Technologie

Poröse Medien transparent gemacht

10.06.2022 - 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

Weitere Infos

 

 

Physikunterricht neu denken!

Physik auf Lehramt an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg studieren. Jetzt auch Quer- und Seiteneinstieg möglich.

Mehr erfahren

Physikunterricht neu denken!

Physik auf Lehramt an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg studieren. Jetzt auch Quer- und Seiteneinstieg möglich.

Mehr erfahren