Membranlos erzeugte Stoßwellen in Mikrostoßrohren: Untersuchung von Stoßwellen und nachlaufenden Strömungen, welche mit Hochgeschwindigkeitsventilen oder durch ultrakurze Laserpulse erzeugt werden und sich in fluidgefüllten Mikrorohren ausbreiten

• Antragsteller: Professor Dr. Walter Garen; Professor Dr. Ulrich Teubner
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447894944

Während die Physik der Stoßwellen im Makrobereich sehr gut erforscht ist und es auch viele Anwendungen gibt, trifft dies auf den Mikrobereich nicht zu (Makrobereich: Stoßrohre mit einem Durchmesser größer als 1 mm bis weit über 1 m; Mikrobereich: Stoßrohre bzw. Mikrokanäle mit einem Durchmesser unterhalb von 1 mm bis einige 10 Mikrometer (oder darunter)). Vor wenigen Jahren wurde mit ersten Experimenten mit Mikrostoßwellen ein neues Teilgebiet der Stoßwellenphysik eröffnet. Allerdings gibt es bisher nur diese sehr wenigen experimentellen Untersuchungen, die jedoch schon aufzeigten, daß die Stoßwellentheorie für den Makrobereich bestenfalls sehr eingeschränkt für den Mikrobereich angewendet werden kann und deshalb erweitert bzw. modifiziert werden muß. Gleichzeitig ergeben sich eine ganze Reihe neuer Fragestellungen. Somit steht die Forschung der Mikrostoßwellenphysik, trotz des hohen Interesses in der Forschungsgemeinschaft, noch am Anfang. Aus dieser Motivation heraus läßt sich das Hauptziel des beantragten Projektes als die Gewinnung eines grundlegenden physikalischen Verständnisses der Entstehung und Ausbreitung von Stoßwellen im Mikrometerbereich beschreiben, wobei auch Details von Interesse sind. Außer für die Grundlagenforschung ist dies auch von hohem Interesse für die Anwendungen von Mikrostoßwellen, auch wenn Anwendungen selbst kein unmittelbarer Bestandteil des Projektzieles sind (Anwendungen im Bereich der Medizin bzw. Biologie könnten z.B. das nadellose Einbringen von Impfstoffen oder die Übertragung von organischem Material in Zellen sein; hinzu kommt z.B. auch das große Gebiet mit Anwendungen in der Mikrofluidik). Konkret sollen innerhalb des Projektes die Stoßwellen mittels eines sehr kurzen Laserpulses (LIMS-Verfahren) oder eines sehr schnellen Magnetventils in fluidgefüllten Mikrokanälen generiert werden. Als Fluide sollen verschiedene Testgase mit unterschiedlichen Anfangsdrücken, Dämpfe und Flüssigkeiten eingesetzt werden und die Fluidparameter, sowie die Zustandsänderungen untersucht werden. Die Untersuchungen sollen vorwiegend mittels optischer, Methoden berührungslos und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung durchgeführt werden. Speziell soll dabei der Einfluß der Wandreibung und der Wandwärmeleitung, die Entstehung, Ausbreitung und Abschwächung der Mikrostoßwellen und der Einfluß der Kontaktfläche untersucht werden. Auch die Krümmung der Stoßfront in Mikrostoßrohren, der Übergang zwischen dem turbulenten und dem laminaren Regime der Überschallströmung sind von Interesse und ebenso Experimente mit „ideal“ kollidierenden Stoßwellen, und die Anwendung eines Laserpulszuges zur Stoßwellenerzeugung. Darüber hinaus soll festgestellt werden ob man in deutlich kleineren Mikrostoßrohren als bisher immer noch Stoßwellen nachweisen kann. Die Ergebnisse werden eine wichtige physikalische Grundlage für Anwendungen in der Mikrofluidik, Nanotechnologie, Medizinphysik und eine Reihe weiterer interessanter Anwendungen bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen