Emder Forschung zu Stoßwellen strahlt über die Region hinaus

Durchbricht ein Flugzeug die Schallmauer, macht sich dies mit einem lauten Knall bemerkbar. Ebenso der Eintritt einer Rakete in die Erdatmosphäre. Diese Phänomene sind eng mit der Physik von Stoßwellen verknüpft, einem Thema mit dem sich Forscher der Hochschule Emden/Leer befassen. Aktuelle Arbeiten zu diesen Stoßwellen, diesmal jedoch auf kleinsten räumlichen Skalen, hat ein Team um Prof. Dr. habil. Ulrich Teubner vom Institut für Laser und Optik (ILO) an der Hochschule Emden/Leer nun in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.

Stoßwellen, manchmal auch Schockwellen genannt, sind quasi 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 kann auch gezielt eingesetzt werden. „Ein Beispiel aus der Medizin ist etwa das Zertrümmern von Nierensteinen, hier mit Hilfe makroskopischer Stoßwellen“, erklärt Prof. Dr. Ulrich Teubner. „Hingegen arbeiten wir bei uns im Labor mit Stoßwellen, deren Breite viel kleiner ist, konkret ist der Durchmesser geringer als ein Haar.“ Der Professor lehrt seit 20 Jahren am Fachbereich Technik der Hochschule und hat einige große Forschungsprojekte mit namhaften externen Partnern, wie etwa dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, umgesetzt. Die überaus anspruchsvollen Experimente im Mikro-Maßstab werden im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes 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 Mikro-Stoßwellen, insbesondere ihres Verhaltens bei Kollisionen, noch unbekannt. Die aktuelle Untersuchung, die Prof. Teubner gemeinsam mit seinem im vergangenen Jahr verstorbenen Kollegen Prof. Dr. Walter Garen und mit Lars Jepsen durchgeführt hat, leistet insofern Pionierarbeit im Bereich der Grundlagenforschung. Dabei werden die Stoßwellen unter anderem durch den Beschuss mit extrem kurzen Laserimpulsen generiert, die am Eingang einer dünnen Kapillare ein sogenanntes Plasma erzeugen. Zukünftig mögen sich daraus Anwendungen, z.B. im technischen oder medizinischen Bereich ergeben. 

Die Forscher analysierten das Aufeinanderprallen der Stoßwellen mit Hilfe eines Laser-Interferometers, das die Geschwindigkeit und Dichte maß. Ein wichtiger Meilenstein war, dass sie zeigen konnten, dass sich die laser-produzierten Mikro-Stoßwellen 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 Laser-Technologie 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. 

Details zu den Forschungsergebnissen des Instituts sind in der „Scientific Reports“ nachzulesen, einer internationalen Fachzeitschrift, die vom Verlag im Nature Portfolio herausgegeben wird und Themen aus allen Bereichen der Natur- und Geowissenschaften abdeckt. Zu finden ist der Fachartikel unter rdcu.be/fnNAp.

Zum Institut:

Am Institut für Laser und Optik (ILO) an der Hochschule Emden/Leer sind verschiedene Arbeitsgruppen angesiedelt, die im stetigen Austausch mit Fachleuten weltweit sind. Umgesetzt werden sowohl durch Drittmittel geförderte als auch hochschulinterne Forschungsprojekte, die auch in die Lehre, insbesondere im Kooperationsstudiengang Engineering Physics mit der Universität Oldenburg, eingebunden werden. Die Bandbreite der Forschungsgebiete überstreicht dabei verschiedene Gebiete der Laserphysik und Optik, wie etwa die Anwendung ultrakurzer und sehr intensiver Lichtpulse in der Arbeitsgruppe von Prof. Teubner.