Kollidierende Mikrostoßwellen im Labor
Messungen mit Hilfe eines Laserinterferometers zeigen Abweichungen zu theoretischen Vorhersagen.
Stoßwellen, salopp auch Schockwellen genannt, sind starke Druckwellen, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreiten. Neben dem hörbaren Knall kann der damit verbundene sehr hohe Druck an der Stoßfront einerseits Schäden verursachen – etwa bei Kavitationsblasen an einer Schiffsschraube – aber er lässt sich auch gezielt einsetzen. „Ein Beispiel aus der Medizin ist etwa das Zertrümmern von Nierensteinen, hier mit Hilfe makroskopischer Stoßwellen“, erklärt Ulrich Teubner vom Institut für Laser und Optik an der Hochschule Emden/Leer. „Hingegen arbeiten wir bei uns im Labor mit Stoßwellen, deren Breite viel kleiner ist, konkret ist der Durchmesser geringer als ein Haar.“ Neue, anspruchsvolle Experimente im Mikro-Maßstab werden im Rahmen eines von der DFG geförderten Projekts der Arbeitsgruppe von Prof. Teubner durchgeführt, an dem sein Doktorand Lars Jepsen wesentlich beteiligt ist.
Während es zu großen, also makroskopischen Stoßwellen bereits zahlreiche Erkenntnisse gibt, ist vieles auf dem Gebiet der experimentellen Erforschung von Mikrostoßwellen, insbesondere ihres Verhaltens bei Kollisionen, noch unbekannt. Die aktuelle Untersuchung leistet insofern Pionierarbeit im Bereich der Grundlagenforschung. Dabei werden die Stoßwellen unter anderem durch den Beschuss mit extrem kurzen Laserpulsen generiert, die am Eingang einer dünnen Kapillare ein Plasma erzeugen. Zukünftig mögen sich daraus Anwendungen ergeben, etwa im technischen oder medizinischen Bereich.
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Die Forscher analysierten das Aufeinanderprallen der Stoßwellen mit Hilfe eines Laserinterferometers, das die Geschwindigkeit und Dichte maß. Ein wichtiger Meilenstein war, dass sie zeigen konnten, dass sich die laserproduzierten Mikrostoßwellen zum Teil anders verhalten als herkömmliche, etwa durch Ventile erzeugte Stoßwellen. So stimmen die Daten der Untersuchungen zum Teil mit theoretischen Vorhersagen überein, jedoch gab es auch Abweichungen. „Das bedeutet, dass die physikalischen Modelle zum Teil von Theoretikern überarbeitet werden müssen“, so Teubner.
Die Untersuchung könnte somit auch allgemeine Erkenntnisse zur Stoßwellenphysik liefern und Anwendungen in der Mikrofluidik, Medizin und Lasertechnologie vorantreiben. „Wir sind weltweit bisher die einzige Gruppe, die die Versuche vom Experiment her beherrscht“, betont der Professor. Vor Kurzem waren zwei Forscher eines französischen Instituts zu Gast an der Hochschule, um gemeinsam vor Ort zu experimentieren. [HSEL / dre]
