Physiker kehrten den Energiefluss in Turbulenz um – gegen eine 80 Jahre alte Regel

In einer dünnen Schicht wirbelnden Wassers ließen Physiker die Energie verkehrt herum laufen. Statt zu immer kleineren Wirbeln hinabzukaskadieren oder zu immer größeren aufzusteigen, tat die Strömung, was die Forscher wählten – je nachdem, wie sie die rührenden Kräfte anordneten. Das Ergebnis fordert eine Annahme heraus, die die Strömungsphysik seit mehr als achtzig Jahren prägt.

Seit mehr als achtzig Jahren gilt Turbulenz als Einbahn-Kaskade. In den dreidimensionalen Strömungen eines Flusses oder des offenen Ozeans, so dachte man, wandert Energie stetig von großen Wirbeln hinab zu kleinen, wo sie schließlich als Wärme zerfällt. In dünnen, nahezu zweidimensionalen Schichten sollte sich die Kaskade umkehren, sodass kleine Wirbel die größeren speisen. So oder so schien die Richtung durch die Geometrie des Raums festgelegt, in dem das Fluid lebte.

Die neue Arbeit löst diese Richtung von den Dimensionen der Strömung. Was die Richtung festlegt, fanden die Forscher, ist die Ausrichtung zweier Größen an jedem Punkt des Fluids: der Spannung, die es presst, und der Verformung, die es daraufhin erleidet. Stellt man den Winkel zwischen Kraft und Verschiebung ein, lässt sich Energie die Skalenleiter hinauf- oder hinabtreiben. Die Form des Gefäßes ist nicht länger Schicksal.

Um es zu zeigen, trieb das Team eine flache Schicht elektrisch leitender Flüssigkeit mit magnetischen Kräften an, bestreute sie mit Tracerteilchen und filmte deren Bewegung. Durch Umformen des Antriebsmusters erzeugte es im selben Aufbau Strömungen mit vorwärts gerichtetem Energietransfer und solche mit umgekehrtem. Computersimulationen desselben Aufbaus gaben den Umschlag wieder – jene Art von Übereinstimmung, die aus einem überraschenden Bild eine Messung macht.

Die Kaskade zu steuern hat praktische Reichweite. Die Richtung, in der Energie in einem Fluid fließt, bestimmt, wie sich Dinge darin ausbreiten; sie zu lenken könnte also verändern, wie eine Küste eine Abwasserfahne verteilt, wie ein mikrofluidischer Chip winzige Mengen für einen medizinischen Test mischt oder wie Energie durch jene geschichteten Strömungen wandert, die Klimamodelle einzufangen versuchen.

Der Nachweis lebt in einem sorgfältig kontrollierten, im Wesentlichen zweidimensionalen System, nicht in der wirren dreidimensionalen Turbulenz eines Sturms oder einer Tiefenströmung. Ob dieser Griff auf die Richtung in voll dreidimensionalen, energiereichen Strömungen erhalten bleibt, ist eine offene Frage, und der Sprung von einer Laborschale zum Ozean ist groß. Das Prinzip steht nun fest; seine Reichweite nicht.

Die Arbeit wurde von einem Team unter Leitung der University of Pittsburgh in Zusammenarbeit mit der Universität Turin durchgeführt und in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Der nächste Schritt der Gruppe ist zu prüfen, wie weit die Steuerung über die Tensor-Ausrichtung reicht, wenn Strömungen dicker und energiereicher werden – das Regime, in dem die meiste echte Turbulenz tatsächlich lebt.

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