Salzwasserkrebse zeigen neue Idee über Turbulenz

In einem Labor an der University of Pittsburgh schwimmt ein Salzwasserkrebs durch ein zweidimensionales turbulentes System. Xinyu Si / University of Pittsburgh

In den sechziger und siebziger Jahren gab es in Comics bunte Werbung von der Firma Transcience Corporation in New York City. Die Werbung versprach: Wer Geld schickt, bekommt eine "Schüssel voller Glück". In Wirklichkeit war es nur ein kleiner Papierumschlag mit getrockneten Eiern. Wenn man die Eier in Salzwasser legt, kommen Salzwasserkrebse heraus. Man nennt sie auch Sea-Monkeys.

Salzwasserkrebse sind ungefähr einen Zentimeter lang. Sie schwimmen mit dem Bauch nach oben. Sie bewegen ihre Beine sehr schnell und ihr langer Bauch hängt hinten wie ein Schwanz. Wie Wissenschaftler vor Kurzem gelernt haben, können diese kleinen Tiere mehr als nur sich selbst bewegen.

Forscher dachten lange: In einem turbulenten System wie einer Wasserströmung fließt Energie nur in eine Richtung. Sie fließt von großen Strukturen zu kleinen Strukturen oder umgekehrt. Das hängt von den Dimensionen des Systems ab. Aber als Wissenschaftler an der University of Pittsburgh die kleinen Salzwasserkrebse beobachtet haben, haben sie gemerkt: Mit einer sehr kleinen Änderung kann man den Energiefluss umkehren.

Die Wissenschaftler haben entdeckt: Man kann die Richtung der Energie in einem zweidimensionalen System steuern. Man stört den Fluss mit einem kleinen Hindernis. Aber das Hindernis muss im richtigen Winkel stehen. Lei Fang ist Ingenieur in Pittsburgh und hat die neue Studie geleitet. Er sagt: "Die Geometrie ist wichtig."

Salzwasserkrebse sind kleine Tiere ohne Wirbelsäule. Sie leben in Wasser mit viel Salz. Sie werden ungefähr 10 Millimeter lang, so breit wie ein Radiergummi auf einem Bleistift. Nature Picture Library / Alamy

Die Entdeckung nutzt eine wichtige mathematische Beschreibung. Sie erklärt, wie Kräfte zusammenarbeiten und Energie durch ein System bewegen. Gregory Falkovich ist Physiker am Weizmann Institute of Science. Er ist ein Pionier bei der Forschung zu zweidimensionalen turbulenten Systemen. Er sagt: "Das ist eine schöne und sehr gute experimentelle Arbeit."

Diese Ergebnisse können auch für größere und chaotischere Systeme wichtig sein, auch für dreidimensionale Systeme. Die Arbeit hilft uns, die Dynamik von Flüssigkeiten besser zu verstehen. Sie kann auch nützlich sein, zum Beispiel für die Kontrolle von Verschmutzung und für die Entwicklung von Medikamenten.

Eine Kaskade des Chaos

Turbulenz sieht man überall. Sie macht den weißen Schaum am Fuß eines Wasserfalls. Sie formt die Spitze einer brechenden Welle. Sie ist der Grund für Turbulenzen im Flugzeug, für Wirbel von Milch im Kaffee und für die Bewegung von Plasma auf der Oberfläche der Sonne. Francesca De Serio ist Bauingenieurin und Expertin für Hydrodynamik an der Polytechnic University of Bari in Italien. Sie sagt: "Wir sehen Turbulenz überall in unserem Leben, wenn wir zum Strand gehen oder unsere Hände waschen."

Ein turbulentes System ist kompliziert. Es hat komplexe Kräfte und innere Unruhe. Aber es kann einfach beginnen. Zum Beispiel entsteht Turbulenz, wenn eine fließende Flüssigkeit auf ein Hindernis trifft. Dann ändert sich die Geschwindigkeit von einem Teil des Flusses. In einem Fluss wird das Wasser am Ufer langsamer, wegen der Reibung. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten können Wirbel machen. Wenn sich ein Fluss an einem Stein teilt, ändern sich die Geschwindigkeiten und es entstehen leere Räume. Wasser fällt über sich selbst und beginnt vielleicht zu rotieren. Auch Luft ist eine Flüssigkeit. Ihre Turbulenz entsteht durch verschiedene Luftströmungen und wechselnde Temperaturen.

In so einem System bewegt sich Energie zwischen großen und kleinen Strukturen. Der englische Mathematiker und Physiker Lewis Fry Richardson hat das entdeckt. Er ist der Gründer der modernen Wettervorhersage. Er hat die Systeme von Gasen in der Atmosphäre untersucht. Er hat gefunden: Die kinetische Energie eines großen Wirbels geht in immer kleinere Wirbel, bis die Viskosität übernimmt. Viskosität bremst die Bewegung. Am Ende wird die Energie als Wärme frei. Im Jahr 1922 hat Richardson die Idee in einem Gedicht beschrieben:

Große Wirbel haben kleine Wirbeldie von ihrer Geschwindigkeit leben, Und kleine Wirbel haben noch kleinere Wirbel Und so weiter bis zur Viskosität.

Anfang der vierziger Jahre hat der sowjetische Mathematiker Andrey Kolmogorov eine klare und strenge mathematische Basis für die Forschung zu Turbulenz gegeben. Aber seine Arbeit hat sich wie die Arbeit von Richardson vor allem auf dreidimensionale Systeme konzentriert. Dort fließt Energie von großen Strukturen zu kleinen Strukturen.

Ende der sechziger Jahre haben die Physiker Robert Kraichnan und George Batchelor die Forschung auf zweidimensionale Systeme erweitert. Zweidimensionale turbulente Systeme sind zum Beispiel Jupiters Großer Roter Fleck. Er wirbelt so stark, dass er jede Bewegung weiter unten in der Atmosphäre überdeckt. Diese Art von zweidimensionalem turbulentem System bewegt Energie auch von einer Größe zur anderen, wie ein dreidimensionales System, aber andersherum: Die Energie fließt von kleinen Wirbeln zu großen Wirbeln. Bei Jupiters Großem Roten Fleck geben kleinere Wirbel am Rand Energie an den großen Sturm in der Mitte.

In den Jahrzehnten nach diesen ersten Studien haben Physiker nicht genau gefragt, ob dieser Fluss fest ist. Die Mechanismen der Energie in zweidimensionalen turbulenten Systemen waren auch nicht im Kopf von Xinyu Si um das Jahr 2021. Damals hat er als Student im Labor von Fang angefangen, Salzwasserkrebse zu untersuchen.

Schwimmen im Energiefluss

Das Labor von Fang forscht zu "aktiver Materie". Das ist ein Begriff aus der Physik. Er beschreibt Dinge, die sich selbst bewegen und Energie in ihre Umge