Das Problem von Turbulenzen
Der Friedhof der Physik
Befindet sich ein Windrad in einer turbulenten Situation, kann es unter Umständen beschädigt werden: Wissenschaftler*innen versuchen das Problem durch eine Instantonenlösung zu beheben.
Befindet sich ein Windrad in einer turbulenten Situation, kann es unter Umständen beschädigt werden: Wissenschaftler*innen versuchen das Problem durch eine Instantonenlösung zu beheben.

Vortrag. Der theoretische Physiker Professor Grauer klärte vergangenen Donnerstag in seinem Vortrag über die Definition und Probleme von Turbulenzen auf. Er möchte es möglich machen, dass mit einer Lösung alltägliche Schwierigkeiten besser überwunden werden können.

Ihr sitzt im Flugzeug und seid auf dem Weg in den wohlverdienten Urlaub. Dann kommt die Durchsage „Es werden Turbulenzen erwartet. Bitte begeben Sie sich auf Ihren Platz und schnallen Sie sich an.“ Das Flugzeug ruckelt einige Male und dann ist meistens auch schon alles vorbei. Solche Turbulenzen aus dem Alltag kennen die meisten. Doch was genau sind eigentlich Turbulenzen?
Prof. Grauer, theoretischer Physiker am Lehrstuhl Plasma-, Laser- und Atomphysik an der Ruhr-Universität Bochum, hielt dazu vergangenen Donnerstag im Blue Square den Vortrag „Turbulenz, wo ist das Problem?“. Zunächst einmal sei dieses Arbeitsfeld ein ungelöstes Problem der Physik. Deswegen konnten auf der Veranstaltung auch keine Lösungen dargestellt werden, sondern nur Lösungsansätze. Grauer erklärt, dass die Turbulenz der Friedhof der Physik sei: „Viele Leute beschäftigen sich damit über Jahre. Ich auch. Aber es sind keine Lösungen in Sicht.“ Dennoch gebe es neue Entwicklungen.

Was gehört zu Turbulenzen?

Zunächst müsse man bedenken, dass die Verteilungsfunktion weit weg von einer Gauß- oder Normalverteilung sei. Turbulenzen, die instabile Wirbel sind, seien in diesem Fall vollkommen untypisch. Wichtig sei auch die Energiekaskade: Der Bereich, in den man Energie hineinsteckt, heißt Produktionsbereich, die Energie wird dann umgeändert, was man Kaskade nennt, zu einem kleineren Bereich, den Dissipationsbereich. Die verschiedenen Energieraten müssten aber wegen der Energieerhaltung gleich sein. Nun könne man typische Längenskalen und Größen berechnen, durch die man abschätzen kann, wie viele Freiheitsgrade in einer turbulenten Strömung drin sind. Die Reynolds-Zahl gibt an, wie turbulent oder nicht-turbulent eine Strömung ist.
Die Kolmogorow-Theorie ermöglicht die Betrachtung der kleinsten Skala bei der Energiekaskade einer turbulenten Strömung: Es handelt sich um eine Gerade mit einer Steigung 1/3. Die Theorie nimmt an, dass die Längenskala für jede turbulente Strömung gleich sei. In der Praxis zeige sich, dass dies nicht der Fall sei. Die Gleichung beachte nicht die turbulenten Strömungsstärken. Das sei das Problem bei Turbulenzen. Man habe noch keine Gleichung oder Theorie, die alle Faktoren einschließt. „Die Singularitäten, die Wirbelröhren, Wirbelschichten sind ganz wichtig, um die Korrelationen in diesen Strömungen zu erzeugen“, so der Physiker. Es werde eine Verteilungsfunktion gesucht, die alle Gegebenheiten einschließt.

Instantonenlösung

Mit der Lösung dieses Problems könnte man zum Beispiel die Konstruktion von Windrädern verbessern. „Wenn ich weiß, wie eine Verteilungsfunktion aussieht, dann kann ich abschätzen wie ich das Windkraftwerk bauen muss“, meint Grauer. Auf diese Weise können stabilere und gegen Turbulenzen resistentere Windräder gebaut werden. „Man muss ganz verschiedene Methoden aus sehr verschiedenen Bereichen der Physik und Mathematik zum Lösen zusammenbringen“, erklärt der Professor. Am Institut ziehen Wissenschaftler*innen und Studierende zur Lösung zum Beispiel die Quantenmechanik und Pfadintegrale hinzu und verwenden dabei eine sogenannte Instantonenlösung.

:Maike Grabow

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