Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 
 
 
 
 
 
 
 

In einfachen Worten

In molekularen Gasen steht die Temperatur in Bezug zur mittleren Geschwindigkeit der Moleküle, sie bleibt unter isothermen Bedingungen erhalten. Im Durchschnitt bewegen sich die Moleküle in alle Richtungen isotrop - es gibt also keinen Unterschied zwischen ihnen. Dies ist eine Konsequenz des sogenannten Gleichverteilungssatzes: Für jede Bewegungsrichtung steht die gleiche Menge Energie zur Verfügung. Man stelle sich nun ein Gas aus länglichen Molekülen, wie Butan, vor: Sie werden dann zusätzlich zufällige Rotationen ausführen. Weil Zusammenstöße selten sind, werden Moleküle nicht von den Orientierungen ihrer Nachbarn beeinflusst.

Granulare Gase sind stark verdünnte Ensembles bewegter, makroskopischer fester Partikel. In unserem Bild vom molekularen Gas ersetze man nun also die Moleküle durch feste Körner. Stoßen Teilchen zusammen, oder stoßen sie an eine feste Gefäßwand, so verlieren sie kinetische Energie. Ab einer bestimmten Teilchendichte werden die Stöße so zahlreich werden, dass die Dynamik benachbarter Partikel nicht mehr unabhängig voneinander ist: Es bilden sich Ansammlungen langsamer Partikel, sogenannte Cluster. 

Um ein die Eigenschaften eines granularen Gases im Experiment zu messen, müssen wir einige Hürden umgehen:
Zunächst müssen wir die Gravitation loswerden - sonst fallen alle Teilchen herunter, wie in einem Sandhaufen, oder man muss sehr stark schütteln (will man aber nicht). Die Partikel verlieren bei jedem Stoß Energie und somit Geschwindigkeit. Möchten wir einen Zustand konstanter "Temperatur" beobachten, so müssen wir ständig mechanische Energie zuführen - sonst "kühlt unser Gas ab".

 Zunächst möchten wir im Experiment verdünnte granulare Gase untersuchen. Um einen Vergleich zu numerischen Simulationen anzustellen, sollen die Kollisionen zwischen den Partikeln wesentlich häufiger sein als solche mit den Behälterwanden. Benutzt man dazu Kugeln und regt durch Vibrationen der Wände an, so stellen Verklumpugen ein Problem. Außerdem sind dann so viele Kugeln im Bild, dass diese sich nicht eindeutig in Videos verfolgen lassen. Benutzt man dagegen dünne Stäbchen, so reichen wesentlich weniger Partikel aus. Diese kann man eindeutig in 3D verfolgen, und außerdem kann man ihre Rotation im Raum messen. Im REXUS-Projekt GAGa wurde erstmals ein granulares anisotropes Gas untersucht.

Die Partikelpositionen sind in granularen Gasen zufällig, wie in einer Flüssigkeit. Sind die Partikel länglich, so kann andererseits kann die Bevorzugung einer bestimmten Richtung zu Eigenschaften führen, die man sonst von Kristallen kennt. Auf molekularer Skale sind solche Strukturen- schon seit ungefähr einem Jahrhundert bekannt - Flüssigkristalle. Sie fließen wie eine Flüssigkeit, zeigen aber Orientierungs- und teils auch Positionsordnung und einige Eigenschaften ähnlich zu Kristallen. Flüssigkristalle bestehen aus stark formanisotropen Molekülen. Im einfachsten Fall richten stäbchenförmige Moleküle ihre Achsen parallel zueinander aus. Im Zeitalter der Flachbildschirme - ”LCD = Liquid Crystal Display”- in Computern, Kommunikations- und Unterhaltungsanwendungen ist ihre technologische Bedeutung immens. Vor ungefähr 50 Jahren schlug Lars Onsager, ein schwedischer Physiker, die Theorie vor, dass jegliche
sehr lange Stäbchen selbstorganisierte Ordnung zeigen können. Diese wurde in Simulationen in Clustern nachgewiesen.

Unser Experiment läuft wie folgt ab: Man werfe eine Anzahl
von 12 mm langen, 1,2 mm dicken Stäbchen in einen durchsichtigen Kasten und schicke die Rakete ins All (oder lasse die Fallturmkapsel fallen).
In Schwerelosigkeit schüttele man den Behälter auf eine wohldefinierte Art und Weise. So können wir die
Energie des granularen Gases kontrollieren. Man filme die Partikel im Behälter aus zwei Perspektiven.
Wieder zurück auf der Erde nehme man die Videos und analysiere sie mittels eines Computerprogramms
um die Positionen und Orientierungen der Stäbchen zu rekonstruieren. Aus diesen Daten zieht man dann
Schlüsse auf die Eigenschaften des Ensembles.

Letzte Änderung: 25.06.2013 - Ansprechpartner: Webmaster