Die Regeln der Verstopfung

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Filterpapier oder Siebe aus Metalldraht können unter bestimmten Bedingungen auch Teilchen einfangen, deren Durchmesser kleiner ist als die Größe der Poren oder Maschen. Nun haben theoretische Physiker aus Frankreich herausgefunden, unter welchen Umständen derartige Verstopfungen von Filtern stattfinden. Das Ergebnis ist ein überraschend allgemeingültiges Modell – so generell, dass mit seiner Hilfe der Fluss durch eine Vielzahl von Filteranordnungen wie etwa gewöhnliche Siebe oder poröse Materialien beschrieben werden kann.

Der am Navier-Institut in Paris beschäftigte Physiker Philippe Coussot untersuchte in seiner Studie die Strömung einer mit Teilchen versetzten Flüssigkeit durch ein quadratisches Metallgitter. Der Durchmesser der Teilchen war dabei kleiner als die Maschengröße, so dass zur Verstopfung des Gitters mehrere Teilchen gleichzeitig an einer Masche eintreffen mussten.

Um die Wahrscheinlichkeit dieses Vorgangs zu berechnen, benutzten die Forscher die Gleichungen der Hydrodynamik. Sie untersuchten zudem, wie die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung von der Konzentration der Teilchen, deren Größe sowie der Strömungsgeschwindigkeit abhing. In einem letzten Schritt wurde das Modell dann auch auf Teilchen angewandt, die sich in trockenem Zustand auf einem vibrierenden Gitter befanden, und so durch dieses durchfallen konnten.

Die Forscher testeten die Vorhersagen ihrer Theorie in Experimenten mit kleinen Glaskügelchen. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie erzielt werden. Die Anzahl der herausgefilterten Teilchen war wie erwartet stark von deren Größe sowie von der Teilchenkonzentration abhängig. Selbst Teilchen, deren Durchmesser nur ein Drittel der Maschengröße ausmacht, können der Studie zufolge generell ausgefiltert werden. Die Forscher wollen nun untersuchen, wie sich ihr Modell zur Beschreibung von Prozessen in der Industrie anwenden lässt.

Physical Review Letters, Bd. 98, Artikel 114502 Stefan Maier

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