Laut einer internationalen Studie entfallen fast 20 % des weltweiten Stromverbrauchs auf das Pumpen von Flüssigkeiten – von industriellen Anwendungen, die Öl und Gas transportieren, bis hin zu Heizungsanlagen, die Warmwasser in Privathaushalten pumpen. Ein Forscherteam um Davide Scarselli und Björn Hof vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Klosterneuburg, suchte nach einer Möglichkeit, diesen Energiebedarf zu reduzieren und ließ sich dabei von der Natur inspirieren – genauer gesagt von der Arbeitsweise des Herzes. Die Wissenschaftler zeigen, dass das pulsierende Pumpen von Flüssigkeiten durch ein Rohr die Reibung im Rohr reduzieren kann – und damit auch den Energieverbrauch.
Unkomplizierter Pumpen-Aufbau mit Herz als Vorbild
„Wir suchten nach einem Ansatz, der keine komplizierten strukturellen Änderungen an der Infrastruktur, wie Sensoren und Motoren, erfordert“, sagt Davide Scarselli, Erstautor der Studie. Anstatt die Beschaffenheit der Rohre zu verändern, um die Reibung zwischen der fließenden Flüssigkeit und den Rohrwänden zu verringern, versuchten die Wissenschaftler einen anderen Ansatz – pulsierendes Pumpen wie bei einem Herz.
(Bild: Nadine Poncioni, ISTA)
Zu diesem Zweck schufen Scarselli und sein Kollege Atul Varshney mehrere Versuchsaufbauten mit durchsichtigen Rohren unterschiedlicher Länge und Durchmesser, durch die sie Wasser pumpten. „Die Ausgangsbasis für unsere Experimente war ein gleichmäßiger Wasserfluss, in dem sich Wirbel chaotisch bewegten, während sie durch das Rohr gedrückt wurden“, erklärt Scarselli. Diese Wirbel werden als Turbulenzen bezeichnet und verursachen einen Großteil der Reibung zwischen der Flüssigkeit und den Wänden des Rohrs.
Die Überwindung eben dieser Reibung kostet Energie. Die Forscher machten die Turbulenzen sichtbar, indem sie dem Wasser winzige reflektierende Partikel hinzufügten und mit einem Laser durch das durchsichtige Rohr schienen.
Weniger Turbulenzen durch Ruhephase in der Pumpe
Sie probierten verschiedene Arten des pulsierenden Pumpens aus. Bei einigen Pulsformen wurde das Wasser zunächst langsam beschleunigt und dann schnell gestoppt, bei anderen war es umgekehrt. Björn Hof erklärt die Ergebnisse: „Normalerweise erhöht das pulsierende Pumpen den Widerstand und die benötigte Energie, was nicht das war, was wir suchten. Als wir jedoch eine kurze Ruhephase zwischen den Impulsen einfügten, in der die Pumpe das Wasser nicht antreibt – so wie es das menschliche Herz tut –, erzielten wir viel bessere Ergebnisse.“
(Bild: Thomas Zauner, ISTA)
Durch diese Ruhephasen zwischen den Pumpphasen wird die Menge der Turbulenzen im Rohr drastisch reduziert. Für eine optimierte pulsierende Pumpbewegung, die der des menschlichen Herzens ähnelt, fanden die Forscher eine Verringerung der mittleren Reibung von 27 % und eine Reduzierung des Energiebedarfs um 9 %.
Pumpen wie das Herz – auch für die Industrie
Scarselli erläutert: „Während wir im Labor vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, ist die Anwendung unserer Forschung in der realen Welt weniger einfach. Um diese pulsierenden Bewegungen zu erzeugen, müssten die Pumpen umgerüstet werden. Dies wäre jedoch immer noch viel günstiger als Änderungen an den Rohrwänden oder der Einbau von Motoren.“ Die Wissenschaftler hoffen, dass ihre Ergebnissen nutzen werden, um diese von der Natur inspirierten Lösungen für industrielle Anwendungen zu erforschen.
https://doi.org/10.1038/s41586–023–06399–5
https://ista.ac.at/de/forschung/hof-gruppe
