Fliesst wie geschmiert

Leichter löschen mit Polymer-Wasser-Gemischen

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Leichter löschen: Fügt man dem Löschwasser ein bestimmtes Polymer hinzu, dann verringern sich die Reibungsverluste im Feuerwehrschlauch. Folge: die Reichweite des Wasserstrahls vergrößert sich.

"Wer gut schmiert, der gut fährt". Dieser im allgemeinen Sprachgebrauch anders gemeinte Spruch hat einen ernst zu nehmenden Hintergrund: Innere Widerstände führen auch in Flüssigkeiten zu Reibungsverlusten.

Deshalb müssen wir erhebliche Pumpleistungen aufbringen, um unser tägliches Wasser zum Hahn oder Öl durch lange Pipelines zu den Raffinerien zu befördern. Auch Feuerwehrleute wissen davon ein Lied zu singen: Wird Wasser durch einen Schlauch gepumpt, so hängt die Reichweite des Strahls von den Reibungsverlusten im Schlauch ab (Bild 1). Eine verdoppelte Pumpleistung führt nicht immer zur Verdopplung der Reichweite, weil das Wasser durch einen Schlauch gewöhnlich nicht glatt, sondern verwirbelt, also turbulent fließt. Dadurch steigen die Reibungsverluste mit zunehmender Pumpleistung steil an. Wunder wirkt aber schon ein Zusatz von wenigen tausendstel Prozent bestimmter Polymere: Diese reduzieren die Reibungsverluste im Schlauch drastisch, dienen also als "Schmiermittel" für das fließende Wasser.

Anders als einfache Moleküle wie Wasser, das aus nur drei Atomen zusammengesetzt ist, bestehen Polymere aus einer riesigen Anzahl von Bausteinen. Diese kleinen Einheiten, die Monomere, sind zu langen fadenförmigen und in sich verschlungenen Gebilden aneinander gereiht. Technische Polymere besitzen ein Rückgrat, das zumeist aus Kohlenstoff-Atomen gebildet wird. An diesem Rückgrat hängen Seitengruppen, die im einfachsten Fall, dem Polyethylen, nur aus einem einzelnen Wasserstoff-Atom bestehen. Die Anzahl der Monomere, die zu einer Polymerkette verbunden sind, liegt typischerweise zwischen 100 und 10 000; solche Ketten sind kürzer als ein millionstel Meter. Auch viele biologische Materialien sind Polymere. Hier sind oft verschiedene Untereinheiten miteinander verbunden, um eine bestimmte biologische Funktion zu erfüllen. Bei der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNS) (Bild 2) sind dies die Basenpaare Guanin und Cytosin sowie Adenin und Thymin. Im menschlichen Genom sind mehrere Milliarden Basenpaare aneinander gereiht, so dass ein gestrecktes DNS-Molekül bis zu einen Meter lang sein kann. Trotz ihrer komplizierteren chemischen Struktur erscheinen auch Biopolymere als fadenförmige Objekte.

Teil einer Polyethylenkette und eines DNS-Moleküls

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Teil einer Polyethylenkette (links) und eines DNS-Moleküls (rechts). Das DNS-Molekül eignet sich als Modellpolymer, weil es im Vergleich zum Polyethylen größer und so im Experiment leichter zu handhaben ist.

So erfreulich es ist, Tricks und Kniffe zu kennen, mit denen sich beispielsweise der Strömungswiderstand im Feuerwehrschlauch vermindern lässt: Die Fließeigenschaften von Polymeren sind damit noch längst nicht verstanden. Beispielsweise werden die verschlungenen Polymerketten in den stärker verwirbelten Zonen der Strömung gestreckt, während sie sich in den ruhigeren Zonen wieder verknäueln können. Auch die Strömung selbst bleibt dabei nicht unverändert. Entscheidend für ein tieferes Verständnis von Effekten wie der Widerstandsverminderung im Feuerwehrschlauch sind daher die Fragen: Wie wird eine einzelne Polymerkette in der Strömung gestreckt? Wie wirkt die Bewegung der Polymerkette auf die Strömung zurück? Die einfachste Situation, an der sich diese Fragen untersuchen lassen, ist eine Strömungsgeschwindigkeit, die überall denselben Wert aufweist. Damit die Polymerkette nicht einfach mitgeschwemmt wird, hält man sie an einem Ende fest. Diese Manipulation eines einzelnen winzigen Polymermoleküls stellt eine große Herausforderung für die Experimentierkunst dar. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Verwendung von DNS als Modellpolymer. Die in den Experimenten eingesetzten DNS-Moleküle haben eine Länge von immerhin einem zehntel Millimeter. Für molekulare Maßstäbe sind sie damit riesig. Solche Moleküle lassen sich direkt beobachten.

Hilfe durch Computersimulation

Berechnete Dichte der Monomere und resultierendes Strömungsfeld

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In einer Computersimulation berechnete Dichte (r) der Monomere (links) und verändertes Strömungsfeld (rechts). Die Dichte der Monomere (rot: groß, violett: niedrig) gibt Aufschluss darüber, welchen Raumbereich das Polymerknäuel einnimmt. Im rechten Bild ist zu erkennen, dass die Strömung um diesen Bereich im Zentrum herum verläuft. Allerdings ist auch im Innern des Polymerknäuels eine nicht ganz verschwindende Strömung zu beobachten.

Für den theoretischen Physiker stellt sich die Frage, welches die für das Verhalten eines Polymers wesentlichen Eigenschaften sind, die in einem Modell auf jeden Fall berücksichtigt werden müssen. Um diese Frage zu beantworten, sind Computersimulationen wie die von uns durchgeführten ein wertvolles Hilfsmittel. Die virtuelle physikalische Welt lässt sich nach Belieben verändern und durch Vergleich mit den realen Beobachtungen kann man Rückschlüsse auf die Mechanismen ziehen, die dort am Werk sind. Darüber hinaus ist in der Simulation jedes Detail unmittelbar der Analyse zugänglich. So geben Computersimulationen Aufschluss über die zweite wichtige Frage: Welchen Einfluss hat das deformierte Polymer auf die Strömung? (Bild 3) In früheren Experimenten ließ dieser Effekt sich nicht messen. Mit den Ergebnissen der Computersimulation aber werden nun abstrakte Modelle für die Wechselwirkung zwischen Polymer und Flüssigkeit auf ihre Wirklichkeitsnähe überprüft und verbessert. Damit tragen sie zum Verständnis grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten ebenso bei wie zur Lösung ganz praktischer Probleme.