Direkt zum Inhalt

News: Chaotische Bilder

In der Kaffeetasse sieht es interessant aus, beim Backen in der Küche macht es mitunter leichte Schwierigkeiten und für die Chemieindustrie ist es ein Problem, das Kosten in Milliardenhöhe verursacht: Warum dauert es so lange, bis sich zusammengequirlte Flüssigkeiten endlich vermischen?
Zum Teil liegt es daran, daß durch regelmäßiges Rühren einige der Ströme an ihren Ausgangspunkt zurückkehren. Ihr Weg mag zwar durchaus äußerst kompliziert sein, doch letztendlich trifft der Strom wieder auf sich selbst. Es entstehen "regelmäßige Inseln" – dem Wesen nach unvermischte Flüssigkeitsbereiche, die sich auf verwickelten Pfaden durch die ganze Mixtur ziehen.

Mischvorgänge sind alles andere als leicht zu verstehen. Dabei kommen sie in der Natur recht häufig vor: Die Konvektionsströmungen im Erdmantel, die Verteilung von Stoffen in den Ozeanen und die Bildung des Wetters gehören dazu. Vor kurzem ist es den Wissenschaftlern jedoch gelungen, die Mischproblematik mit der Chaostheorie zu verknüpfen, die sich mit Systemen beschäftigt, in denen das Verhalten einzelner Komponenten nicht vorhergesagt werden kann. Bislang vermochten die Forscher allerdings nur zweidimensionale Experimente durchzuführen, um einfache, flache Fließvorgänge zu untersuchen.

Im Science vom 31. Juli 1998 stellte ein Team unter Leitung von Julio M. Ottino, Professor für chemische Verfahrenstechnik an der Robert R. McCormick School of Engineering and Applied Science der Northwestern University, die erste experimentelle Umsetzung eines chaotischen, dreidimensionalen Flusses dar und demonstrierte die ganze Komplexität der regelmäßigen Inseln sowie der chaotischen Regionen in diesem Fluß.

"Das Mischen ist eine der interessantesten Anwendungsformen bei der Erkundung des Chaos", sagte Ottino. "In vielen Fällen würde man das Chaos ja gerne loswerden, beim Vermischen möchten wir es dagegen oft noch vergrößern, und ganz gewiß würden wir es gerne verstehen."

Ottinos Team verwandte einen experimentellen Aufbau, der eigentlich recht einfach gehalten war: einen klaren, zylindrischen Plexiglastank, der mit Glyzerin gefüllt war. Den chaotischen Fluß erzeugt ein nahezu vertikaler Schaft, der eine fast horizontale flache Scheibe dreht. "Wäre das sich drehende Rad perfekt lotrecht, würde nichts Interessantes passieren", erklärte Ottino. "Also brechen wir die Symmetrie, indem wir das ganze ein wenig neigen."

In die Glyzerinströme eingetauchte Nadeln injizieren Fluoreszenzfarbstoffe, die beim Bestrahlen mit einem Laserstrahls rot, grün und gelb leuchten. Das Laserlicht schneidet fein säuberlich von oben nach unten durch den Tank. In einem verdunkelten Raum ergibt dies Querschnitte von den Bereichen, die gerade beschienen werden. Der Laser ist dabei der Schlüssel, um das Chaos in diesem komplizierten 3-D-System zu visualisieren. "In so einem Einzelschnitt ist ein hohes Maß an Ordnung zu erkennen", erläuterte Ottino. "Wird die ganze Sache beleuchtet, sieht sie wie ein großes Durcheinander aus."

Von einem flachen, kreisförmigen Farbstoffstrom erscheinen nur zwei Punkte, die dort auftreten, wo der Strom die Schnittebene passiert. "Wird die Drehscheibe aber geneigt, verfehlen sich die beiden Enden des Farbstoffstromes, statt sich sanft miteinander zu verbinden", erklärte Ottino. "Es treten also diese knappen Verfehlungen auf, und der Weg des Farbstoffes zeichnet dann eine Art Kringelbereich im Tank." Diese Kringel erscheinen schließlich als zwei zueinander passende kreisförmige Figuren in der Laserebene. Der Strom kann sich bis zu sieben Mal um den Kringel bewegen, bevor er wieder auf sich selbst trifft. Er umschließt dann eine Insel bzw. eine Insel "höherer Periode", wenn mehrere Umdrehungen bis zur Wiedervereinigung nötig sind. Deren komplizierte Strukturen bleiben fast völlig unverändert – sogar nach zwölf Stunden Rühren.

Doch es gibt andere Farbstoffteile, die theoretisch nie genau dorthin zurückkehren, von wo sie kamen. "Der Farbstoff in diesen Teilen wird ewig ziellos umher wandern, ohne je zum Ausgangsort zurückzukehren", sagte Ottino. Diese Teile werden am effizienten vermischt. Dafür interessieren sich die Chemieunternehmen sehr, denn wenn Chemikalien viel schneller reagieren, als sie vermischt werden können, kann dies zu kostspieligen Problemen führen.

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnervideos