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.

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.

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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.

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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.