Poröse Medien transparent gemacht
Skalenübergreifende Charakterisierung von gekoppelten Prozessen in porösen Materialien.
Ob 3D-Bilder aus dem Inneren eines Betonbrockens oder Verhalten von Öl-Wasser-Gemischen im Untergrund: Röntgentomographische und mikrofluidische Verfahren sind wichtige Pfeiler, um die unsichtbaren Strömungs- und Transportprozesse sowie das Deformationsverhalten in porösen Medien sichtbar zu machen und zu verstehen. Das Porous Media Lab der Universität Stuttgart, bietet hierfür eine umfassende Plattform.
Ein Kernstück des PML ist ein selbstentwickelter Röntgentomograph, das XRCT Lab. Es erzeugt 3D-Abbildungen aus nicht transparenten Materialien und ermöglicht Forschern hochauflösende Einblicke in Phänomene auf der Porenskala. Das Besondere daran: Das XRCT_Lab kombiniert die Bildgebung mit physikalischen Experimenten und kann so sichtbar machen, wie sich zum Beispiel der Druck, der Durchfluss von Flüssigkeiten oder die Temperaturschwankungen in einem Material auf der Porenebene auf effektive Materialeigenschaften auswirken.
Das zweite Kernstück des PML ist das Microfluidic Lab, in dem synthetische poröse Materialien erzeugt werden können. Hierzu wird mit optolithografischen Verfahren eine Art Negativ erzeugt, das im nächsten Schritt mit einem weichen Polymer ausgegossen wird. Dabei entsteht ein zweidimensionales poröses Medium, das transparent ist und unter dem Mikroskop untersucht werden kann. Auf diese Weise kann man beispielsweise sichtbar machen, wie sich Mehrphasenfluide, wie etwa eine Öl-Wasser-Mischung, in einem porösen Medium verhalten – Erkenntnisse, die unter anderem in der Tiefen-Geothermie oder auch bei Brennstoffzellen potenzielle Anwendungen finden könnten.
Darüber hinaus umfasst das PML auch ein Specimen Preparation Lab, das Geräte und Methoden zur Vorbereitung von Gesteinsproben und zur Herstellung von Polymerproben bereitstellt. Für die Beobachtung des makroskopischen Materialverhaltens größerer Proben mit wenigen Zentimetern Durchmesser gibt es sowohl im Granular Media Lab als auch im Rock Physics Lab verschiedene Nieder- und Hochdruckzellen zur Charakterisierung des spannungsabhängigen Materialverhaltens von Gesteins- und Bodenproben. Das Rheology Lab schließlich ermöglicht Wissenschaftlern die mechanische Charakterisierung weicher Materialien für Aktuatoranwendungen, die zum Beispiel in der „Soft Robotic“ gebraucht werden.
Das Verständnis komplexer physikalischer, zum Teil auch zeitabhängiger Prozesse auf der Porenskala ist der Schlüssel zur Entwicklung von weiteren datengetriebenen Simulationsmodellen. Das PML ist auch eine zentrale experimentelle Plattform, sowohl für das Exzellenzcluster „Datenintegrierte Simulationswissenschaft“, als auch für den Sonderforschungsbereich „Grenzflächengetriebene Mehrfeldprozesse in porösen Medien. Strömung, Transport und Deformation“ an der Universität Stuttgart.
U. Stuttgart / RK
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