Ein tiefer Einblick in die Beziehung zwischen Kohäsion und Erosion

Erdrutsche sind ein markantes Beispiel für Erosion. Wenn die Bindungen, die Schmutz- und Gesteinspartikel zusammenhalten, von einer Kraft – oft in Form von Wasser – überwältigt werden, die ausreicht, um das Gestein und die Erde auseinander zu ziehen, bricht dieselbe Kraft die Bindungen mit anderen Gesteinen und der Erde, die sie an Ort und Stelle halten. Eine andere Art der Erosion beinhaltet die Verwendung eines kleinen Luftstrahls, um Staub von einer Oberfläche zu entfernen. Wenn die Kraft der turbulenten Luft stark genug ist, um die Bindungen aufzubrechen, die die einzelnen Staubpartikel oder Körner zusammenhalten, und sie an der Oberfläche haften zu lassen, ist das auch Erosion.

In der pharmazeutischen Industrie ist die Kohäsions-/Erosionsdynamik immens wichtig, um Pulver erfolgreich zu Arzneimitteln zu verarbeiten. Sie spielen auch in einem anderen, ziemlich weit entfernten Beispiel eine Schlüsselrolle: der Landung eines Raumfahrzeugs auf einer Oberfläche wie dem Mond. Wenn sich das Raumfahrzeug absenkt, bewirkt das Abgas seiner Motoren, dass das körnige Material auf der Oberfläche erodiert und transportiert wird. Das verdrängte Material bildet einen Krater, der die richtigen Abmessungen haben muss; zu eng oder zu tief, und das Raumschiff kippt um.

Wir treffen oft auf geteilte Materialien, die aus kleinen Partikeln bestehen – denken Sie an Sand am Strand, Erde, Schnee und Staub – die von mehr als nur Reibungskräften beeinflusst werden können und einige zusätzliche Kohäsionskräfte mit ihren Nachbarn teilen. Kohäsion wirkt zwar nur zwischen einem Teilchen und seinen unmittelbaren Nachbarn, erzeugt aber auch makroskopische Effekte; zum Beispiel, indem geteilte Materialstücke dazu gebracht werden, sich zu aggregieren und dem Verbundstoff zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Die Kohäsion bewirkt, dass Pulver wie Mehl verklumpen und ermöglicht es uns, Burgen am Strand zu bauen, indem wir trockenem Sand eine kleine Menge Wasser hinzufügen.

Alban Sauret, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau der UC Santa Barbara, interessiert sich sehr für diese Prozesse. Veröffentlicht in der Zeitschrift Flüssigkeiten zur körperlichen Überprüfung, seine Gruppe, einschließlich des ersten Jahres Ph.D. Student Ram Sharma und Kollegen in Frankreich stellen neue Forschungsergebnisse vor, die untersuchen, wie die Kohäsion zwischen Partikeln den Beginn der Erosion beeinflussen kann. Mit einer kürzlich entwickelten Technik, die es ihnen ermöglicht, die Kohäsion zwischen Modellkörnern zu kontrollieren, und anschließenden Experimenten, bei denen sie einen Luftstrahl zum Verschieben der Körner verwendeten, konnten sie ein besseres Verständnis der Kohäsion gewinnen, die Partikel zusammenhält. Erosion, die dazu führt, dass sie sich trennen; und Transport, bei dem es darum geht, wie weit die verdrängten Partikel dann reisen.

Die Forschung bietet einen Ansatz zur Quantifizierung, wie das Ausmaß der Kohäsion die Menge an lokaler Spannung verändert, die erforderlich ist, um die Erosion einzuleiten. Dieses Verständnis könnte beispielsweise im Tiefbau genutzt werden, um die Festigkeit und Stabilität des Bodens in einem Gebiet zu messen, in dem Bauarbeiten geplant sind. Aber die Forscher hoffen auch, dass ihr Modell empirische Beweise für eine physikalische Theorie der Erosion liefern wird, die Kohäsion beinhaltet und für ein breites Anwendungsspektrum relevant ist, von der Entfernung von Staub von Solarmodulen (Staub kann die Energieerzeugung um bis zu 40 % reduzieren). Raketen auf anderen Planeten zu landen.

Bei Vorhandensein äußerer Kräfte, wie z. B. durch Wind oder Wasser, kann die Kohäsion zwischen Partikeln überwunden werden. Der Beginn der Erosion bezieht sich auf den Punkt, an dem die von Fluid oder Luft ausgeübte Widerstandskraft dazu führt, dass Partikel den Kontakt mit dem körnigen Bett verlieren und sowohl voneinander als Nachbarn als auch von der Oberfläche, an der sie haften, getrennt werden. Dies entspricht unserem ziemlich elementaren, aktuellen Verständnis von Erosion: Wenn lokale externe Kräfte auf ein Partikel größer sind als die Kräfte, die es an Ort und Stelle halten, erodiert es – eine andere Art zu sagen, dass es verschoben wird.

Wenn Flüssigkeiten oder Luft größere Spannungen ausüben, indem sie sich beispielsweise schnell genug bewegen, um turbulente Strömungen zu werden, können sie eine stärkere Erosion verursachen. Ein überaus breites Spektrum turbulenter Strömungskonfigurationen, die auf ein ebenso breites Spektrum von Materialien einwirken, führt zu der Erosion, die wir auf der Makroebene in Form von riesigen Schluchten sehen, die über Äonen von turbulenten Flüssen und gigantischen Sanddünen geformt wurden durch turbulente Luftströmungen. Angesichts der Tatsache, dass Erosion den Sedimentzyklus antreibt und die Erdoberfläche ständig umgestaltet, ist das aktuelle Verständnis der Erosionskräfte überraschenderweise nicht ausreichend, um die reiche Vielfalt der resultierenden Landformen zu erklären.

Während die Erosion von nicht kohäsiven Körnern zufriedenstellend vorhergesagt werden kann, ist das Zusammenspiel zwischen turbulenten Strömungen und Erosion bei Vorhandensein von interpartikulärer Kohäsion nicht gut erforscht. Aber es verdient eine Untersuchung, sagt Sauret, denn „Kohäsion ist überall! Wenn Sie etwas so Einfaches modellieren, wie zum Beispiel, wie man eine Oberfläche reinigt, und Ihr Modell die Kohäsion nicht korrekt berücksichtigt, werden Sie wahrscheinlich einen falschen Ansatz wählen – und haben trotzdem eine schmutzige Oberfläche.“

Um den Zusammenhalt zwischen Partikeln zu kontrollieren, brachten die Forscher eine Polymerbeschichtung auf identische Glaskugeln (analog zu Partikeln) mit einem Durchmesser von 0,8 Millimeter auf. Die Dicke der Beschichtung könnte erhöht oder verringert werden, um genau die Kohäsion zu erhöhen oder zu verringern. Die turbulente Strömung wird durch einen variablen Luftstrahl modelliert, der auf das Granulatbett gerichtet ist.

Die Experimente ermöglichten es dem Team, ein Skalierungsgesetz für die Schwelle zu bestimmen, bei der die Erosion die Kohäsion zwischen den Partikeln überwindet, unabhängig von den Besonderheiten des Systems, wie z. B. der Partikelgröße. Durch die Quantifizierung der Beziehung zwischen diesen beiden Kräften stellt die Forschung eine Technik vor, mit der die Erosionsschwelle für unterschiedliche Korngrößen vorhergesagt werden kann.

Die Ergebnisse dieser Studie, sagt Sauret, können am direktesten auf den Prozess der Entfernung kohäsiver Sedimente wie Staub und Schnee von Oberflächen wie Sonnenkollektoren angewendet werden.