Warum sich Blasen in viskoelastischen Flüssigkeiten schneller bewegen

Warum steigen große Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten (wie Polymer- und Proteinlösungen) so viel schneller auf als erwartet? Eine offene Frage mit großer Relevanz für industrielle Produktionsprozesse. Forscher der TU Graz und der TU Darmstadt haben nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein in Fachkreisen längst bekanntes und in vielen industriellen Produktionsprozessen hochaktuelles Rätsel: ein Sprungsprung in der Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen in sogenannten viskoelastischen Flüssigkeiten. Viskoelastische Fluide sind Stoffe, die Eigenschaften von flüssigen und elastischen Stoffen in sich vereinen. Viele Haarshampoos sind ein Beispiel dafür. Wenn Sie eine durchsichtige, fast vollständig gefüllte Shampooflasche auf den Kopf stellen, sehen Sie die eingeschlossene Luft als Blase in ungewöhnlicher Form aufsteigen. Solche Flüssigkeiten fallen in vielen industriellen Prozessen als Lösungen von Polymeren an und müssen oft durch Begasung mit Sauerstoff angereichert werden. „Seit etwa 60 Jahren wissen wir, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei einem kritischen Blasendurchmesser sprunghaft ansteigt. Die Geschwindigkeit der Blasen kann dann plötzlich bis zu zehnmal höher werden. Das spielt eine grundlegende Rolle bei der Kontrolle Ausgasen dieser Flüssigkeiten. Gleichzeitig war unklar, wodurch dieser plötzliche Geschwindigkeitsanstieg verursacht wurde“, erklärt Günter Brenn vom Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz.

Mit einer Kombination aus Simulation, Experiment und theoretischer Analyse haben die Teams von Günter Brenn von der TU Graz und Dieter Bothe von der TU Darmstadt das Rätsel nun gemeinsam gelöst. Sie fanden heraus, dass die Wechselwirkung der Polymermoleküle mit der Umströmung der Gasblasen zu einem merkwürdigen Geschwindigkeitsverhalten der Blasen führt. Mit diesem Wissen lässt sich der Sauerstoffeintrag in diese Lösungen nun genauer vorhersagen, wodurch beispielsweise Anlagen in der Biotechnologie, der Verfahrenstechnik und der pharmazeutischen Industrie besser ausgelegt werden können. Ihre Ergebnisse erläutern die Forscher derzeit im Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

‚Entspannter‘ Zustand bevorzugt

Polymere bestehen oft aus riesigen Molekülen, die auf komplexe Weise mit der Flüssigkeit, in der sie gelöst sind, interagieren. Diese Wechselwirkung macht eine Flüssigkeit viskoelastisch. Was verursacht den Geschwindigkeitssprung, den Gasblasen in diesen Flüssigkeiten ab dem kritischen Durchmesser zeigen? Günter Brenn erläutert die neuesten Erkenntnisse: „Durch die Umströmung der Blase dehnen sich die gelösten Polymermoleküle. Diesen Zustand mögen die Moleküle nicht besonders. Sie wollen so schnell wie möglich wieder in den entspannten, ungedehnten Zustand zurückkehren.“ Wenn diese Rückkehr in den entspannten Zustand schneller ist als der Transport der Moleküle zum Äquator der Blase, dann bleibt die Blase langsam. Dauert die Rückkehr in den entspannten Zustand dagegen länger als die Reise zum Äquator der Bläschen, dann löst sich in der Flüssigkeit eine Spannung, die die Bläschen „anschiebt“. Dies führt zu einer Selbstverstärkung, da sich nachfolgende Polymermoleküle unterhalb des Äquators positionieren und entspannen, ihre elastische Energie entladen und eine „Vortriebskraft“ freisetzen.

Neben der hohen Praxisrelevanz dieser Erkenntnis, insbesondere für die oben genannten Anwendungsgebiete, ergeben sich auch Konsequenzen in der Grundlagenforschung. „Es stellte sich heraus, dass diesem von uns aufgezeigten molekularen Mechanismus eine weitere überraschende Eigenschaft des Strömungsfeldes dieser Lösungen zugeordnet werden kann: nämlich der sogenannte ‚negative Nachlauf‘ der Gasblase“, sagt Dieter Bothe aus der Arbeitsgruppe Analytik der der Fakultät für Mathematik der TU Darmstadt. Dies ist ein Bereich im Strömungsfeld unterhalb der Blase, wo das Fluid normalerweise der Blase mit niedriger Geschwindigkeit „folgt“. Bei polymeren Flüssigkeiten ist es jedoch umgekehrt: Dort ist die Bewegung der Flüssigkeit entgegengesetzt zur Bewegung der Blase orientiert. Diese fließende Bewegung wird durch die gleiche Spannung verursacht, die die Blase „drückt“. Dieses Verständnis kann zu Möglichkeiten zur Steuerung von Strömungsvorgängen führen.