Über die Sonofusion durch Ultraschall
Die Sonofusion
20. August 2005
Sie wissen, wie ein Flugzeug fliegt, nehme ich an. Falls nicht, lesen Sie "Wenn wir fliegen könnten?", auch bekannt als "Der Aspirisouffle". Auf der Oberseite der Flügel entsteht ein Unterdruck, das sogenannte "Oberflügelprofil".
Flugzeugflügel
Wie groß ist ungefähr dieser Unterdruck auf der Oberfläche des Flügels? Nehmen wir ein kleines Flugzeug für den Tourismus, ein Platz, einflügig. Angenommen, seine Nutzlast beträgt 300 Kilogramm und die Flügelfläche 18 Quadratmeter. Das ergibt eine Flächenbelastung von 16 Kilogramm pro Quadratmeter, also 1,6 Gramm pro Quadratzentimeter. Da der atmosphärische Druck am Boden etwa 1000 Gramm pro Quadratzentimeter beträgt, liegt die mittlere Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Flügels bei einigen Millibar. Das erklärt, warum man mit segelflugzeugartigen Flugzeugen fliegen kann, und warum es nicht ratsam ist, außerhalb der dafür vorgesehenen Bereiche auf den Flügel zu treten – sonst würde man durchbrechen.
Was ist in Wasser? Es ist tausendmal dichter als Luft. Bei gleicher Geschwindigkeit kann man also mit viel kleineren "Flügeln" "im Wasser fliegen". Diese nennt man "Flossen".
Flügel und Flossen
Wenn wir uns auf so kleine Flächen stützen können, liegt das daran, dass die Druckunterschiede viel größer sind. Stellen wir uns vor, diese Flossen bewegen sich sehr nahe an der Flüssigkeitsoberfläche, also in einem Medium, dessen Umgebungsdruck nahe bei einem Kilogramm pro Quadratzentimeter liegt. Das Boot rechts stützt sich auf viel größere Druckunterschiede als die, die man um den Querschnitt eines Flugzeugflügels misst. Deshalb sind Flossen nicht mit Segeltuch bespannt, sondern aus festem, gutem Stahl gefertigt.
Warum entsteht eigentlich ein Unterdruck auf der Oberseite des Flügels? In Wasser ist das leichter verständlich. Die Flüssigkeitsmasse trifft am Anströmungspunkt auf den Profilquerschnitt und beschleunigt sich dann wieder. Dabei erhält sie eine Überschallgeschwindigkeit und erfährt zudem die Wirkung der Zentrifugalkraft.
Was geschieht, wenn eine Flüssigkeit einem Unterdruck ausgesetzt wird? Das können wir mit einem Zylinder und einem Kolben erreichen. Wenn wir den Kolben ziehen und den Druck in der Flüssigkeit auf einen Wert unterhalb des Sättigungsdampfdrucks bei der jeweiligen Temperatur senken, entstehen kleine Blasen. Diese haben nichts mit den Blasen im Champagner zu tun, die auf gelöste Gase im Getränk hinweisen. Diese Blasen sind stattdessen mit Wasserdampf gefüllt. Dies ist das Phänomen der Kavitation.
Phänomen der Kavitation
Hier eine Fotografie des Phänomens, hervorgerufen in einem Zylinder.
Kavitationsblasen
1917 bat die britische Admiralität den Physiker William Strutt, genannt Lord Raleigh, um Rat bei einem seltsamen Problem. Die Bronzepropeller der Schiffe Ihrer Majestät waren alle beschädigt, übersät mit kleinen Löchern, obwohl sie fast neu waren. Die Admirale fragten sich, ob das Meer Parasiten beherbergen könnte, die sich an den Metallpropellern festsetzen könnten. Nachfolgend eine aktuellere Fotografie, die die Schäden zeigt, die das Kavitationsphänomen an den Schaufeln einer Zentrifugalpumpe verursachen kann.
Schäden durch Kavitation an einer Zentrifugalpumpe. Ziemlich beeindruckend, nicht wahr?
Hier eine vergrößerte Aufnahme, die die "Einstiche" im Metall zeigt.
Schäden durch Kavitation an einer Bronzeblatt.
Im Gegensatz zu der ursprünglichen Annahme der britischen Admirale handelte es sich nicht um eine bisher unbekannte Art von Wasserwespen. Lord Raleigh führte einige Berechnungen durch und gab die Erklärung. Auf den Schaufeln der Propeller waren die entstehenden Unterdrücke so stark, dass der lokale Druck unter den Sättigungsdampfdruck des Wassers sank. Das Wasser kochte also lokal. Ein kleiner Punkt: Wie groß ist der Sättigungsdampfdruck des Wassers bei Raumtemperatur?
Antwort: einige Pascal, also ein Hundertstel Millibar. Die Unterdrücke, die sich um die Schaufeln in der Hydraulik bilden, sind extrem stark. Deshalb können wir mit einem so winzigen Objekt wie einer Propeller ein Außenbordmotorboot voranbringen. Hier eine rotierende Propellerschaufel. Der Pfeil zeigt die Anwesenheit von Wasserdampfblasen an, die dem Kavitationsphänomen entsprechen.
Kavitation in der Nähe der Anströmkante einer rotierenden Propellerschaufel.
Man erkennt einen dünnen Strahl von Wasserdampfblasen, die an der Kante der Schaufel entstehen. Doch ihre Entstehung hat eine andere Ursache. Sie resultiert aus dem Randwirbel und ähnelt daher den Kondensstreifen, die an den Flügelspitzen von Flugzeugen entstehen. Dieses Phänomen besprechen wir hier nicht. Betrachten wir nun die Druckverteilung entlang der Oberseite einer Propellerschaufel:
Druckverlauf entlang der Oberseite einer Propellerschaufel
Die Kurve ist nur schematisch. Man sieht, dass der Druck entlang der Profilsehne schnell abfällt. Sobald er unter den Sättigungsdampfdruck des Flüssigkeits (Wassers) sinkt, entstehen Blasen, die weiter wachsen, je weiter der Druck weiter sinkt. Selbst wenn der Rest des Profils gegenüber dem Umgebungsdruck weiterhin unter Druck steht, steigt der Druck schließlich wieder an und wird erneut höher als der Sättigungsdampfdruck im Wasser. Dann neigt der Wasserdampf dazu, zu verschwinden, was man auf der Fotografie sieht.
Alle wissen, dass in der Fluiddynamik die Entspannungsphänomene nicht gleichartig ablaufen wie die Kompressionsphänomene (oder Re-Kompressionsphänomene). Wenn der Druck zunimmt, verhält sich die Wand der Blase wie ein sphärischer Kolben, der auf ein Gas wirkt, wobei der Wasserdampf konkurriert. Wenn die Implosionsgeschwindigkeit der Blase höher ist als die Schallgeschwindigkeit im Dampf (und das ist der Fall), entsteht eine sphärische Schockwelle, die sich zum geometrischen Zentrum des Objekts hin konvergiert und dabei eine beträchtliche Energie mitnimmt – genug, um diese "Einstiche" im Metall der Schaufel zu erzeugen und schließlich Schäden von der Art zu verursachen, die wir oben an den Schaufeln der Pumpe gesehen haben.
Erklärung der Schäden durch das Kavitationsphänomen.
Man kennt die sogenannten "Hohlkugel-Systeme". Dabei wird ein Sprengstoff über die gesamte Oberfläche einer konischen Wand gezündet (unter Verwendung eines Sprengstoffs mit sehr hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit). Die Oberfläche des Kegels emittiert dann eine sehr intensive Schockwelle, deren Energie entlang der Achse des Systems fokussiert wird. Dadurch entsteht ein "Dorn", der einen Stahlpanzer durchdringen kann, dessen Dicke der Größe des Kegels entspricht (allerdings hinterlässt der Dorn ein Loch von viel kleinerem Durchmesser). Die Implosion der Blase erinnert, wie mir Christophe Tardy bemerkte, an die Fokussierung der Energie, die durch eine sphärische Schockwelle transportiert wird. Wenn man Hohlkugeln konstruiert, die nicht konisch, sondern kugelförmig sind, könnte man die Energie im Zentrum dieser Kugel, am Brennpunkt, extrem konzentrieren. Genau das geschieht bei der Kavitation.
Wie bereits erwähnt, wurde das Phänomen der Kavitation 1917 entdeckt. 1930 gelang es, Ultraschall in ausreichender Intensität zu erzeugen. 1934 trat ein neues Phänomen an der Universität zu Köln auf, das die Physiker erstaunlich verwirrte. Wenn man eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, Ultraschall aussetzte, emittierte diese Flüssigkeit Licht. Diesem Phänomen wurde der Name Sonolumineszenz gegeben.
Zu diesem Zeitpunkt ...