Von Blut bis Papier:
Fundamentale Erkenntnis im Bereich der Partikelströmungen

Forscher aus Graz, Princeton und Zürich beobachten entscheidendes Phänomen in T-förmigen Abzweigungen

Alles fließt in der Strömungslehre: Ein Forscher der TU Graz ist in Zusammenarbeit mit Kollegen der Princeton University und der ETH Zürich auf ein bisher unentdecktes Phänomen im Strömungsverhalten von Partikeln gestoßen. Partikel, etwa Blutzellen, Gasbläschen oder Zellstoff-Fasern, häufen sich unter bestimmten Voraussetzungen in T-förmigen Abzweigungen an. Entscheidend sind Strömungsgeschwindigkeit, Partikeldichte und Partikelgröße. Mit der Beschreibung dieser Parameter können Partikelansammlungen an den T-förmigen Abzweigungen nicht nur verhindert, sondern künftig auch gezielt hervorgerufen werden –weitreichende Auswirkungen, beispielsweise für die Papierindustrie, könnten sich daraus ergeben. Das grundlegende Ergebnis wurde in der aktuellen Ausgabe des renommierten PNAS Journal veröffentlicht.

Von Blutgefäßen bis zu industriellen Großanlagen: T-förmige Abzweiger spielen als universelle geometrische Einheit in der Natur und technischen Anwendungen eine wichtige Rolle und sind beispielsweise in unseren Blutgefäßen zu finden. Stefan Radl vom Institut für Prozess- und Partikeltechnik der TU Graz hat gemeinsam mit der „Strömungsmechanik-Koryphäe“ Howard Stone von der University of Princeton und Daniele Vigolo von der ETH Zürich erstmals beobachtet, dass Partikel unter bestimmten Voraussetzungen in den T-Abzweigern „gefangen“ werden und sich ansammeln. „Wie so oft in der Forschung war die Beobachtung ein Zufall – wir hatten eigentlich einen anderen Aspekt der Partikelströmung im Fokus“, erklärt Stefan Radl. Die drei Forscher haben daraufhin in Simulationen und praktischen Experimenten untersucht, wann und warum die Partikel an der T-förmigen Weggabelung hängen bleiben. „Drei Faktoren spielen eine Rolle: die Strömungsgeschwindigkeit, die Partikeldichte und die Partikelgröße. Für alle drei Parameter konnten wir Grenzwerte theoretisch ableiten, und mit experimentellen Daten hinterlegen“, so Radl.

Partikel gezielt durchlassen oder „einfangen“

Das beobachtete Phänomen gilt als grundlegender Puzzlestein in der klassischen Strömungsmechanik und wurde vom angesehenen Fachjournal PNAS in der aktuellen Ausgabe publiziert. Mit den drei beschriebenen Parametern, die für das Durchkommen oder Hängenbleiben von Partikeln in T-Abzweigern ausschlaggebend sind, könnten sich Partikelansammlungen künftig gezielt vermeiden lassen. Praktisches Beispiel aus der Medizin: die Gasembolie. „Kommt ein Taucher zu schnell an die Wasseroberfläche, können sich Gasbläschen an den Abzweigungen im Blutgefäß ansammeln, es verstopfen und so zum Tod führen. Auch Gasbläschen verhalten sich wie Partikel, und mit unseren Beobachtungen lässt sich die Entstehung des Gasembolismus und die Vermeidung desselben nun besser erklären“, erläutert Stefan Radl. Aber nicht nur das: „In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, bestimmte Partikel gezielt aufzuhalten und aus einer Flüssigkeit herauszutrennen, beispielsweise in der Papierindustrie“, führt Radl weiter aus. Im Rahmen des FFG-Projekts „FLIPPR - Future Lignin and Pulp Processing Research” untersuchen Forscher vom Institut für Papier-, Zellstoff- und Fasertechnik und vom Institut für Prozess- und Partikeltechnik der TU Graz, gemeinsam mit Kollegen der Uni Graz und der BOKU, die Möglichkeiten der gezielten Partikelseparierung. Auch namhafte Partner aus der Papierindustrie unterstützen FLIPPR, und hoffen auf eine baldige Umsetzung der Forschungsergebnisse von Stefan Radl.

Die nächsten Schritte

Bislang haben die Forscher die Experimente zur Partikelströmung in T-Abzweigern in kleinem Maßstab durchgeführt, wo die Erdanziehungskraft noch keine Rolle spielt. „Nun gilt es, die Untersuchungen auf den nächsten Level zu heben und im größeren Maßstab zu wiederholen. In Zukunft wollen wir untersuchen, ob weitere Parameter das Strömungsverhalten der Partikel in Industrieanlagen beeinflussen“, gibt Stefan Radl einen Ausblick.

Zur Originalpublikation:
Daniele Vigolo, Stefan Radl, Howard A. Stone: Unexpected trapping of particles at a T junction. PNAS Early Edition, March 2014.

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