Kugelhaufen mit Eigenleben
Experimente mit Kugeln
Um bei physikalischen Experimenten überraschende Ergebnisse zu erzielen, bedarf es nicht immer aufwändiger Gerätschaften. Was zählt, ist die Idee: 1939 füllte der japanische Forscher und Erfinder Yositosi Oyama Kügelchen zweierlei Größe in einen länglichen Zylinder und ließ denselben entlang der Längsachse rotieren.
Nach einiger Zeit begannen sich die Kugeln spontan zu entmischen, quasi aus dem Nichts entstand ein hell-dunkles Bändermuster. Dieser frühe Nachweis von Selbstorganisation war die Geburtsstunde einer neuen Forschungsdisziplin: die Granulatforschung.
Das mag trocken klingen, hat aber durchaus angewandte Aspekte. Schüttgut, Tabletten und viele Lebensmittel gehören zu den Granulaten, weshalb die Industrie wissen will, unter welchen Umständen sich spontane Entmischungen einstellen und wie sie zu verhindern sind.
Auch in der freien Natur kennt man ähnliche Phänomene: In Permafrostböden trennen sich beispielsweise Steine von den restlichen Bodenanteilen durch die zyklische Abfolge von Tauen und Gefrieren. Dadurch entstehen Kreis- und Labyrinthmuster, wie US-Forscher vor ein paar Jahren beschrieben haben (Science, Bd. 299, S. 280)
Oyama revisited
Rietz und Stannarius haben ihre Ergebnisse im Fachblatt "Physical Review Letters" veröffentlicht:
On the Brink of Jamming: Granular Convection in Densely Filled Containers
Eine Kurzfassung (inklusive High-Resolution-Video) ist auch auf dem Preprintserver "arXiv" erschienen:
Convection rolls in a rotating box filled with beads
70 Jahre nach Yositosi Oyama haben die beiden Magdeburger Physiker Ralf Stannarius und Frank Rietz dessen Pionierexperimente in einer interessanten Variante wiederholt. Sie verwendeten anstatt des Zylinders einen transparenten Quader und befüllten ihn zur Hälfte mit kleinen Kügelchen, Durchmesser 300 bzw. 800 Mikrometer. Zunächst verlief alles wie erwartet. Auch im rotierenden Quader stellten sich Bänder ein - und verschmolzen dann sukzessive zu immer breiteren Streifen.
"Physikalisch ist das bisher nicht restlos erklärt", sagt Ralf Stannarius gegenüber science.ORF.at. "Für die Entstehung der Bänder gibt es zwar Modelle, aber warum sie sich später vereinigen, können wir nicht genau sagen. Wir haben jüngst ein paar Langzeitexperimente durchgeführt. Da zeigte sich, dass nach sehr vielen Umdrehungen oft nur zwei Bänder übrigbleiben. Auf einer Seite die kleinen und auf der anderen die großen Kügelchen."
Erklärung gesucht
Konvektion im Granulat
"Nachdem sich gezeigt hat, dass sich mit dem Quader ähnliche Ergebnisse wie mit dem Zylinder erzielen lassen, habe ich ihn komplett angefüllt und damit ein bisschen herumgespielt", erzählt Frank Rietz, der gerade an seiner Dissertation zu diesem Thema arbeitet. Intuitiv würde man erwarten: Ohne Freiraum gibt es keine Bewegung, folglich sollte auch die Musterbildung stoppen. Doch das Gegenteil war der Fall.
"Nach ein paar tausend Umdrehungen entstanden plötzlich rotierende Muster", sagt Rietz (siehe obiges Video). Auf den ersten Blick erinnern sie an Konvektionsmuster in Flüssigkeiten, wie beispielsweise die sogenannten Benard-Zellen, doch Stannarius winkt ab: "Mit Flüssigkeiten hat das nichts zu tun." Was die Theorie betrifft, tappe man zurzeit noch weitgehend im Dunkeln. "Aber Frank Rietz arbeitet daran."
Das heißt, mit Abschluss seiner Arbeit wird man das Phänomen physikalisch verstehen? Doktorvater Stannarius: "Das will ich so hoffen."
Robert Czepel, science.ORF.at
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