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Physikalisches Phänomen: Forscher knacken Rätsel des Paranuss-Effekts

Bei einer Tüte gemischter Nüsse ist es immer das Gleiche: Ein paar Mal schütteln, schon sind die großen Paranüsse oben und die kleinen Erdnüsse unten. Noch immer ist nicht in allen Details klar, warum.
Nussmischung. Die großen landen immer oben.Laden...

Der Paranuss-Effekt sorgt unter anderem dafür, dass große Nüsse im gemischten Müsli immer oben landen und dass Asteroiden aussehen, wie sie aussehen – und er fasziniert Forscher vieler Fachrichtungen seit Jahrzehnten nicht nur morgens, wenn Milch den Effekt in der Zerealienschüssel zunichtemacht. Tatsächlich ist bis heute nicht alles über das rätselhafte Segregationsverhalten großer und kleiner Partikel in granularen Gemischen geklärt. Und so haben Forscher der University of Manchester nun ihren Hochleistungscomputertomografen in Stellung gebracht, um dem Geheimnis auf die Spur zu kommen, welche Rolle die äußere Form von geschüttelten großen und kleinen Partikeln beim Durchmischen spielt. Die Resultate der Studie haben sie im Fachblatt »Scientific Reports« veröffentlicht.

Die hochtechnische Bildgebung half den Wissenschaftlern, mit einer bis dato schwer zu umgehenden Schwierigkeit fertigzuwerden: Beim dynamischen Schütteln eines Gemischs von, zum Beispiel, großen Paranüssen und kleinen Erdnüssen lassen sich leicht nur die Bewegungen der äußeren Nüsse, nicht aber die von diesen verdeckten weiter innen verfolgen. »Wir haben in unserer Arbeit nun erstmals wirklich in Echtzeit beobachten können, wie Paranüsse an Erdnüssen vorbei aufwärtswandern«, sagt Studienleiter Philip Withers.

© The University of Manchester
Der Paranuss-Effekt in 3-D
Nach CT-Scans und der Videomodellation wird klar: Paranüsse arbeiten sich nach oben, wenn sie nicht am Anfang falsch auf der Seite liegen.

Die dreidimensionale Darstellung des Ablaufs zeigt, wie die Scherkräfte des Schüttelvorgangs die Mischung von Erdnüssen mit einigen Paranüssen nach und nach verändern: Eine der großen Nüsse erreicht nach 70 Schüttlern das obere Zehntel des Mischzylinders, die anderen beiden folgen ihr nach 150 Schüttlern. Einige Paranüsse blieben im Experiment allerdings am Boden stecken. Dies, so der Studienautor Parmesh Gajjar, hänge vor allem von der anfänglichen Orientierung ab: Die Nüsse müssen in einem initialen Schritt beginnen, sich zumindest ein wenig um ihre vertikale Achse zu drehen, um sich nach und nach dann nach oben zu schrauben. Über allen kleineren Partikeln angekommen, legen sie sich schließlich wieder auf ihre Längsseite. Unterbleibt der erste Schritt, so verharren die Paranüsse am Boden.

Damit ist klar, dass die Anfangsposition und -lage größerer Partikel eine Rolle spielt – und zudem ihre Gestalt und Symmetrie. Die Forscher möchten das neu gefundene Wissen auch anwenden: Denkbar ist, ein Gemisch von größeren und kleineren Partikeln durch eine gezielte Formgebung zu optimieren, so dass der Inhalt selbst bei ständigen Schüttelvorgängen stets gut verteilt bleibt. So könnte die Pharmazie etwa die Herstellung von Tabletten optimieren, in denen verschieden große Moleküle oder Inhaltsstoffe möglichst uniform verteilt sein sollten. Der Paranuss-Effekt spielt noch in anderen technischen Prozessen eine Rolle, wie beim Verhalten von Schüttungen im Bergbau, im Ingenieurwesen und bei der Lebensmittelproduktion.

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