Reibung, die kühlt

Reibung kostet auch Energie: Fahrzeugreifen reiben an der Straße, die Autos werden so kontinuierlich langsamer, wenn nicht wieder Gas gegeben wird. Liegen zwei Festkörper aufeinander, so bewegen sie sich nicht, auch wenn sie leicht geneigt werden: Die „trockene“ (es gibt kein Schmiermittel) Haftreibung – Coulombreibung – hält sie aneinander.

Das Gegenspiel von Coulombreibung und Bewegung ist in vielen Anwendungsszenarien wichtig. Beispielsweise bei geschüttelten Getreidekörnern, die aus einem Silo fließen sollen – hier ist die Antriebskraft oder „Aktivität“ nicht konstant, sondern fluktuiert. Dies führt zu einer komplizierten Stop-and-Go-Bewegung: Ein Teilchen gerät in Bewegung, bis es durch eine ungünstige Fluktuation gebremst und durch die Haftreibung zum Stillstand gebracht wird, um bei der nächsten günstigen Fluktuation wieder in Gang zu kommen. Die Physik sieht ein ruhendes Teilchen als „kalt“ an, ein sich bewegendes Teilchen als „heiß“. Die Haftreibung kühlt also letztendlich die aktiven Teilchen.

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Der mikroskopische Ursprung der Reibung

Physiker um Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU untersuchten zusammen mit Lorenzo Caprini aus Rom das Verhalten von vielen solcher aktiver Objekte. Dazu wuseln in einem Demonstrationsexperiment in der Düsseldorfer Physik viele Hundert 3D-gedruckte Miniroboter herum, angetrieben durch eine vertikal vibrierende Platte.

Bei ihrer Bewegung stoßen die Roboter ständig aneinander. Bei hoher Belegdichte und geringer Antriebskraft nahe der Schwelle schlägt die Haftreibung während der Stöße zu und kann immer wieder die kollidierenden Teilchen stoppen. Im Laufe der Zeit entstehen so Cluster, in denen sich die Roboter nicht mehr bewegen, also „kalt“ sind.

„Interessanterweise ergibt sich eine gemischte Situation mit großen Clustern, die sich dynamisch ändern“, betont Prof. Löwen: „Kalte Bereich koexistieren mit heißen Bereichen. Dies ist im Gleichgewicht unmöglich, denn dort würden sich solche Temperaturunterschiede durch Stöße sofort ausgleichen“.

Dieses Verhalten wird durch einen Wettstreit zwischen Aktivität und Coulombreibung induziert. In umfangreichen Modellsimulationen an der HHU, die das Experiment getreu abbilden, fand Alexander Antonov ein ähnliches Verhalten, solange ein Schwellenverhalten zugrunde liegt: „Uns ist gelungen, wovon viele theoretische Physiker träumen – den physikalischen Mechanismus hinter einem experimentellen Phänomen zu verstehen und diesen anschließend mit numerischen Simulationen am Computer nachzubilden.“

Prof. Caprini ist optimistisch, was zukünftige Anwendungen angeht: „Wichtig ist, dass man nicht von außen eingreifen muss, um das System abzukühlen. Die Roboter kühlen sich vielmehr selbst durch Stöße ab.“  

Ähnlich sieht es auch Prof. Löwen beim Blick auf Anwendungsszenarien: „In Zukunft ist dieser unerwartete Abkühleffekt möglicherweise nutzbar, um ganze Heerscharen von Robotern und das kollektive Verhalten von Schüttgütern automatisch ohne externe Einwirkung zu steuern.“ [HHU / dre]