In der Industrie und in den Privathaushalten der Welt laufen ständig unzählige Pumpen. Sie befördern verschiedene Flüssigkeiten oder Gase durch Leitungssysteme – und das mit gigantischem Energieaufwand: Schätzungen zufolge sind Pumpsysteme für fast zwanzig Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Möglichkeiten zur Energieeinsparung sind deshalb aus ökonomischer und ökologischer Sicht sehr gefragt. Der Erforschung von Optimierungs-Potenzialen bei der Beförderung von Flüssigkeiten und Gasen widmen sich auch Wissenschaftler des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg.
„Es wird schon lange versucht, das Pumpen von Flüssigkeiten effizienter zu machen. Doch oft sind die durch Simulationen oder Laborversuche aufgezeigten Optimierungsmöglichkeiten zu komplex und daher zu kostspielig, um in realen Anwendungen eingesetzt zu werden. Wir haben deshalb nach einem Ansatz gesucht, der keine komplizierten strukturellen Änderungen an der Infrastruktur, wie Sensoren und Motoren, erfordert“, sagt Erst-Autor Davide Scarselli vom ISTA. Anstatt die Beschaffenheit von Leitungen zu verändern, um die Reibung zwischen der fließenden Flüssigkeit und den Rohrwänden zu verringern, richteten Scarselli und seine Kollegen den Fokus auf die Pumpen.
Vorbild Herz-Kreislauf-System
Dabei suchte sich das Team Inspiration bei der Natur: Das Herz-Kreislauf-System rückte ins Visier. „Wie jeder Teil unseres Körpers wurde auch das menschliche Herz im Verlauf von Jahrmillionen durch die Evolution geprägt”, sagt Seniorautor Björn Hof vom ISTA. „Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Pumpen, die einen gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom erzeugen, pulsiert das Herz bekanntlich. Wir waren neugierig, ob diese besondere Antriebsform einen Vorteil bietet“, so der Wissenschaftler.
Um dies auszuloten, führten die Forscher Pump-Experimente in Versuchsaufbauten mit durchsichtigen Rohren unterschiedlicher Länge und Durchmesser durch. Dabei machten sie die Flüssigkeits-Dynamiken sichtbar, indem sie dem Wasser winzige reflektierende Partikel zufügten. Deren Bewegungen konnte das Team dann genau erfassen: „Ein Laser schießt dabei Licht in einem horizontalen Bogen durch das durchsichtige Rohr und wird von den Partikeln reflektiert. Wir machten Bilder davon, anhand derer wir erkennen konnten, ob die Strömung turbulent oder laminar war, wobei letzteres bedeutet, dass es keine Wirbel gab“, erklärt Scarselli.
Die Ausgangsbasis bildeten Untersuchungen der Strömungseffekte bei einem gleichmäßigen Wasserfluss, wie er durch herkömmliche Pumpsysteme erzeugt wird. „Dabei bildeten sich Wirbel, die sich chaotisch bewegten, während sie durch das Rohr gedrückt wurden“, sagt Scarselli. Diese Turbulenzen verursachen einen Großteil der Reibung zwischen der Flüssigkeit und den Wänden des Rohrs, erklären die Forscher. Die Überwindung genau dieser Reibung muss durch eine Pumpe geleistet werden und kostet somit Energie.
