Presse

Die Faszination der Tropfen

Nächste Runde für transregionalen Sonderforschungsbereich 75

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat der Universität Stuttgart die Fortsetzung des transregionalen Sonderforschungsbereich 75 (SFB-TRR 75) zum Thema „Tropfendynamische Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen“ bewilligt. In diesem Transregio kooperieren Stuttgarter Forscher mit der Technischen Universität Darmstadt und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen. Sprecher ist Prof. Bernhard Weigand vom Institut der Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt der Universität Stuttgart. Die Finanzierung beträgt für das Jahr 2014 2,2 Millionen Euro und in den folgenden drei Jahren jeweils 1,7 Millionen Euro.

Mit der Verlängerung werden auch zwei neue und ein bisher assoziiertes Teilprojekte in die Förderung aufgenommen. Damit kann der Transregio sein Profil sowohl im Bereich der numerischen Grundlagen als auch in der numerischen und experimentellen Untersuchung von Flashboiling-Vorgängen in Raketenbrennkammern stärken. Bei der Begutachtung des Sonderforschungsbereichs im September 2013 konnten sich die Gutachter ein Bild von der hervorragenden Kooperation der Wissenschaftler an den drei beteiligten Standorten machen. Alle laufenden und neu hinzu kommenden Teilprojekte konnten die Gutachter durch Ihre Qualität überzeugen. Deshalb fallen nach der ersten Phase des SFB-TRR 75 keine Projekte weg, sondern es treten noch diese drei neuen hinzu. Die Entscheidung fiel am 21.11. bei der Auswahlsitzung in Bonn, bei der die Gutachter aus bundesweit 39 Anträgen 32 zur Förderung auswählten.

Prof. Wolfram Ressel, Rektor der Universität Stuttgart, bedankte sich bei allen Beteiligten im transregionalen Forschungsbereich für das erfolgreiche Engagement und unterstrich: „Die DFG-Entscheidung bestätigt erneut das international hohe Niveau der Grundlagenforschung an der Universität Stuttgart. Dieser Erfolg bekräftigt unsere Hoffnung, im nächsten Jahr einen weiteren Sonderforschungsbereich an unserer Universität etablieren zu können.“

Tropfen in Natur und Technik
Tropfen spielen in vielen Bereichen der Natur und der Technik eine zentrale Rolle. Hierbei ist das grundsätzliche Verständnis von tropfendynamischen Prozessen entscheidend für die Verbesserung technischer Systeme oder die bessere Voraussage natürlicher Prozesse. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen ab und werden schon in der Technik angewandt, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis der Vorgänge gibt. Hier genau setzt nun der Transregio an. Ziel ist es, ein vertieftes physikalisches Verständnis dieser Prozesse zu gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung dieser Prozesse aufgezeigt und diese selbstverständlich auch umgesetzt werden. Zudem wird dadurch auch eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglicht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen exemplarisch auf fünf ausgewählte Systeme als „ Leitbeispiele“ angewendet werden. Vergleiche der Voraussagen mit dem tatsächlichen Verhalten der Systeme dienen der fortlaufenden kritischen Überprüfung der Ergebnisse der Untersuchungen. Nachdem der Fokus des SFB-TRR 75 in der ersten Förderphase auf grundlegenden Vorgängen von Einzeltropfen lag, fokussiert der Transregio in der zweiten Phase auf kleine Tropfengruppen und Tropfenverbünde, die sich alle entlang der gewählten Leitbeispiele ausrichten.

Erfolg im Forschungswettbewerb - Neuer Sonderforschungsbereich

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat der Universität Stuttgart einen neuen, transregionalen Sonderforschungsbereich bewilligt. In dem Transregio zum Thema „Tropfendynamische Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen“ kooperieren Stuttgarter Forscher mit der Technischen Universität Darmstadt und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen. Sprecher ist Prof. Bernhard Weigand vom Institut der Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt der Uni Stuttgart.

Die Entscheidung für die Förderung dieser langfristig angelegten, interdisziplinären Forschungseinrichtungen fiel gestern am späten Nachmittag bei einer Auswahlsitzung in Bonn, bei der die Gutachter aus bundesweit 36 Anträgen 26 auswählten. Die Universität Stuttgart war mit vier Anträgen ins Rennen gegangen. „Angesichts der großen Konkurrenz sind wir zufrieden, dass wir uns zumindest mit einem Antrag durchsetzen konnten“, sagt dazu Uni-Rektor Prof. Wolfram Ressel: „Allerdings hätten wir uns mehr gewünscht“, betont er. Mit dem neuen Transregio fördert die DFG an der Universität Stuttgart derzeit an Großprojekten den Exzellenzcluster Simulation Technology, sieben Sonderforschungsbereiche (darunter drei so genannte Transregios, in denen Forscher mehrerer Universitäten kooperieren), einen Transferbereich, fünf Forschergruppen und mehrere Graduiertenschulen.

Tropfen in Natur und Technik
Tropfen spielen in vielen Bereichen der Natur und der Technik eine zentrale Rolle. Hierbei ist das grundsätzliche Verständnis von tropfendynamischen Prozessen entscheidend für die Verbesserung technischer Systeme oder die bessere Voraussage natürlicher Prozesse. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen ab und werden schon in der Technik angewandt, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis der Vorgänge gibt. Hier genau setzt nun der Transregio an. Ziel ist es, ein vertieftes physikalisches Verständnis dieser Prozesse zu gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung dieser Prozesse aufgezeigt und diese selbstverständlich auch umgesetzt werden. Zudem wird dadurch auch eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglicht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen exemplarisch auf fünf ausgewählte Systeme als „Leitbeispiele“ angewendet werden. Vergleiche der Voraussagen mit dem tatsächlichen Verhalten der Systeme dienen der fortlaufenden kritischen Überprüfung der Ergebnisse der Untersuchungen. Die Finanzierung beträgt für 2010 2,4 Millionen Euro und in den folgenden drei Jahren jeweils 1,5 Millionen Euro.

DFG richtet 17 weitere Sonderforschungsbereiche ein

Themen reichen von neuartigen Prothesen über politische Reformen bis zu marinen Bakterien

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) richtet zum 1. Januar 2010 weitere 17 Sonderforschungsbereiche (SFB) ein. Der zuständige Bewilligungsausschuss der DFG beschloss dies nun in Bonn. Die neuen SFB werden mit insgesamt 132 Millionen Euro für zunächst vier Jahre gefördert, hinzu kommt jeweils die 20-prozentige Programmpauschale für indirekte Kosten.

Unter anderem untersuchen die neuen Forschungsverbünde Kommunikationsprozesse in und zwischen Zellen auf molekularer Ebene, neue Perspektiven von Materialsystemen mit elektronischen Wechselbeziehungen und die Bedeutung der Bakteriengruppe der Roseobacter für den Kohlenstoffhaushalt der Weltmeere.

Weitere Themen der neuen SFB sind die Entwicklung einer antibiotikafreien Ernährung beim Schwein, die Ursachen für Erfolg oder Scheitern von politischen Reformen und die Untersuchung von Leberkrebs von seiner molekularen Entstehung bis hin zur Metastasierung. Sechs der 17 neuen Verbünde sind SFB/Transregio, die sich auf mehrere Forschungsstandorte verteilen.

Der Bewilligungsausschuss stimmte außerdem für die Verlängerung von neun SFB für jeweils eine weitere Förderperiode. Die DFG fördert damit ab 1. Januar 2010 insgesamt 244 Sonderforschungsbereiche.

Die neuen Sonderforschungsbereiche im Einzelnen:

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Im Mittelpunkt des SFB/Transregio 75 "Tropfendynamische Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen" stehen Tropfen, die in vielen Bereichen von Natur und Technik eine zentrale Rolle spielen, wie zum Beispiel in Brennkammern von Raketenmotoren, in Dieselmotoren und bei der Erzeugung von Feststoffpartikeln. Stuttgarter Forscherinnen und Forscher wollen ein vertieftes physikalisches Verständnis von Prozessen mit Tropfen unter extremen Umgebungsbedingungen im Detail gewinnen. So sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung dieser Prozesse aufgezeigt und diese praktisch umgesetzt werden. Genauere Vorhersagen zu Abläufen der Vorgänge und das bessere Verständnis der elementaren Prozesse sollen dabei im Fokus stehen und eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglichen. (Sprecherhochschule: Universität Stuttgart; Sprecher: Professor Dr. Bernhard Weigand; außerdem beteiligt: Technische Universität Darmstadt, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Lampoldshausen)
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Vollständige Pressemitteilung: http://www.dfg.de/service/presse/pressemitteilungen/2009/pressemitteilung_nr_64/index.html

Von Regenwolken bis Raketen

Was haben eine Regenwolke und die Kraftstoffeinspritzung in einem Fahrzeugmotor gemeinsam? Beide bestehen aus Milliarden mehr oder weniger kleiner Tropfen. Wie sich diese Tropfen verhalten, wenn sie zum Beispiel hohem Druck, extremen Temperaturen oder elektrostatischer Aufladung ausgesetzt sind, ist für Wetterprognosen ebenso bedeutsam wie für die effiziente Arbeit vieler technischer Systeme. Zum ersten Januar startete ein neuer transregionaler Sonderforschungsbereich (SFB-TRR 75) unter der Federführung der Uni Stuttgart, der solche tropfendynamische Prozesse unter Extrembedingungen untersucht.

Tropfen verhalten sich unter extremen Umgebungsbedingungen ganz unterschiedlich: Sie können sich beispielsweise verformen oder zerfallen, zu Dampf kondensieren, von einer Oberfläche ablaufen oder unverändert in ihrer Position bleiben. Und dies sind nur einige Möglichkeiten. Das Wissen darüber, was im konkreten Fall passiert, ist entscheidend für die Voraussage von Vorgängen in der Natur sowie für die Optimierung technischer Systeme.

Dies umso mehr, weil viele tropfendynamische Prozesse in der Technik bereits angewandt werden, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis gibt. Genau hier setzt der Transregio an. Die Wissenschaftler wollen ein vertieftes physikalisches Verständnis der wesentlichen Vorgänge gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung aufgezeigt und umgesetzt werden.

Die Erkenntnisse sollen im Laufe der Förderperiode exemplarisch auf fünf ausgewählte Systeme als „Leitbeispiele“ angewendet werden: So werden die Wissenschaftler das Verhalten unterkühlter und potenziell elektrisch geladener Tropfen in Wolken untersuchen, was für die Vorhersage von Niederschlägen von entscheidender Bedeutung ist. Ein zweiter Bereich ist der Aufprall unterkühlter Tropfen auf Flugzeugbauteile. Dabei kommt es zur Bildung von Eisschichten, die die Flugeigenschaften stark beeinträchtigen und sogar zum Absturz eines Flugzeugs führen können. Das Verhalten stark geladener Tropfen auf Isolatoroberflächen an Hochspannungsleitungen ist ein weiteres Themenfeld. Hier beeinflussen Tropfen die Güte und die Lebensdauer dieser Isolatoren, wobei die von den Tropfenrändern ausgehende elektrische Teilentladung eine maßgebliche Rolle spielt.

Am Beispiel von Raketenbrennkammern wird untersucht, wie sich Tropfen bei verschiedenen Vorgängen unter extremen Bedingungen verhalten. Dazu gehören das Einspritzen von Treibstoff an oder oberhalb bestimmter kritischer Grenzwerte für Druck und Temperatur sowie das aufgrund der Überhitzung des Treibstoffs auftretende sogenannte „Flash Boiling“, eine sprunghafte Verdampfung. Und last but not least untersucht der SFB Kraftstoffsprays für zukünftige Verbrennungssysteme, bei denen mit steigenden Druckverhältnissen zu rechnen ist.

Die wissenschaftliche Kernthematik des Transregios liegt dabei in der skalenübergreifenden Modellierung und Beschreibung der Prozesse. Skalenübergreifend bedeutet, dass sich die Größenskala der beschriebenen Vorgänge vom Nanometerbereich beim Wachstum von Eiskristallen bis hin zu mehreren Kilometern bei ganzen Wolken bewegt. Entsprechend verändern sich auch die charakteristischen Beobachtungszeiten in einem sehr großen Bereich.

75 Wissenschaftler in 14 Teilprojekten
Um all dies umzusetzen, haben sich in dem neuen Sonderforschungsbereich 75 Wissenschaftler aus den Fachrichtungen Mathematik, Physik, Chemie, Informatik sowie aus den Ingenieurwissenschaften zusammengetan. Beteiligt sind neben der Uni Stuttgart die Technische Universität Darmstadt sowie das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Sprecher ist Prof. Bernhard Weigand vom Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR) der Uni Stuttgart. Bearbeitet werden zunächst 14 Teilprojekte, die sich mit den methodischen Grundlagen, mit frei schwebenden Tropfen und mit Tropfen an Oberflächen befassen.
Seitens der Universität Stuttgart sind vier Institute an dem SFB TRR beteiligt. So entwickelt das Visualisierungsinstitut (VISUS) unter der Leitung von Prof. Thomas Ertl Algorithmen und Methoden, die eine interaktive Visualisierung großer zeitabhängiger Daten aus Simulationen von tropfendynamischen Prozessen erlauben. Damit können experimentelle Methoden nachgebildet und sichtbar gemacht werden, was einen direkten Vergleich von Simulations- und Messergebnissen ermöglicht. Die große Datenmenge erfordert die intelligente Reduktion dieser Daten sowie den Einsatz parallelisierter Methoden auf Hochleistungscomputern. Am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) beschäftigt sich die Gruppe von Prof. Claus-Dieter Munz mit der numerischen Modellierung von Mehrphasenströmungen. Unter anderem entwickeln die Wissenschaftler das innerhalb des Transregio verwendete Programmpaket „Free Surface 3D“ (FS3D) so weiter, dass es für die Betrachtung von so genannten kompressiblen Strömungen unter Extrembedingungen eingesetzt werden kann. Prof. Christian Rohde und sein Team am Institut für Angewandte Analysis und Numerische Simulation (IANS) werden die mathematische Seite der Grenzflächendynamik und ihrer Modellierung analysieren.

Am ITLR schließlich nehmen Prof. Weigand, Dr. Grazia Lamanna und Dr. Norbert Roth zum einen die physikalischen Vorgänge in Wolken ins Visier. Dabei spielt das Verdampfungs- und das Gefrierverhalten von unterkühlten Tropfen eine entscheidende Rolle. In einem zweiten Teilprojekt befasst sich die Gruppe mit der Untersuchung von Tropfen und Sprays im sub-, trans- und überkritischen Bereich, also jenem Grenzbereich, in denen die Trennlinien zwischen Flüssigkeit und Gas verwischen. Hierzu wird die Injektion von Tropfenketten und Sprays in besonderen Prüfständen, so zum Beispiel in Hochdruckkammern oder Stoßrohren unter extremen Umgebungsbedingungen, untersucht. Die maßgeblichen Vorgänge werden dabei millimetergenau und in Sekundenbruchteilen erfasst.

Darüber hinaus arbeit der Transregio mit dem Exzellenzcluster Simulation Technology (Simtech) zusammen. So soll bei der Weiterbildung der beteiligten Wissenschaftler kooperiert werden, Workshops sollen stets für Teilnehmer aus beiden Bereichen zugänglich sein.