Wissenschaftler zeigen, dass elastische Turbulenzen mehr mit klassischen Newtonschen Turbulenzen gemeinsam haben als erwartet

Blut, Lymphflüssigkeit und andere biologische Flüssigkeiten können überraschende und manchmal beunruhigende Eigenschaften haben. Viele dieser biologischen Lösungen sind nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, also Flüssigkeiten, die durch eine nichtlineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung gekennzeichnet sind. Folglich verhalten sich nicht-Newtonsche Flüssigkeiten nicht unbedingt so, wie man es von einer Flüssigkeit erwarten würde. Einige dieser eigenartigen Flüssigkeiten verformen sich beispielsweise bei leichter Berührung, verhalten sich jedoch bei starker Krafteinwirkung fast wie ein Feststoff.

Und biologische Lösungen bilden da keine Ausnahme, wenn es um einzigartige Eigenschaften geht – eine davon ist die elastische Turbulenz. Ein Begriff, der die chaotische Flüssigkeitsbewegung beschreibt, die entsteht, wenn wässrigen Flüssigkeiten Polymere in geringen Konzentrationen zugesetzt werden. Diese Art von Turbulenz kommt nur in nicht-newtonschen Flüssigkeiten vor.

Ihr Gegenstück ist die klassische Turbulenz, die in newtonschen Flüssigkeiten auftritt, beispielsweise in einem Fluss, wenn das Wasser mit hoher Geschwindigkeit an einem Brückenpfeiler vorbeifließt. Während es mathematische Theorien zur Beschreibung und Vorhersage klassischer Turbulenzen gibt, mangelt es bei elastischen Turbulenzen noch an derartigen Werkzeugen, obwohl diese für biologische Proben und industrielle Anwendungen von großer Bedeutung sind.

„Dieses Phänomen ist in der Mikrofluidik wichtig, zum Beispiel beim Mischen kleiner Mengen polymerer Lösungen, was schwierig sein kann. Sie vermischen sich nicht gut, weil die Strömung sehr gleichmäßig ist“, erklärt Prof. Marco Edoardo Rosti, Leiter der Abteilung für komplexe Fluide und Strömungen.

Bisher dachten Wissenschaftler, dass elastische Turbulenzen sich von klassischen Turbulenzen völlig unterscheiden, aber die Veröffentlichung des Labors in der Zeitschrift Naturkommunikation könnte diese Ansicht ändern. Forscher vom OIST arbeiteten gemeinsam mit Wissenschaftlern vom TIFR in Indien und NORDITA in Schweden daran, herauszufinden, dass elastische Turbulenzen mehr mit klassischen Newtonschen Turbulenzen gemeinsam haben als erwartet.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass elastische Turbulenzen einen universellen Potenzgesetz-Energieabfall und ein bislang unbekanntes intermittierendes Verhalten aufweisen. Diese Erkenntnisse ermöglichen es uns, das Problem der elastischen Turbulenzen aus einem neuen Blickwinkel zu betrachten“, erklärt Prof. Rosti. Bei der Beschreibung einer Strömung verwenden Wissenschaftler häufig ein Geschwindigkeitsfeld. „Wir können die Verteilung der Geschwindigkeitsschwankungen betrachten, um statistische Vorhersagen über die Strömung zu treffen“, sagt Dr. Rahul K. Singh, der Erstautor der Veröffentlichung.

Beim Studium der klassischen Newtonschen Turbulenz messen Forscher die Geschwindigkeit über die gesamte Strömung und verwenden die Differenz zwischen zwei Punkten, um ein Geschwindigkeitsdifferenzfeld zu erzeugen.

„Hier messen wir die Geschwindigkeit an drei Punkten und berechnen die zweiten Differenzen. Zunächst wird eine Differenz berechnet, indem die an zwei verschiedenen Punkten gemessenen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten voneinander abgezogen werden. Dann subtrahieren wir noch einmal zwei solcher ersten Differenzen, wodurch wir die zweite Differenz erhalten“, erklärt Dr. Singh.

Diese Art der Forschung bringt eine zusätzliche Herausforderung mit sich: Um diese komplexen Simulationen durchzuführen, sind leistungsstarke Supercomputer erforderlich. „Unsere Simulationen dauern manchmal vier Monate und liefern riesige Datenmengen“, sagt Prof. Rosti.

Diese zusätzliche Detailebene führte zu einer überraschenden Entdeckung: Das Geschwindigkeitsfeld bei elastischer Turbulenz ist intermittierend. Um zu veranschaulichen, wie Intermittenz im Fluss aussieht, verwendet Dr. Singh das Elektrokardiogramm (EKG) als Beispiel.

„Bei einer EKG-Messung weist das Signal kleine Schwankungen auf, die durch sehr scharfe Spitzen unterbrochen werden. Dieser plötzliche große Ausbruch wird Intermittenz genannt“, sagt Dr. Singh.

In klassischen Fluiden waren derartige Schwankungen zwischen kleinen und sehr großen Werten bereits beschrieben worden, allerdings nur bei Turbulenzen, die bei hohen Fließgeschwindigkeiten auftreten. Die Forscher waren überrascht, nun dasselbe Muster auch bei elastischen Turbulenzen bei sehr kleinen Fließgeschwindigkeiten zu finden. „Bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten hatten wir nicht erwartet, so starke Schwankungen im Geschwindigkeitssignal zu finden“, sagt Dr. Singh.

Ihre Erkenntnisse sind nicht nur ein großer Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Physik hinter Turbulenzen bei niedrigen Geschwindigkeiten, sondern legen auch den Grundstein für die Entwicklung einer vollständigen mathematischen Theorie zur Beschreibung elastischer Turbulenzen. „Mit einer perfekten Theorie könnten wir Vorhersagen über die Strömung treffen und Geräte entwerfen, die die Mischung von Flüssigkeiten verändern können. Dies könnte bei der Arbeit mit biologischen Lösungen nützlich sein“, sagt Prof. Rosti.