Die Physik der Blutströmungen
Interdisziplinäre Forschergruppe analysiert komplexes Verhalten pulsierender Strömungen.
Die Art und Weise, wie Blut durch die Gefäße strömt, spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, etwa Thrombosen und Arteriosklerose. Allerdings sind die physikalischen Grundlagen des Blutstroms kaum bekannt. Blut ist heterogener als Wasser ist und wird von einer Pumpe, dem Herzen, angetrieben, es pulsiert. Bisherige Experimente zum Strömungsverhalten basieren aber in der Regel auf Wasser, das sich gleichförmig bewegt. Ein interdisziplinäres Team aus der Physik, den Ingenieurwissenschaften und der Medizin aus mehreren Universitäten wollen diese Wissenslücke schließen. Gemeinsam arbeiten sie in der neu eingerichteten Forschungsgruppe „Instabilitäten, Bifurkationen und Migration in pulsierender Strömung“ an diesem Ziel. Sprecher und Stellvertreter der Forschungsgruppe sind Christian Wagner aus Saarbrücken und Marc Avila aus Bremen.
Genaue Kenntnis des Strömungsverhaltens von Blut könnte helfen, die Ursachen von Thrombosen und ähnlichen Leiden besser zu verstehen – und mittelfristig auch, diese Krankheiten zu vermeiden oder effektiver zu therapieren. Doch die Grundlagen der Strömungsphysik von Blut und weiteren ähnlichen komplexen Flüssigkeiten, die überdies von einer Pumpe angetrieben werden, sind weitestgehend unerforscht. Nicht nur im menschlichen Körper, sondern auch in der Industrie fließen Flüssigkeiten nicht gleichförmig durch ein einfaches Röhrensystem. In den allermeisten Fällen pulsieren sie in einem bestimmten Takt. Vereinfacht gesagt: Sie sind mal langsamer und mal schneller, und überdies bilden sich oft Verwirbelungen und Turbulenzen entstehen. Fließt zudem etwas Anderes als Wasser durch die Leitungen, also etwa Blut oder Dispersionsfarben, und ist das Röhrensystem, durch das diese Flüssigkeiten strömen, so komplex wie zum Beispiel das Blutgefäßsystem, werden Simulationen dieser Strömungen zu einer hochkomplizierten Angelegenheit.
Dieser Herausforderung möchten sich die Physiker in der Forschungsgruppe „Instabilitäten, Bifurkationen und Migration in pulsierender Strömung“ nun stellen. In den kommenden Jahren erforschen sie unter der Federführung von Christian Wagner, nach welchen Gesetzmäßigkeiten komplexe Flüssigkeiten durch solche Leitungssysteme fließen. „Wir möchten am Ende vor allem eine möglichst genaue theoretische Beschreibung dieser Instabilitäten in Blutströmungen erhalten“, erklärt der Sprecher der Forschergruppe von der Universität des Saarlandes. Die Erkenntnisse werden dringend benötigt. „Denn experimentell sind bisher fast nur gleichmäßige Strömungen erforscht“, sagt Wagner.
„Wir werden den Einfluss eines pulsierenden Antriebs beginnend mit dem einfachsten System, also Wasser, studieren. Darauf aufbauend wird die Komplexität der Flüssigkeit erhöht, bis hin zur Zusammensetzung von Blut. Neben geraden Röhren werden wir verschiedene Strömungsgeometrien wie zum Beispiel Krümmungen sowie den Einfluss elastischer Wände studieren“, erläutert Wagner das geplante Vorgehen. Am Ende der ersten Förderperiode von drei Jahren möchten die Wissenschaftler die Grundlagen für ein tragfähiges theoretisches Modell für das Strömungsverhalten von Blut und ähnlichen Flüssigkeiten erarbeitet haben. Falls die Deutsche Forschungsgemeinschaft beschließt, die Forschungsgruppe in einer weiteren dreijährigen Periode zu fördern, könnten Christian Wagner und seine Kollegen die Erkenntnisse zu einem vollständigen physikalischen Modell der Blutströmung ausbauen.
Die Forschungsgruppe FOR 2668 wird von der DFG ab August 2019 für drei Jahre mit rund 2,4 Millionen Euro gefördert. 700.000 Euro davon erhält die Universität des Saarlandes. Weitere Partner im Verbund sind die Universitäten Bremen, und Bayreuth sowie das Helmholtz-Institut Nürnburg-Erlangen, das IST in Klosterneuburg bei Wien und die eidgenössische Forschungsanstalt WSL in Zürich.
U. Saarland / JOL
