Einheitliche Explosionen

Jan Oliver Löfken

Verbrennung von Methan

A. Y. Poludnenko et al./High Performance Computing Modernization Program

Weiße Zwerge – die ausgebrannten Kerne von gewöhnlichen Sternen wie unserer Sonne – bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Strömt Materie von einem engen Begleitstern auf diese Himmelskörper über, können erneut Kernfusionen einsetzen und zu einer Explosion des Weißen Zwergs führen. Die Einzelheiten dieses Vorgangs sind bislang ungeklärt. Nun schlagen Physiker ein neues Modell für den Beginn einer solchen Supernova des Typs Ia vor. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten Turbulenzen eine entscheidende Rolle für die thermonukleare Explosion spielen.

In ihrem Labor analysierten Alexei Poludnenko von der Texas A&M University in den USA und seine Kollegen das schnelle Verbrennen von unterschiedlichen Gasen. Dazu speisten sie Wasserstoff und Methan in eine rund einen Meter lange Röhre ein, wo sich das Gas mit einem elektrischen Funken zünden ließ. Während dieser Experimente konnte das Team durch feinmaschige Gitter in der hitzebeständigen Röhre gezielt turbulente Strömungen im Gas erzeugen. In mehreren Versuchsreihen bestätigte sich, dass die Verwirbelungen einen starken Einfluss auf die Dynamik der Verbrennung hatten.

Ohne Turbulenzen verbrannten sowohl Wasserstoff als auch Methan rasch in züngelnden Flammen. Verwirbelten die Forscher um Poludnenko allerdings die Gase, erhöhten sich die Flammengeschwindigkeiten – bis sich die Flammen schließlich sogar schneller als der Schall bewegten und sich eine starke Druckwelle aufbaute. Die schnelle Verbrennung war in eine Detonation übergegangen. Ihre Erkenntnisse brachten die Forscher in ein Computermodell ein, mit dem sich der Ablauf einer Supernova nachspielen lässt. Und tatsächlich sorgten die Turbulenzen auch im simulierten Weißen Zwerg dafür, dass sich die thermonukleare Verbrennung immer schneller ausbreitete und letztlich in eine Supernova-Explosion überging.

Supernovae des Typs Ia sind von großer Bedeutung in der Astronomie. Denn bei diesen Sternexplosionen hängt der Verlauf der Helligkeit unmittelbar mit der maximalen Leuchtkraft der Supernova zusammen. Aus der Lichtkurve können Astronomen daher auf die wahre Helligkeit der Sternexplosion und damit auch auf ihre Entfernung schließen. Als „Standardkerzen“ dienen Supernovae des Typs Ia daher zur Vermessung des Kosmos. Die neue Studie liefert aber nicht nur für die Astrophysik neue Impulse. Die Ergebnisse von Poludnenko und seinem Team könnten beispielsweise auch dazu beitragen, die Verbrennungsprozesse in Triebwerken künftig noch effizienter zu gestalten.


A. Y. Poludnenko et al./High Performance Computing Modernization Program

Turbulenzen in einem Methan-Luft-Gemisch führen zu einer heftigen Explosion.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2019/einheitliche-explosionen/