Wüsten „atmen“ Wasserdampf, wie eine Studie zeigt

Wüsten mögen leblos und leblos erscheinen, aber sie sind sehr lebendig. Vor allem Sanddünen wachsen und bewegen sich – und atmen laut einem jahrzehntelangen Forschungsprojekt auch feuchte Luft.

Die Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, wie Wasserdampf Pulver und Körner durchdringt, und könnten weit über die Wüste hinaus weitreichende Anwendungen haben – in der pharmazeutischen Forschung, Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung sowie bei der Erforschung von Planeten.

Das Papier des Teams, „Water Vapor Transport Across an Arid Sand Surface—Non-linear Thermal Coupling, Wind-Driven Pore Advection, Subsurface Waves, and Exchange with the Atmospheric Boundary Layer“, wurde am 21. März in der veröffentlicht Journal of Geophysical Research: Erdoberfläche.

Das Projekt unter der Leitung des Hauptautors Michel Louge, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am College of Engineering, hat nicht nur viel Zeit, sondern auch ein vielfältiges Terrain umfasst. Es begann vor fast 40 Jahren, als Louge das Verhalten von Flüssigkeiten, Gasen und festen Partikeln untersuchte.

Um Materie mit größerer Empfindlichkeit zu messen, entwickelten er und seine Studenten eine neue Form der Instrumentierung namens Kapazitätssonden, die mehrere Sensoren verwenden, um alles von der Feststoffkonzentration über die Geschwindigkeit bis zum Wassergehalt aufzuzeichnen, und das alles mit beispielloser räumlicher Auflösung.

Als ein Kollege von der University of Utah vorschlug, dass die Technologie hilfreich sein könnte, um die Schichten von Bergschneedecken abzubilden und die Wahrscheinlichkeit von Lawinen einzuschätzen, ging Louge in seine Garage, schnappte sich einige Sonden und testete sie in einem Schneesturm. Bald ging er eine Partnerschaft mit einem Unternehmen, Capacitec Inc, ein, um ihre jeweiligen Fähigkeiten in Geometrie und Elektronik zu kombinieren. Die resultierenden Sonden erwiesen sich auch in der Hydrologieforschung als nützlich.

In den frühen 2000er Jahren begann Louge mit Ahmed Ould el-Moctar von der Universität Nantes, Frankreich, zusammenzuarbeiten, um mit den Sonden den Feuchtigkeitsgehalt in Sanddünen zu untersuchen und den Prozess besser zu verstehen, durch den sich landwirtschaftliche Flächen in Wüste verwandeln – ein Interesse, das besteht mit dem Anstieg des globalen Klimawandels nur noch dringlicher werden.

„Die Zukunft der Erde ist eine Wüste, wenn wir so weitermachen“, sagte Louge.

Während andere Sonden große Materiemengen messen können, gehen die Sonden von Louge tief und klein und sammeln Daten im Millimeterbereich, um die genaue Menge an Feuchtigkeit in – und die Dichte von – Sand zu bestimmen. Um jedoch in einer neuen Umgebung zu funktionieren, mussten die Sonden modifiziert werden. Und so begann ein jahrzehntelanger Prozess des Versuchs und Irrtums, als Louge regelmäßig in die Wüsten von Katar und Mauretanien reiste, um mit verschiedenen Versionen der Sonde zu experimentieren.

Die Sonde zeigte schließlich, wie porös Sand ist, durch den eine winzige Menge Luft sickert. Frühere Untersuchungen hatten angedeutet, dass diese Art von Versickerung in Sanddünen existierte, aber bisher war niemand in der Lage, dies zu beweisen.

„Der Wind strömt über die Düne und erzeugt dadurch ein Ungleichgewicht im lokalen Druck, wodurch die Luft buchstäblich gezwungen wird, in den Sand und aus dem Sand zu gelangen. Der Sand atmet also, wie ein Organismus atmet“, sagte Louge.

Diese „Atmung“ ermöglicht es Mikroben, trotz der hohen Temperatur tief in den extrem ausgedörrten Sanddünen zu überleben. Während eines Großteils des letzten Jahrzehnts hat Louge mit Anthony Hay, außerordentlicher Professor für Mikrobiologie am College of Agriculture and Life Sciences, zusammengearbeitet, um zu untersuchen, wie Mikroben dazu beitragen können, die Dünen zu stabilisieren und zu verhindern, dass sie in Straßen und Infrastruktur eindringen.

Louge und sein Team stellten außerdem fest, dass Wüstenoberflächen weniger Feuchtigkeit mit der Atmosphäre austauschen als erwartet, und dass sich die Wasserverdunstung aus einzelnen Sandkörnern wie eine langsame chemische Reaktion verhält.

Der Großteil ihrer Daten wurde 2011 gesammelt, aber Louge und seine Mitarbeiter brauchten noch ein weiteres Jahrzehnt, um einige der Ergebnisse zu verstehen, wie z schnell durch die Dünen.

„Wir hätten die Daten vor 10 Jahren veröffentlichen können, um über die Genauigkeit unseres Ansatzes zu berichten“, sagte Louge. „Aber es war nicht zufriedenstellend, bis wir verstanden haben, was los war. Niemand hatte so etwas wirklich zuvor gemacht. Dies ist das erste Mal, dass so niedrige Luftfeuchtigkeitswerte gemessen werden konnten.“

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Sonde eine Reihe von Anwendungen haben wird – von der Untersuchung der Art und Weise, wie Böden Wasser in der Landwirtschaft aufnehmen oder ableiten, über die Kalibrierung von Satellitenbeobachtungen über Wüsten bis hin zur Erforschung außerirdischer Umgebungen, die Spuren von Wasser enthalten können. Das wäre nicht das erste Mal, dass Louges Forschung in den Weltraum gelangt.

Aber die vielleicht unmittelbarste Anwendung ist die Erkennung von Feuchtigkeitsverunreinigungen in Pharmazeutika. Seit 2018 arbeitet Louge mit Merck zusammen, um die Sonden in der kontinuierlichen Fertigung einzusetzen, die als schnelleres, effizienteres und kostengünstigeres System als die Chargenfertigung gilt.

„Wenn Sie kontinuierlich produzieren wollen, brauchen Sie Sonden, mit denen Sie als Funktion der Zeit und überall dort, wo es wichtig ist, überprüfen können, ob Sie das richtige Verhalten Ihres Prozesses haben“, sagte Louge.