Verflüssigung granularer Packungen durch Schall unter Schwerelosigkeit



Das Erstarren eines Systems aus vielen Einzelteilchen ist ein Vorgang, der im Alltag häufig vorkommt. So bildet sich beispielsweise ein Stau, weil die Dichte der Verkehrsteilnehmer zu hoch fuer flüssiges Fahren wird. Überraschenderweise ist ein sehr ähnliches Phänomen ein großes Rätsel der modernen Physik: Wie kann eine Ansammlung aus vielen einfachen Einzelteilchen zunächst immer langsamer und dann völlig fest werden?

Viele Beispiele wie Schäume, Pasten, Gele und Emulsionen fallen in diese Kategorie, auch klassische Gläser und granulare Materie gehören dazu. Granulare Systeme zeigen einen scharfen Übergang zwischen flüssigkeitsähnlichem (fluidem) und festem Verhalten. Dieser Übergang kann beispielsweise durch Vibration verursacht werden.

Interessanterweise ist nicht sehr viel Einwirkung notwendig, um eine Granulatpackung in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand zu versetzen. Dabei hängt die hierfür notwendige Energie sehr stark vom Druck ab, der die Packung zusammenhält - auf der Erde ist das meist die Schwerkraft, die auf die Teilchen wirkt. Wird dieser Druck ganz oder teilweise durch Vibrationen überwunden, so sind stark zusammenwirkende Dynamiken zu sehen.

Doch was passiert, wenn der äußere Druck kleiner wird oder ganz verschwindet? Diese Vorgänge wurden bisher kaum erforscht und sollen im aktuellen Versuch beobachtet werden. Zwei gegensätzliche Mechanismen werden erwartet: Kompaktion (also Verdichtung) durch Vibration und Verflüssigung (Expansion der Packung) durch Vibration. Die Wissenschaftler erwarten, dass die Verflüssigung bei Schwerelosigkeit oder verminderter Schwerkraft dominiert. Wichtig sind die Ergebnisse des Parabelfluges für die Ermittlung der Eigenschaften und die Steuerung der Fließfähigkeit von Granulaten auf Mond und Mars.


Kontakt
Dr.rer.nat. Matthias Sperl
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Materialphysik im Weltraum

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E-Mail: Matthias.Sperl@dlr.de
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