Windenergieforschung 29.10.2020, 07:00 Uhr

Geheimnis auf der Spur: Forscher erschaffen erstmals einen Sturm

Einem Forscherteam an der Universität Oldenburg ist es gelungen, sich dem Geheimnis anzunähern, das Sturmböen so unberechenbar macht. Sie konnten das physikalische Rätsel, das dahinter steckt, zwar nicht lösen, aber sie haben es, vereinfacht gesagt, erstmals kopiert.

Professor vor Rotoren

Joachim Peinke hat mit den vier Rotoren des Windkanals innovative Experimente durchgeführt.

Foto: Mohssen Assanimoghaddam/Universität Oldenburg

Es gibt wenige Phänomene, die so unberechenbar sind wie Wind. Denn selbst ein starker Sturm fegt nicht gleichmäßig über die Landschaft hinweg. In ihm wüten Böen, die viel zerstören können. Es ist jedoch nicht möglich, vorherzusagen, wie und wo sie Schäden verursachen. Das lässt sich gut an einem Wald ablesen, in dem zahlreiche Bäume entwurzelt sind – der Wind schlägt regelrechte Schneisen in den Wald, die aber meist schmal sind. Die Bäume links und rechts davon bleiben unbehelligt. Einem Forscherteam der Universität Oldenburg und der französischen Université de Lyon ist es jetzt erstmals gelungen, solche Sturmböen im Windkanal künstlich zu erschaffen. Damit haben sie eine wichtige Grundlage geschaffen, um Windkraftanlagen oder Gebäude besser auf die Kräfte der Natur abstimmen zu können.

Sturmböen sind unberechenbar

Windböen sind in der Sprache der Physiker nichts anderes als lokale Turbulenzen. Es ist bekannt, dass sie aus großräumigen atmosphärischen Strömungen entstehen, doch die genauen Mechanismen sind nicht klar. Den Forschern ist es aber zumindest gelungen, quasi ein Stück aus dem Sturm herauszutrennen. „Unsere experimentelle Entdeckung macht unseren Windkanal zum Vorbild für eine neue Generation solcher Anlagen, in denen zum Beispiel die Auswirkungen von Turbulenzen auf Windenergieanlagen realistisch erforscht werden können“, sagt Joachim Peinke, der als Physiker am Zentrum für Windenergieforschung (ForWind) an der Universität Oldenburg arbeitet.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Eiffage Infra-Süd GmbH-Firmenlogo
Arbeitsvorbereiter (m/w/d) Infrastrukturbau Eiffage Infra-Süd GmbH
Hersbruck, Pfaffenhofen, Schwabach b. Nürnberg, Stuttgart Zum Job 
Eiffage Infra-Süd GmbH-Firmenlogo
Technischer Projektcontroller (m/w/d) Infrastrukturbau Eiffage Infra-Süd GmbH
Hersbruck, Pfaffenhofen, Schwabach b. Nürnberg, Stuttgart Zum Job 
Jakob Mooser GmbH / Mooser EMC Technik GmbH-Firmenlogo
Prüfingenieur/ -techniker (m/w/d) Elektromagnetische Verträglichkeit Jakob Mooser GmbH / Mooser EMC Technik GmbH
München, Ludwigsburg Zum Job 
Eiffage Infra-Süd GmbH-Firmenlogo
Bauleiter (m/w/d) Infrastrukturbau Eiffage Infra-Süd GmbH
Hersbruck, Pfaffenhofen, Schwabach b. Nürnberg, Stuttgart Zum Job 
SCHUNK GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Full Stack Entwickler (m/w/d) SCHUNK GmbH & Co. KG
Lauffen Zum Job 
SCHUNK GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Architektur und Requirements (m/w/d) SCHUNK GmbH & Co. KG
Lauffen Zum Job 
SCHUNK GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Softwareentwickler Computer Vision (m/w/d) SCHUNK GmbH & Co. KG
Lauffen Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
Senior Full Stack Web Entwickler (m/w/d) ARRK Engineering GmbH
München Zum Job 
Stadt Braunschweig-Firmenlogo
Abteilungsleitung (m/w/d) Straßenplanung und -neubau Stadt Braunschweig
Braunschweig Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
Senior Engineer (m/f/d) Automotive Electronics ARRK Engineering GmbH
München Zum Job 
Stadt Wolfsburg-Firmenlogo
Bauingenieur*in / Straßenbauingenieur*in als Abteilungsleiter*in Straßenplanung und Straßenneubau (m/w/d) Stadt Wolfsburg
Wolfsburg Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Fahrerassistenzsysteme (m/w/d) ARRK Engineering GmbH
München, Unterschleißheim, Home-Office Zum Job 
Stadt Braunschweig-Firmenlogo
Leitung (m/w/d) der Stelle Verkehrsmanagement, öffentliche Beleuchtung, Lichtsignalanlagen Stadt Braunschweig
Braunschweig Zum Job 
KOSCHE Holzwerkstoffe GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Technischer Betriebsleiter/Produktionsleiter, Fertigung Holzindustrie (m/w/d) KOSCHE Holzwerkstoffe GmbH & Co. KG
CureVac Manufacturing GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (w/m/d) Messtechnik CureVac Manufacturing GmbH
Tübingen Zum Job 
United Initiators GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (Dipl./Master) für Mess- und Regeltechnik (m/w/d) United Initiators GmbH
Pullach Zum Job 
Cargill GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) Cargill GmbH
Malchin Zum Job 
HIGHVOLT Prüftechnik Dresden GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) Leistungselektronik HIGHVOLT Prüftechnik Dresden GmbH
Dresden Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur / Projektingenieur (w/m/d) für die Projektleitung im Brückenbau Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Medi-Globe Technologies GmbH-Firmenlogo
Quality and Validation Engineer / Technician (m/w/d) Medi-Globe Technologies GmbH
Achenmühle Zum Job 

Zukunft Windenergie

Zum Hintergrund: Das Geheimnis für das Ausmaß von Turbulenzen verbirgt sich in der sogenannten Reynolds-Zahl. Diese physikalische Größe beschreibt das Verhältnis von Bewegungsenergie und bremsenden Reibungskräften, die in einem Medium herrschen. Das lässt sich folgendermaßen herunterbrechen: Je größer diese Reynolds-Zahl ist, desto turbulenter ist eine Strömung. Eigenartigerweise treten Extremereignisse wie plötzliche Sturmböen umso häufiger auf, je kleiner die Größenskala ist, auf der man die Turbulenz betrachtet. Praktisch heißt das, dass in einem starken Sturm Böen stärker auf eine Fliege einwirken als beispielsweise auf ein Flugzeug. Dafür haben selbst die klügsten Köpfe der Welt noch keine Erklärung gefunden. Die physikalischen Gleichungen, die Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen beschreiben, sind für den Fall der Turbulenz bislang ungelöst. Dieses Rätsel ist eines der berühmten Millennium-Probleme der Mathematik – das Clay Mathematics Institute in den USA hat für die Lösung dieser Aufgaben jeweils eine Million Dollar als Preis ausgesetzt.

Auf den können die Oldenburger Forscher allerdings nicht hoffen, denn sie haben sich bei ihren Sturmböen nicht vornehmlich mit der Theorie der Entstehung beschäftigt, sondern sie haben versucht, die Reynolds-Zahl zu beeinflussen. Das ist ihnen tatsächlich gelungen. Bei Experimenten im Windkanal haben sie diese mathematische Größe um den Faktor hundert erhöht. In dieser Größenordnung werden annähernd die Verhältnisse wie in einem echten Sturm erreicht.

Kleine Turbulenzen entstehen von selbst

Praktisch liefen die Versuche folgendermaßen ab: Der Windkanal in Oldenburg ist 30 Meter lang. Die Luftströmungen werden von vier Rotoren erzeugt und erreichen eine Geschwindigkeit von bis zu 150 Kilometern pro Stunde. Das entspräche in etwas einem Hurrikan der Kategorie 1. Für ein realistisches Szenario benötigen die Forscher jedoch Böen, also Verwirbelungen. Dafür setzten sie ein aktives Gitter ein. Diese Konstruktion misst drei mal drei Meter und besteht aus knapp tausend kleinen, rautenförmigen Aluminiumflügeln. Die Plättchen lassen sich steuern und und in zwei Richtungen drehen. Das Ganze wurde am Anfang des Windkanals befestigt. Auf diese Weise konnten die Forscher Teile der Windkanaldüse kurz versperren und wieder öffnen. So kam es zu Verwirbelungen.

Künstliche Intelligenz verbessert Wettervorhersagen

Wichtig war dabei, dass die Forscher das Gitter chaotisch bewegten. Das Gleiche galt für das Gebläse. Es ergänzte die winzigen Verwirbelungen um eine größere Bewegung in Längsrichtung des Windkanals. „Die eigentliche Entdeckung liegt darin, dass die Windkanalströmung diese beiden Komponenten zu einer perfekten, realistischen Sturmturbulenz fortsetzt“, erläutert Co-Autor der Studie Michael Hölling. Die Sturmturbulenzen konnten die Wissenschaftler zehn bis 20 Meter hinter dem Gitter messen. Gleichzeitig stellten sie fest, dass kleinskalige Turbulenzen von selbst auftraten. Diese Erkenntnisse wollen sie nutzen, um ein System zu entwickeln, das unter anderem für die Windenergieforschung sehr hilfreich sein könnte: Die kleinskaligen Turbulenzen wollen sie auf verkleinerte Modelle einwirken lassen. Dann hätten sie ein realistisches Sturm-Szenario im Miniaturformat.

Windkraft zum Weiterlesen:

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.