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Das wilde Innenleben kostet Energie

Turbulenzen in Rohrleitungen bremsen die Strömungen und erhöhen so den Energieverbrauch. Die gute Nachricht ist: Man kann sie mit anderen Turbulenzen bekämpfen.
Roland Knauer
Dank Rohrleitungen ist unser Alltag praktisch und angenehm. (Bild: Getty)

Dank Rohrleitungen ist unser Alltag praktisch und angenehm. (Bild: Getty)

Schnell ein Glas Wasser aus dem Hahn laufen lassen, die Heizung ein wenig wärmer drehen und ­einen leckeren Happen aus dem Kühlschrank holen: In der modernen Zivilisation funktioniert vieles nur, weil Flüssigkeiten und Gase durch Rohre strömen. Im Kühlschrank transportieren sie Wärme heraus und kühlen so das Innere, in der Heizung strömt die Wärme genau anders herum und bringt so die Räume auf höhere Temperaturen, während die Wasserleitung Trinkwasser liefert.

Antrieb verbraucht 10 Prozent des gesamten Stroms

Mehr als ein Zehntel des auf der Erde produzierten elektrischen Stroms treibt Flüssigkeiten und Gase durch Pipelines, Heizungsrohre, Kühlschläuche, Wasserleitungen und andere Systeme. Dieser enorme Energie­verbrauch könnte deutlich sinken, wenn in den Rohren weniger Turbulenzen die Strömungen bremsen würden.

Das wiederum klappt mit einem verblüffenden Prinzip, das Björn Hof vom Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg bei Wien, Marc Avila vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität ­Bremen sowie ihre Kollegen in ­ der Zeitschrift «Nature Physics» beschreiben. Sie bekämpfen Tur­bulenzen mit Turbulenzen und können so den Energieverbrauch bis zu 90 Prozent verringern.

Die Wirbel nehmen sich gegenseitig die Energie weg

«Dieses Prinzip haben wir bereits 2010 beobachtet», erinnert sich Marc Avila. Damals verfolgten die Forscher das Schicksal von zwei Bereichen mit Turbulenzen, die hintereinander in einer Strömung entstanden waren. Allerdings überlebte der vordere Bereich nicht lange und seine Turbulenzen verschwanden. Dieses Phänomen wirkt zunächst zwar recht geheimnisvoll, lässt sich aber einfach erklären: In einer Turbulenz fliessen die Wasserschichten nicht glatt nebeneinander her, sondern verwirbeln und mischen sich miteinander. Die dafür benötigte Energie holt sich die Turbulenz von der hinter ihr liegenden glatten Strömung ohne solche Wirbel. Gibt es auch dort Wirbel, fehlt der vorderen Turbulenz also schlicht die Energiequelle und die Wirbel fallen in sich zusammen.

Die Wirbel nehmen sich also gegenseitig die Energiequelle weg. Zumindest gilt das für langsame Strömungen. Passiert das aber auch bei schnellen Strömungen, bei denen sich im Rohr überall Turbulenzen bilden, die den Energieverbrauch kräftig in die Höhe treiben? Gemäss der Devise «Doppelt genäht hält besser» gehen die Forscher dieser Frage gleich auf zwei sehr unterschiedlichen Wegen nach. Zum einen berechnen sie die Verhältnisse mit Hilfe ausgeklügelter Formeln. Und zum anderen bauen sie im Labor zwölf Meter lange und gut fünf Zentimeter dicke Rohre auf, in denen sie diese theoretischen Ergebnisse in der Praxis testen.

Gleich am Anfang des Rohres sorgt eine Nadel für die nötigen Turbulenzen. Zwei Meter hinter dem Einfluss drehen sich dann vier Mini-Rotoren in einer Sekunde sieben Mal um ihre Achse und erzeugen dabei zusätzliche Wirbel. Diese zunächst stark turbulente Strömung beruhigt sich aber rasch und geht bald in einen glatten Strom über, in dem sich auch weiter stromabwärts keine neuen Wirbel bilden. Offensichtlich entziehen also auch in schnellen Strömungen zusätzliche Wirbel genug Energie, um die Turbulenzen in sich zusammenbrechen zu lassen.

«Bis zu einer breiten Anwendung dauert es noch»

Das gleiche Prinzip funktioniert auch in einem weiteren Laborexperiment, in dem durch 25 kleine Löcher mit einem Durchmesser von einem halben Millimeter dünne Wasserstrahlen in die turbulente Strömung im Rohr gespritzt werden. Diese Injektionen erzeugen Wasserwirbel und vergrössern die Turbulenz so. Aber erneut nehmen sich die Wirbel gegenseitig die Energie weg und die turbulente Strömung glättet sich rasch. Ähnliches geschieht, wenn die Forscher in die Strömung kleine Bauteilchen hängen: Wieder erzeugen diese zusätzliche Turbulenzen, die den bereits vorhandenen die Energie wegnehmen und so die Strömung weiter unten im Rohr beruhigen.

Offensichtlich funktioniert die Methode gut, mit Turbulenzen Turbulenzen zu glätten. Bisher aber sind die Experimente Grundlagenforschung im Labor. «Bis zu einer breiten Anwendung in der Technik dürften wohl noch einige Jahre vergehen», vermutet Marc Avila. In dieser Zeit sollten etwa die eingehängten Bauteilchen verbessert und typische ­Fragen von Praktikern geklärt werden: Wie haltbar sind solche Strukturen, wie lassen sie sich preiswert einbringen? Schliesslich sollen die neuen Heizungsrohre zwar Energie sparen, aber auch einige Jahrzehnte durchhalten und möglichst nicht viel mehr als herkömmliche Rohre kosten.

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