Fast jede oder jeder kennt die Situation: Der Seifenspender ist fast leer. Also kommt etwas Wasser dazu, um die letzten Reste herauszubekommen. Doch statt einer gleichmäßigen Mischung schießt das Wasser oft direkt durch die Seife hindurch. Heraus kommt ein dünner, kaum schäumender Strahl.
Hinter diesem alltäglichen Effekt steckt allerdings ein physikalisches Problem, das auch in der Energietechnik und beim Klimaschutz eine Rolle spielt. Forschende der University of Chicago haben nun genauer untersucht, warum sich dünnflüssige Stoffe in zähflüssigen Medien oft instabil ausbreiten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachjournal Science Advances.
Im Zentrum steht ein Phänomen mit dem Namen „viskoses Fingering“. Gemeint sind fingerartige Verzweigungen, die entstehen, wenn eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität eine zähere Flüssigkeit verdrängt. Genau das passiert im Seifenspender. Ähnliche Prozesse treten aber auch tief unter der Erde auf – etwa bei der CO₂-Speicherung oder bei der Ölförderung.
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Wenn Flüssigkeiten instabil werden
Treffen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Fließeigenschaften aufeinander, entsteht zwischen ihnen eine Grenzfläche. Unter bestimmten Bedingungen bleibt diese stabil. Häufig beginnt sie jedoch zu kippen. Die dünnflüssigere Flüssigkeit sucht sich dann bevorzugt einzelne Kanäle durch das zähere Medium.
Dadurch entstehen verzweigte Muster, die Physikerinnen und Physiker seit Jahrzehnten untersuchen. Sidney Nagel, Physikprofessor an der University of Chicago, sagt: „Die Instabilität des viskosen Fingering ist eines der am meisten untersuchten Beispiele für Musterbildung.“
Solche Strukturen erinnern an Flussläufe, Wurzelsysteme oder Blutgefäße. Hinter ihnen steckt ein komplexes Zusammenspiel aus Strömung, Reibung und Grenzflächendynamik.
Warum das für die CO₂-Speicherung wichtig ist
Besonders relevant wird das Thema bei der Kohlenstoffspeicherung im Untergrund. Dabei pressen Unternehmen Kohlendioxid in tiefe Gesteinsschichten oder salzhaltige Aquifere, um das Treibhausgas langfristig zu binden.
Das Problem: Das injizierte CO₂ besitzt häufig eine geringere Viskosität als die Flüssigkeiten im Gestein. Dadurch kann sich das Gas bevorzugt durch einzelne Strömungskanäle bewegen, statt sich gleichmäßig im Untergrund zu verteilen. Fachleute sprechen dabei von einer instabilen Verdrängungsfront.
Ähnliche Effekte kennt auch die Ölindustrie. Dort wird CO₂ genutzt, um verbliebenes Öl aus Lagerstätten zu lösen. Wird die Grenzfläche instabil, schießt das Gas jedoch zu schnell durch das Reservoir. Ein Teil des Öls bleibt dann im Gestein zurück.
Die Form der Grenzfläche spielt eine Schlüsselrolle
Bislang konzentrierte sich die Forschung vor allem auf klassische Einflussgrößen:
- Unterschiede in der Viskosität
- Geschwindigkeit der Injektion
- Mischbarkeit der Flüssigkeiten
- Oberflächenspannung
Das Team um Erstautor Zhaoning Liu ging jedoch einen anderen Weg. Die Forschenden wollten wissen, ob sich die Stabilität beeinflussen lässt, indem man die Form der Grenzfläche gezielt verändert.
Bewegte Platten verändern die Strömung
Für ihre Experimente nutzten die Forschenden einen klassischen Aufbau der Strömungsphysik: Zwei parallele Platten mit einem extrem schmalen Spalt dazwischen.
Zunächst füllten sie den Zwischenraum mit einer hochviskosen Flüssigkeit. Anschließend pressten sie eine dünnflüssigere Lösung durch eine kleine Öffnung hinein. Ohne zusätzliche Bewegung entstanden nach kurzer Zeit die typischen fingerartigen Verzweigungen.
Dann veränderte das Team den Aufbau. Eine der Platten wurde seitlich hin- und herbewegt. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als Scherung. Die Bewegung veränderte die Krümmung der Grenzfläche deutlich. Die Übergänge zwischen den Flüssigkeiten wurden weniger abrupt. Dadurch dauerte es länger, bis Instabilitäten entstanden. Gleichzeitig verlangsamte sich das Wachstum der Verzweigungen.
Zhaoning Liu erklärt: „Wir wollten wissen, ob wir die Form der Grenzfläche physikalisch verändern können, ohne das Viskositätsverhältnis zu verändern.“ Genau das scheint gelungen zu sein.
Grundlagenforschung mit praktischer Bedeutung
Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Die Ergebnisse liefern zunächst vor allem neue Modelle dafür, wie sich Flüssigkeiten in engen porösen Strukturen verhalten.
Langfristig könnten die Erkenntnisse dennoch technisch relevant werden. Denn instabile Verdrängungsfronten treten in vielen Bereichen auf:
- bei der CO₂-Speicherung
- in der Öl- und Gasförderung
- in Filtersystemen
- in chemischen Produktionsprozessen
- bei geologischen Speichertechnologien
Sidney Nagel sagt: „Diese Studie zeigt einen neuen Weg auf, das Einsetzen der Instabilität zu kontrollieren und zu verzögern.“
Gerade bei der Speicherung von Kohlendioxid könnte das wichtig werden. Viele Projekte versuchen heute, die Verdrängungsfront möglichst stabil zu halten, damit sich das CO₂ gleichmäßig im Gestein verteilt und langfristig gebunden bleibt.
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