Im Kampf gegen die Klimaerwärmung wird es immer wichtiger, Energie zu sparen und bestehende Technologien dahingehend zu verbessern, dass sie möglichst wenig Strom verbrauchen. Potenzial zur Optimierung gibt es in allen Bereichen – auch beim Pumpen von Flüssigkeiten, wie ein Forschungsteam des ISTA (Institute of Science and Technology Austria) zeigt.
In einer aktuellen Studie im Fachjournal „Nature“ ließen sich die Forscher von Prozessen in der Natur inspirieren und schufen einen effizienteren Ansatz für Pumpsysteme. „Wir wollten eine Möglichkeit finden, um mit einer relativ einfachen Methode Turbulenzen in den Rohren zu verhindern und den Pumpprozess damit effizienter zu machen“, erzählt der Physiker Björn Hof vom ISTA gegenüber science.ORF.at. Die Lösung fand das Team schließlich in einem pulsierenden Antrieb der Flüssigkeiten, ähnlich dem Blutfluss im Herzen.
“Verbraucht eine Menge Energie“
Das Potenzial, bei Pumpprozessen Energie einzusparen, ist groß. Pumpen gibt es schließlich in jedem Haushalt, jeder Firma und bei jeder Pipeline. Jedes Mal, wenn man einen Wasserhahn oder die Heizung aufdreht, den Gartenschlauch benutzt, oder das Auto volltankt, werden Pumpen aktiviert.
Schätzungen zufolge entfallen daher rund 10 bis 15 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs auf Pumpprozesse. „Da kommt es stark darauf an, was man in die Berechnungen alles miteinbezieht. Wenn man wirklich alle Flüssigkeits- und Gaspumpen zusammenrechnet, käme man wahrscheinlich sogar auf eine noch höhere Zahl“, so Hof. „Das ist schon eine ganze Menge, was da an elektrischer Energie verbraucht wird.“ In einer internationalen Studie aus dem Jahr 2001 wurden den Pumpprozessen sogar 20 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs zugeschrieben.
Turbulenzen steigern Energiebedarf
Das Problem bei herkömmlichen Pumpsystemen: Wenn sich die Flüssigkeiten durch die Rohre bewegen, erzeugt das Reibung. Wenn die Strömung noch dazu turbulent ist, was in den meisten Systemen kaum zu verhindern ist, kommt es noch stärker dazu und damit zu einer Verringerung der Fließgeschwindigkeit. Die Pumpen brauchen dann mehr Energie, um die Reibungsverluste auszugleichen.
Im Herz scheint dieses Problem hingegen bereits gelöst. Da zu viel Reibung für die Adern gefährlich sein kann, schafft es das Organ, Strömungsturbulenzen im Blut zu vermeiden. Der Grund dafür liegt vor allem in dem periodischen Pulsieren des Blutes in den Adern, erklärt Hof.
Pulsieren spart Strom
Erste Versuche, das periodische Pulsieren auch in Rohren einzusetzen, blieben ohne Erfolg. „Das Beschleunigen und Abbremsen der Flüssigkeiten hat zum Teil sogar zu einem höheren Energieaufwand geführt, was wir natürlich nicht wollten“, sagt Hof. Schließlich gelang es dem Forschungsteam aber, die Turbulenzen in den Rohren zu reduzieren. Dazu führte es eine exakt berechnete Ruhephase zwischen den Pulsen ein, die der Diastole-Phase, der Entspannungs- und Füllungsphase, des Herzzyklus ähnelt.
Das Ergebnis: Pumpen wie das Herz macht die Prozesse unter optimierten Laborbedingungen deutlich effizienter. Die Forscher sahen eine Verringerung der mittleren Reibung von bis zu 27 Prozent und eine gleichzeitige Reduzierung des Energiebedarfs um 9 Prozent. „Das ist auf den ersten Blick keine riesige Zahl, aber wenn man sich die gesamte Summe aller Pumpprozesse anschaut, dann macht das doch eine ganze Menge aus“, so Hof.
Grundlage für weitere Forschung
Ein Vorteil des Ansatzes aus Österreich liegt klar darin, dass keine großen Umbauten bei kompletten Rohrsystemen nötig wären. Fraglich ist aber noch, wie gut er auch in der Praxis funktioniert. Unklar ist etwa, ob bereits bestehende Pumpen mit den pulsierenden Flüssigkeitsströmen zurechtkämen, oder ob sie davon im Laufe der Zeit beschädigt werden. Auch dann sei der Aufwand, die Pumpen zu erneuern, aber vergleichsweise gering, so Hof.
Die Tests im Labor wurden außerdem mit geraden Rohren durchgeführt, was in realen Pumpsystemen kaum der Fall ist. Generell sollte das laut dem Physiker keinen großen Unterschied machen, dennoch sei noch weitere Forschungsarbeit nötig. Die Arbeit des ISTA-Forschungsteams soll laut Hof daher eher als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen, um den vielversprechenden Ansatz irgendwann tatsächlich vom Labor in die Praxis zu holen.