… den perfekten Weg eine Sandburg zu bauen!

Getestet wird dieses Phänomen häufig – vor allem im Sommer am Strand. Zum Glück geht wissenschaftliche Arbeit aber weiter als solche (oberflächlichen) Beobachtungen: Wir suchen nach einer Erklärung für diesen Effekt.  Im Falle von nassem Sand hat letzteres etwas länger gedauert: Die erste wissenschaftliche Erklärung, welche Mindestmenge an Wasser für eine stabile Sandburg benötigt wird, wurde 1998 von Thomas C. Halsey und Alex J. Levin von “Exxon Research and Engineering”, einem Zweig von Exxon (heute: Exxon Mobil Corporation – eine  der größten Öl- und Gas-Firmen der Welt), veröffentlicht. Das geschah mehr als 170 Jahre nach der grundlegenden Arbeit von Claude-Louis Navier zur Bewegung von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen). Ein Indiz dafür, dass Sand (eine Ansammlung von Partikeln) mit Wasser vermischt ein wesentlich komplexeres Verhalten an den Tag legt, als nur Sand oder nur Wasser alleine.

In unserem letzten Projekt „Comprehensive Investigation of wet Powder Blending“, haben wir die Entstehung von Flüssigkeitsbrücken, die sich zwischen Partikeln formen, untersucht: Eine kleine Menge an Flüssigkeit füllt die Lücke zwischen Sandpartikeln, wenn sie auf die Oberfläche eines Partikelbettes gesprüht wird. Der Grund: Wegen der Oberflächenspannung herrscht im Inneren der Flüssigkeitsbrücke ein niedrigerer Druck als in der Feuchtigkeit an der Oberfläche der Sandpartikel. Daher saugen Flüssigkeitsbrücken die Flüssigkeit aus dem Partikelbett auf – mit Ausnahme von Flüssigkeit, die in den Unebenheiten der Partikeloberfläche hängen bleibt. Es ist also vor allem die Oberflächenrauheit der Partikel, die das Rezept für eine perfekte Sandburg – also die perfekte Menge an Flüssigkeit – ausmachen. Einfach gesagt: Flüssigkeit, die in den Unebenheiten gefangen sind, hat keine Kraft, wohingegen die Flüssigkeit innerhalb der Brücken viel Kraft hat (das ist auch die Erkenntnis von Halsey und Levine, die ihre Arbeit so herausragend macht). In unserem Fall haben wir die Unebenheiten auf den Partikeloberflächen mit Wasser gefüllt und eine Flüssigkeitsbrücke erzeugt, die einem gewissen mechanischen Druck standhalten kann.

Eine zentrale Frage blieb offen: Wie können wir es anderen Personen erklären?

Nachdem wir also endlich die „Geburt“ einer Flüssigkeitsbrücke und damit die Auswirkungen der Oberflächenrauheit auf die Stabilität einer Sandburg beschreiben konnten, blieb eine zentrale Frage offen: Wie können wir es anderen Personen erklären? Und am wichtigsten: Wie können wir komplizierte Zusammenhänge zugänglich und verständlich machen, damit künftige Forschende unseren heutigen Wissensstand erweitern können?

In dem Projekt „Die Virtuelle Sandbox“ arbeiten wir mit der Pädagogischen Hochschule Steiermark zusammen, um die Partikeltechnik (in der „klebriger Sand“ eine zentrale Rolle spielt) den Volkschüler/innen und Schüler/innen des Oberstufengymnasiums, aber auch Studierenden der TU Graz verständlich und begreifbar zu machen. Sie sollen selbst Experimente durchführen und das spezielle Verhalten der Partikel im Ruhestand beziehungsweise in Bewegung erkennen können. Das zentrale Produkt der virtuellen Sandbox ist die namensgebende Sandkiste. Sie ist mit einer Kinect-3D-Kamera, einem Projektor, frei im Web erhältlicher Software und einem Simulationsrechner können wir das Oberflächenprofil des Sandes messen. Mit dieser Information kann ein Computer Höhenprofile und Simulationen erstellen. Beispielsweise wird so simuliert, wie Wasser über die Sandoberfläche fließt. Alle Ergebnisse werden zurück auf die Sandoberfläche projiziert, was Nutzenenden erlaubt, mit der Berechnung zu interagieren. 

Unser Beitrag zur Sandbox ist es, den Transport von Wasser im Partikelbett mit Hilfe unserer Modelle zu beschreiben, ohne es wirklich fließen lassen zu müssen.

Das ist aber nichts Neues. Unser Beitrag zur Sandbox ist es, den Transport von Wasser im Partikelbett mit Hilfe unserer Modelle zu beschreiben, ohne es wirklich fließen lassen zu müssen. Das mag seltsam klingen, weil wir Wasser auch einfach auf das echte Sandbett sprühen könnten. Wissenschaftlich ist es aber ein großes „Bingo“ eine Hypothese am Computer zu testen – ein Schlüsselelement, um unser Verständnis von komplexen Zusammenhängen zu fördern. Oft wird die Arbeit so auch wesentlich einfacher gemacht – zum Beispiel sind Experimente mit Sand schwierig, weil man nicht durch ihn hindurch schauen kann. Wir können so in die Zukunft sehen, zum Beispiel was passiert, wenn wir eine bestimmte Menge an Wasser zum Sand geben – wie zum Beispiel auch der tägliche Wetterbericht über das Wetter am nächsten Tag Auskunft geben kann.

Voraussagen zu können, was in einem industriellen Herstellungsprozess passieren wird, ist grundlegend für die Effizienz des Prozesses – was bringt er uns im Vergleich zu was stecken wir hinein?

Für uns „Partikel-Menschen“ sind Prozesse wie Granulation (also das Vergrößern eines Partikels) oder Partikel-Trocknung (also nasse Partikel wieder trocken zu machen) von zentralem Interesse. Beide Prozesse sind vor allem in der Nahrungsmittel- und Pharma-Industrie sehr wichtig: Zum Beispiel sind rund zehn Prozent der Produkte aus pharmazeutischer Produktion außerhalb der Spezifikationen und können deshalb nicht verkauft werden – eine Verschwendung. Oft führt also die Unmöglichkeit, vorherzusagen, was in einem Produktionsprozess passiert, dazu, dass ein Prozess suboptimal abläuft. Auch in der Energie- und Petrochemie-Industrie ist nasses, körniges Material wichtig – zum Beispiel für so genannte „flüssige Coker“, die verwendet werden, um Treibstoff aus schwerem Erdöl zu erzeugen. Und zu guter Letzt ist „klebriger Sand“ nur ein Beispiel von so genannten „zusammenhängenden Partikeln“: Kräfte zwischen Partikeln iführen zu unvorhersehbarem Fließverhalten, weswegen viele industrielle Produktionsprozesse versagen. Eine tägliche „Wettervorhersage“ für solche Prozesse wäre sehr hilfreich – und unsere Projekte sind hoffentlich ein weiterer Schritt dahin, das ermöglichen zu können. In diesem Video sehen Sie, wie die Sandbox live funktioniert!