frequenz wird leider in Kilohertz berechnet ... Und doch zwang uns etwas, ein bewusst erfolgloses Erlebnis zu reproduzieren. Ausgelöst wurde dies durch gute Wut über ein hartnäckiges Problem sowie forschende Leidenschaft, Ausdauer und Intuition.
Für die Amerikaner war es nicht schwierig, das Experiment durchzuführen. Das Schema war einfach: Ein oszillierender Stab wird in ein Gefäß mit einer Flüssigkeit abgesenkt, und das Spektrometer muss bei Auftreten von Kavitation das Leuchten registrieren. Sie haben alles richtig gemacht – nichts wie Kavitation. Sie versuchten, die Amplitude der Schwingungen des Stabes zu erhöhen – die Erregung werde intensiver, heißt es. Das hochempfindliche Spektrometer ist „still“. Es brodelt, die Turbulenzen in der Flüssigkeit nehmen zu, aber es findet keine Dehnung statt. Die Flüssigkeit ist gewissermaßen zu elastisch, sie wirbelt zwar, schafft es aber trotzdem, einen langsam schwingenden Stab zu umströmen. Aber es ist notwendig, dass sie die Vibrationen des Stabes so wahrnimmt, als wären es Schläge. Wie erreicht man das? Es genügte, die Umströmung des Schwingstabes auszuschließen, und es wurde niederfrequente Kavitation entdeckt Das neue Experiment wurde mit Geräten aufgebaut, die wahrscheinlich sogar in einem Physikunterricht in einer Schule zu finden sind: ein Reagenzglas, ein Stativ, ein aus Plexiglas geschnitzter Stab, ein 25-Watt-Lautsprecher, ein alter Röhrenverstärker ... Die einzige Feinheit: Ein oszillierender Stab in Form eines Kolbens wurde so hergestellt, dass der Abstand zu den Wänden des Reagenzglases nur einen Zehntel Millimeter betrug. In diesem Fall konnte die Flüssigkeit den Stab nicht mehr so leicht umströmen wie zuvor. Der Tongenerator wird mit einer Frequenz von 90 Hz eingeschaltet. Über das, was als nächstes geschah, sagt M. A. Margulis: Eine Minute lang bemerkten wir nichts Ungewöhnliches. Dann erschienen in einem kleinen Bereich nahe der Wand des mit Flüssigkeit gefüllten Reagenzglases kleine kugelförmige Blasen unter dem oszillierenden Kolben. Ihre Zahl wuchs schnell. Sie bildeten einen großen Klumpen, der äußerlich einem Igel ähnelte. Dieser Igel pulsierte sichtbar. Wir haben die Frequenz schrittweise erhöht. Bei 200 Hz und mehr war es möglich, zwei oder noch mehr außergewöhnliche Igel zu erschaffen. Sie wurden in verschiedenen Teilen des Reagenzglases geboren. Von Zeit zu Zeit stürzten sie aufeinander zu, verschmolzen und zerstreuten sich sofort krachend. Es war sofort klar, dass Igel nicht wie Konglomerate – Ansammlungen einzelner pulsierender Blasen – aussahen, sondern große, bizarr geformte Blasen waren ... Aber nicht jeder hatte Zeit, es mit bloßem Auge zu erfassen. Die Wissenschaftler nutzten ihr übliches Werkzeug – Hochgeschwindigkeitsfilmen. Sie haben das Filmmaterial abgespielt, aber ... sie haben keine Igel gefunden. Vorsprünge, ziemlich dicke Anhängsel, kompliziert gebogene Tentakel, die aus dem Körper einer großen Blase geschossen zu sein schienen, ähnelten überhaupt nicht den Nadeln eines hübschen Waldbewohners. Und Wissenschaftler gaben dieser ungewöhnlichen Kreation einen prosaischeren Namen – eine große deformierte Blase (abgekürzt als BDP). Auf dem Bildschirm konnte man sehen, wie kleine transparente Blasen in Kugelform von der BJP abgerissen wurden und dann zurückflossen. Was war das? Kavitation, die Temperaturen von tausend Grad und enorme Drücke erzeugt? Oder vielleicht ein neues, erstmals beobachtetes Phänomen? Um dies zu überprüfen, gibt es, wie wir bereits wissen, spezielle Tests, eine Art Lackmuspapier, das Kavitation erkennt – schallchemische Reaktionen und das Leuchten von Flüssigkeiten. Barrieren abbauen Im allerersten Testexperiment löste ein niederfrequenter Schall leicht eine Kettenreaktion der Umwandlung von Maleinsäure in Fumarsäure aus. Es blieben immer noch Zweifel – obwohl diese Reaktion unter Chemikern als komplex und kapriziös gilt, erfordert sie relativ wenig Energie, um sie in Gang zu setzen. Doch als sich Eiseneisen im Laborreagenzglas in dreiwertiges Eisen verwandelte, als Wassermoleküle darin zu spalten begannen, wie Nüsse unter einem Hammerschlag, konnte es keine zwei Meinungen mehr geben – echte Kavitation war erregt. Den Forschern selbst fiel es zunächst schwer, ihre eigenen Ergebnisse zu glauben. Mehrere Untersuchungen bestätigten jedoch, dass sonochemische Reaktionen bereits bei einer Schallfrequenz von 7 Hz durchgeführt werden können, und einige Lösungen begannen bereits bei 30 Hz zu glühen. Wir sprechen von einer Entdeckung, die man als heiß bezeichnen kann. Die Forschung zur niederfrequenten Kavitation hat gerade erst begonnen. Sie bringen jedoch bereits in den ersten Tagen interessante Ergebnisse. Sobald Wissenschaftler beispielsweise die BJP mit eigenen Augen sahen und sicherstellten, dass sie kavitierten, brach eine der maßgeblichsten Kavitationstheorien zusammen. Es wurde angenommen, dass auf der Oberfläche der entstehenden Kavitationsblase entgegengesetzte Ladungen entstehen. In einem bestimmten Moment kommt es zu einem elektronischen Zusammenbruch. Daher - eine große Energiefreisetzung, Lumineszenz, Auslösung der schwierigsten chemischen Reaktionen. Die einzige Voraussetzung für einen solchen Ablauf ist, dass die Kavitationsblase ... eine einwandfrei regelmäßige Linsenform haben muss. Wie wir wissen, sahen die Forscher auf dem Bildschirm eher eine phantastisch geformte Pflanze. „Bekam“ nicht nur elektrische, sondern auch eine andere – die thermische Theorie der Kavitation. Sie sagte: Bei der schnellen Kompression und dem Zusammenbruch der Kavitationsblase wird das Dampf-Gas-Gemisch auf Temperaturen von tausend Grad erhitzt. Gleichzeitig beginnt es auf natürliche Weise zu leuchten wie der Glühfaden einer gewöhnlichen Glühbirne, und die Plasmatemperatur spaltet die Moleküle und löst die unglaublichsten chemischen Reaktionen aus. Als Ergebnis gründlichster Forschung wurde jedoch nun festgestellt, dass Sonolumineszenz das gleiche kalte Leuchten ist wie das Flackern von Glühwürmchen in der Nacht. Fast jedes neue Experiment zeigte die bereits bekannte Kavitation von einer unerwarteten Seite und offenbarte ihre außergewöhnlichen Fähigkeiten. Nehmen wir an, die zerstörerische Kraft der Hochfrequenzkavitation war allgemein bekannt. Innerhalb weniger Minuten könnte es die glatte Oberfläche von Metallen in eine raue verwandeln und ziemlich große Partikel absplittern. Die niederfrequente Kavitation hingegen erwies sich als dünnes und empfindliches Werkzeug. Es fiel ihr nicht schwer, die raueste Oberfläche zu glätten, zu polieren und dabei nur mikroskopisch kleine Metallpartikel herauszuschneiden. Kavitation Niederfrequenzkavitation stellt leicht und schnell Emulsionen aus Flüssigkeiten her, die unter normalen Bedingungen nicht mischbar sind, zerkleinert feste Körnchen, die in eine Flüssigkeit eingetaucht sind, löst die energieintensivsten chemischen Reaktionen aus ... Natürlich kann Ultraschall-Hochfrequenzkavitation all dies tun. Aber um es zu schaffen, braucht man, wie Sie wissen, spezielle Ausrüstung, Generatoren. Verbinden Sie nun die Schwingungsquelle mit dem Netzwerk, das das Heimradio speist, und schon stehen Ihnen alle nützlichen Fähigkeiten der Kavitation zur Verfügung. Beispielsweise ist es erforderlich, in einem chemischen Reaktor mit einem Fassungsvermögen von mehreren Eisenbahntanks Stoffe mit größter Sorgfalt und Geschwindigkeit zu mischen. Diese Aufgabe ist die häufigste und häufigste in der chemischen, pharmazeutischen und mikrobiologischen Industrie. Die traditionelle Lösung: Als Rührer nehmen sie so etwas wie einen Propeller oder eine Schnecke, hergestellt aus den teuersten, chemisch beständigsten Legierungen. Und Sie können eine einfache Schwingungsquelle in den Reaktor einbauen und sie an den Ausgang eines herkömmlichen Netzwerks anschließen – der Effekt wird den Berechnungen zufolge noch besser sein. Es ist unwahrscheinlich, dass irgendjemand heute in der Lage sein wird, die verschiedenen praktischen Anwendungen der „zweiten“ Entdeckung der Kavitation vorherzusagen. Bisher ebnet es nur den Weg für ein tieferes Verständnis dieses höchst interessanten Phänomens und überwindet die Barrieren, die den Forschern seit vielen Jahrzehnten im Weg standen. Es steht noch bevor, den wahren Mechanismus der Kavitation zu verstehen, wie und wo ihre außergewöhnlichen Kräfte entstehen. Und dahinter stecken, wie immer in der Wissenschaft, neue Möglichkeiten für einen Ingenieur, Designer, Technologen, die heute nicht mehr vorhersehbar sind. Autor: L. Galamaga
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