3D-Simulation klärt Kräfte hinter Katastrophen
Lawine: Kräfte, die sich zwischen den einzelnen Schneepartikeln entfalten, werden nun erforscht.
Durham – Wie sich Sand-, Erd- oder Schneepartikel unter Druck verhalten, wird von Forschern an der Duke University untersucht, um zum Beispiel die Kräfte und Anzeichen von Erdbeben oder Lawinen zu ergründen. Möglich wird das durch eine Lösung von durchsichtigen Hydrogel-Perlen in einer Plexiglas-Box, deren Verhalten von Kraftsensoren, Kameras und ausgeklügelten Computeralgorithmen in 3D gemessen werden kann.
Seit vielen Jahren stellt die Erforschung davon, was innerhalb von körnigen Materialien passiert, wenn sie gepresst, gestossen oder gedrückt werden, die Physiker vor ein Rätsel. Dank Fortschritten in der 3D-Bildgebung und in der Datenverarbeitung von Computern, bekommen Forscher nun eine bessere Einsicht in diese Prozesse.
3D-Darstellung von Teilchen unter Druck
Die Hydrogel-Perlen im Plexiglas-Behälter wurden für die Versuche wiederholt von einem Kolben niedergedrückt, während ein Laserstrahl die Box scannt und eine Kamera eine Reihe von Querschnittsaufnahmen der beleuchteten Sektionen anfertigt. Ähnlich wie bei MRT-Scans in der Medizin wird aus diesen Querschnittsaufnahmen ein 3D-Bild des Prozesses errechnet.
Auf diese Weise werden die individuellen Partikel dreidimensional dargestellt. In der Folge können die Wissenschaftler die winzigen Deformierungen messen, die bei der Quetschung der Teilchen stattfinden und die Kräfte, die zwischen ihnen entstehen, berechnen.
Hydrogel-Perlen: interessante Versuche möglich (Foto: F. Frankel, J. Dijksman)
Besseres Verständnis von Naturphänomenen
«Das gibt uns Hoffnung zu verstehen, was bei Katastrophen wie bei einem Hangrutsch passiert, wenn sich komprimierte Erde und Steine von einem Berg lösen und herunterrutschen», so Nicolas Brodu, Co-Autor der Studie. «Zuerst ist das Verhalten wie bei einem Feststoff, aber dann destabilisiert er sich plötzlich aus Gründen, die Physiker noch nicht völlig verstehen, und beginnt, wie eine Flüssigkeit zu fliessen. Dieser Übergang von Feststoff zu Flüssigkeit lässt sich nur verstehen, wenn man weiss, was innerhalb der Erde vor sich geht.» (pte/mc/ps)
