Erforschung turbulenter Superstrukturen

Die Technische Universität Ilmenau startet ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziertes Schwerpunktprogramm mit internationaler Beteiligung zur Erforschung turbulenter Superstrukturen. Das Kick-Off-Meeting vom 5. bis zum 7. Dezember 2016 bringt 50 Wissenschaftler aus Deutschland, der Schweiz und den Niederlanden in Ilmenau zusammen, um 22 Einzelforschungsprojekte auf den Weg zu bringen. Am Ende der dreijährigen Forschungsarbeiten wollen die Strömungsforscher, Physiker, Mathematiker und Informatiker tiefgehende Erkenntnisse über sogenannte turbulente Superstrukturen gewonnen haben.
Wie schnell entstehen starke Windböen? Wie hängt ihre Stärke und Lebensdauer von der Topografie und der Beschaffenheit der Erdoberfläche ab? Wie entstand der rote Fleck auf dem Jupiter und wie schafft es der mehr als zwei Erddurchmesser gigantische Wirbel, seit mehr als 400 Jahren zu existieren? Wie kommt es auf der Sonnenoberfläche zu dem regelmäßigen Wabenmuster aus Superzellen heißer Materie, den so genannten Superkonvektionszellen? Ihren Ursprung haben all diese Phänomene in turbulenten Superstrukturen, einer Ordnung in weit ausgedehnten Systemen, die aus der turbulenten Wirbelbewegung hervorgeht und die der gängigen Vorstellung widerspricht, dass Fluidbewegung im Fall von Turbulenz ungeordnet und chaotisch ist. Das Schwerpunktprogramm 1881 der Deutschen Forschungsgemeinschaft will Licht in die ungeklärten Fragen rund um turbulente Superstrukturen bringen.
Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik der TU Ilmenau führt das internationale Wissenschaftlerteam aus Strömungsforschern, theoretischen Physikern, angewandten Mathematikern und Informatikern an. Mithilfe schnellster Hochleistungsrechner und neuester laserbasierter tomographischer Strömungsmesstechnik ist es den Wissenschaftlern erstmals möglich, die ausgedehnten Superstrukturen unter kontrollierten Bedingungen in Strömungssimulationen und großen Windkanalexperimenten darzustellen und zu erforschen. Dabei fallen gigantische Datenmengen an, die von Mathematikern und Informatikern mit effizientesten Algorithmen und mit neuartigen Methoden der Mustererkennung und Datenreduktion durchforstet und analysiert werden.
Prof. Schumacher ist zuversichtlich, erstmals die zentralen Fragen nach dem Ursprung von Superstrukturen und ihrer Bedeutung für den turbulenten Transport von Impuls und Wärme beantworten zu können. Das führe letztendlich zu genaueren Vorhersagen des Wetters und des Klimawandels und helfe uns, die variierende Aktivität der Sonne zu verstehen, die wiederum einen entscheidenden Einfluss auf unsere obere Erdatmosphäre in den Polarregionen habe.
Der Leiter des Fachgebiets Strömungsmechanik glaubt auch, dass die Erforschung von Dynamik und Lebensdauer turbulenter Superstrukturen helfen könnte, konkrete praktische Anwendungen zu verbessern. Lassen sich beispielsweise mithilfe der Grundlagenforschung Muster von Windböen frühzeitig identifizieren, könnte der Anstellwinkel der Rotorblätter von Windturbinen rascher angepasst und so die Materialbelastung und die Wartungskosten von Windparks verringert werden.