Was auch immer der Anlass sein mag, das Knallen eines Champagnerkorkens bedeutet, dass der Druck nachlässt - sowohl für die Nachtschwärmer, die dabei sind, etwas zu trinken, als auch für die Flüssigkeit, die sich darin befindet. Durch das Öffnen der Flasche wird der Druck auf die Flüssigkeit geändert, sodass das gelöste Kohlendioxid heraussprudelt und das charakteristische Funkeln in Ihrem Glas erzeugt.
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Während die Grundlagen, warum Champagnerblasen ziemlich bekannt sind, noch immer von Wissenschaftlern untersucht werden, um einige Rätsel im Zusammenhang mit der Blasenbildung zu lösen. Vielleicht überraschend verhalten sich Blasen in gekühltem Champagner ähnlich wie in kochendem Wasser, das in Dampfturbinen verwendet wird, sowie Blasen in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen.
"Blasen sind in unserem täglichen Leben sehr verbreitet", sagt Gérard Liger-Belair, Physiker an der Universität Reims in Frankreich. "Sie spielen eine entscheidende Rolle in vielen natürlichen und industriellen Prozessen - in Physik, Chemie und Maschinenbau." Ozeanographie, Geophysik, Technologie und sogar Medizin. Dennoch ist ihr Verhalten oftmals überraschend und in vielen Fällen immer noch nicht vollständig verstanden. “
Ein herausragendes Rätsel ist, wie schnell sich Blasen unterschiedlicher Größe in Flüssigkeiten bilden. Dies könnte Ingenieuren helfen, effizientere Kesselsysteme zu entwerfen und die Leistung von dampfbetriebenen Reaktoren zu verbessern. Mit Hilfe von Supercomputern zur Simulation sprudelnder Flüssigkeiten haben Forscher in Japan nun bestätigt, dass es sich um eine in den 1960er Jahren vorgeschlagene mathematische Theorie handelt.
"Dies ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie Blasen auf molekularer Ebene entstehen und wie sie sich gegenseitig beeinflussen", sagt Studienmitautor Hiroshi Watanabe, Physiker an der Universität Tokio. Die Ergebnisse erscheinen diesen Monat im Journal of Chemical Physics .
In der Champagne und in kochendem Wasser erfahren Blasen eine Umwandlung, die Ostwald-Reifung genannt wird und nach ihrem Entdecker, dem deutschen Chemiker Wilhelm Ostwald aus dem 19. Jahrhundert, benannt ist. Er bemerkte, dass kleine Teilchen einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in einer Lösung größeren Teilchen weichen, weil größere Teilchen energetisch stabiler sind.
Im Falle einer Blase sind Flüssigkeitsmoleküle auf einer kleineren Oberfläche weniger stabil und neigen zum Ablösen. Gleichzeitig werden Moleküle an die stabilen Oberflächen größerer Blasen gezogen. Mit der Zeit sinkt die Anzahl der kleinen Blasen und die Anzahl der großen Blasen nimmt zu, wodurch die gesamte Flüssigkeit eine gröbere Textur erhält. „Nachdem zum Zeitpunkt des Entkorkens einer Champagnerflasche viele Blasen aufgetaucht sind, nimmt die Blasenpopulation ab“, sagt Watanabe. „Größere Blasen werden größer, indem kleinere Blasen gegessen werden, und schließlich überlebt nur eine Blase.“ Die Ostwald-Reifung bestimmt nicht nur die Blasenbildung in Ihrem Getränk, sondern auch die sandige Textur von wieder gefrorenem Eis, da sie die Bildung von Eis begünstigt größere Eiskristalle, wenn sich die geschmolzene Mischung verfestigt.
Jenseits des Essens- und Getränkebereichs erfolgt die Ostwald-Reifung in Kraftwerken, in denen Kessel Wasser erhitzen, um die Wärmeenergie aus Dampf zu gewinnen. Die Komplexität der Blasenbildung in Kesseln ist jedoch nicht genau bekannt, zum Teil, weil es schwierig ist, die bloße Blasenmasse im Labor nachzubilden.
Watanabe und Kollegen von der Kyusyu-Universität und Japans RIKEN-Labors wandten sich dem K-Computer zu, einem der schnellsten Supercomputer der Welt. Sie erstellten ein Programm, um das Verhalten von Millionen virtueller Moleküle in einem begrenzten virtuellen Raum, in diesem Fall einer Box, zu simulieren. Sie wiesen jedem Molekül eine Geschwindigkeit zu und beobachteten, wie sie sich bewegten und bildeten Blasen. Das Team fand heraus, dass es ungefähr 10.000 Moleküle Flüssigkeit braucht, um nur eine Blase zu bilden. Daher mussten sie die Bewegung von ungefähr 700 Millionen Molekülen abbilden, um herauszufinden, wie sich die Blasen in Massen verhalten. Hier ist eine Animation einer verkleinerten Version ihrer Simulationen:
Nachdem sich mehrere Blasen gebildet haben, erfolgt die Ostwald-Reifung, bis nur noch eine einzige Blase übrig ist. (H. Inaoka / RIKEN) Die Modelle halfen dem Team zu bestätigen, dass Blasen einem mathematischen Rahmen folgen, der in den 1960er Jahren als Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) -Theorie entwickelt wurde. Zunächst bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Moleküle von Flüssigkeit zu Gas übergehen könnten, die Geschwindigkeit der Blasenbildung. Diese Umwandlung findet an der Oberfläche der Blase statt. Wenn sich die Verdampfungsrate beschleunigt, bestimmt die Geschwindigkeit, mit der flüssige Moleküle die Oberfläche der Blase erreichen können, die Geschwindigkeit der Bildung und des Wachstums.
Watanabe vergleicht die Beziehung zu einer Fabrik, in der Maschinen für den Blasenbildungsprozess stehen: „Wenn die Leistung der Maschinen in der Fabrik schlecht ist, wird die Produktionsrate der Fabrik durch die Leistung der Maschinen bestimmt. Wenn die Leistung von Maschinen gut genug ist, wird die Produktionsrate durch die Lieferung von Ausgangsmaterialien bestimmt. “
In den beheizten Rohren eines Gasturbinensystems können Blasen den Wärmeaustausch verringern und Verschleiß verursachen, wenn sie eine geringe Kraft auf die Metalloberfläche des Rohrs ausüben. Dasselbe passiert, wenn Sie einen Propeller in Wasser tauchen: Blasen bilden sich, platzen und beschädigen allmählich die Blätter. Turbinen und Propeller wurden optimiert, um die nachteiligen Auswirkungen von Blasen zu verringern. Watanabe weist jedoch darauf hin, dass „tiefe Einblicke in das Verhalten von Blasen uns dabei helfen werden, bahnbrechende Ideen zu finden, um diese zu verbessern.“
Neben der potenziellen Steigerung der Kraftwerkseffizienz sieht Watanabe Anwendungen für die Arbeit in anderen blasenreichen Bereichen, beispielsweise in solchen, in denen Schaumstoffe oder Metalllegierungen verwendet werden. "Wir glauben, dass das Verständnis des Verhaltens von Blasen auf molekularer Ebene uns helfen wird, die Effizienz vieler Arten von Geräten in naher Zukunft zu verbessern", sagt er.
Prost.
