Pumpen durch Vibration

Für den Transport von Flüssigkeiten existiert eine Vielzahl technischer Lösungen. Im Wesentlichen lassen sie sich zwei Kategorien einteilen: Verdrängerpumpen, die das Medium durch in sich geschlossene Volumina fördern, und Strömungspumpen, die ausschließlich auf Basis strömungs­mechanischer Vorgänge arbeiten. Letztere ist nun durch eine Arbeit von Benjamin Thiria und Jun Zhang an der Universität von New York um eine Facette reicher geworden. Das neue Konzept lässt Wasser durch einen speziell strukturierten Strömungs­kanal fließen – angeregt durch Vibration.

Das Herzstück der neuen Pumpe ist ein 7,6 Zentimeter langer und 4 Zentimeter breiter Strömungs­kanal, dessen Höhe variabel ist. Sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Kanals weisen eine etwa 6 Millimeter tiefe Sägezahn­struktur auf. Aufgrund der Anisotropie dieser Struktur hängt der Strömungs­widerstand von der Fließrichtung ab. Entlang der Zähne ist er geringer als dagegen. Um diesen Effekt experimentell zu überprüfen, stellten die Forscher zunächst eine konstante Kanalhöhe von etwa 2 Millimetern ein und maßen den Durch­fluss bei unterschiedlichen Druck­gradienten. Das Ergebnis: Die Widerstands­koeffizienten entlang der beiden Strömungs­richtungen unterschieden sich um über zwanzig Prozent. Verantwortlich dafür sind kleine Wirbel zwischen den aufeinander­folgenden Zähnen, die die Forscher mithilfe winziger Partikel in der Flüssigkeit sichtbar machen konnten. Fließt das Wasser entlang der Zähne, sind die Wirbel schwächer und es geht weniger kinetische Energie verloren.

Um aus diesem anisotropen Strömungs­kanal eine Pumpe zu machen, ließen Thiria und Zhang seine Oberseite mit einer Frequenz von einigen Hertz und einer Amplitude von etwa zwei Millimetern vibrieren. Dadurch variierte die Höhe des Kanals periodisch: Während des Öffnens strömte das Wasser von beiden Seiten ein, während des Schließens wurde es in beide Richtungen verdrängt. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungs­geschwindigkeiten lag jedoch der Punkt, an dem sich die beiden Strömungen beim Öffnen trafen, nicht in der Mitte des Kanals, sondern näher an seinem Ausgang. Der Punkt, von dem aus die Strömungen beim Schließen auseinander flossen, lag dagegen näher am Eingang. Das Volumen zwischen den beiden Punkten entspricht genau der Menge an Flüssigkeit, die pro Zyklus gefördert wird. Auch diesen Prozess konnten die Forscher durch eine Visualisierung der Strömungs­vorgänge bestätigen. Abhängig von verschiedenen Parametern wie der durch­schnittlichen Kanalhöhe und der Anregungsfrequenz erreichte die Pumpe so eine Förderleistung von bis zu 16 Millilitern pro Sekunde bei durchschnittlichen Strömungs­geschwindigkeiten um die zehn Zentimeter pro Sekunde.

Mögliche Anwendungen für ihre – sehr treffend als Ratschenpumpe bezeichnete – Entwicklung sehen die Forscher vor allem in der Industrie. Wo immer schwere Maschinen unbeabsichtigt vibrieren, geht Energie verloren. Zumindest ein Teil davon könnte von derartigen Pumpen verwendet werden, um etwa den Kreislauf von Kühl­flüssigkeit anzutreiben. Darüber hinaus würden die Vibrationen gedämpft, was sowohl die Lebens­dauer der Maschinen verlängern als auch die Lärm­belastung verringern würde.

Thomas Brandstetter