Kavitation

Kavitation ist eine extreme räumliche und zeitliche Energiekonzentration beim Implodieren mikroskopisch kleiner, durch äußere Kräfte erzeugter Hohlräume in Flüssigkeiten.

Physikalische Grundlagen

Kavitation ist ein stark nichtlinearer dynamischer Prozess, der in einer sehr kurzen Zeitspanne abläuft. Die Trägkeit des Wassers spielt hier die Hauptrolle. Beschrieben wird dies durch die für die Hydromechanik modifizierte Newtonsche Grundgleichung, also nicht durch die Thermodynamik.

Ursachen

Die häufigste Ursache für schädliche Kavitation ist für den Umgebungsdruck zu schnelle Bewegung eines Objekts (Propeller) im in einer Flüssigkeit (Wasser).

Hergang

Eine Flüssigkeit ist normalerweise ein Kontinuum, da Druckunterschiede durch die leichte Beweglichkeit der Wasserteilchen sofort innerhalb der Flüssigkeit ausgeglichen werden. Wenn Teile der Flüssigkeit durch äußere Kräfte, zum Beispiel durch einen Propeller, stark beschleunigt werden, kann es durch zu große Gradienten im Beschleunigungsfeld zu Abrissen in diesem Kontinuum kommen: Einige Flüssigkeitsteilchen können der Beschleunigung folgen, benachbarte nicht mehr, dazwischen entstehen mikroskopisch kleine Hohlräume ("Lücken"), die keinen Dampf, sondern ein Vakuum enthalten.

Diese Hohlräume stürzen sofort (innerhalb von Mikrosekunden) wieder in einem Punkt zusammen, in dem alle in Form von Oberflächenspannung, Wärme- und Bewegungsenergie sowie Flüssigkeitseruck gespeicherter Energie in einem winzig kleinen Raumgebiet und innerhalb weniger Mikrosekunden wieder freigesetzt wird. Aufgrund dieser räumlichen und zeitlichen Konzentration entsteht eine sehr große Energiedichte, die neben einem "Knall" sogar Lichtblitze hervorrufen kann (Ähnlich dem Funkenschlagen mit Steinen).

Wirkungen der Kavitation

Kavitationsschäden

Kollabiert die Kavitationsblase an der Oberfläche fester Körper (wie zum Beispiel eines Schiffspropellers), wird durch die extreme Energiedichte punktförmig Material geschmolzen und gleichzeitig ausgewaschen. Kleine Krater entstehen; man spricht von Kavitationsschäden.

Bei Geräten wie Propellern und Pumpen ist Kavitation ein schädlicher Effekt. Zum einen reduziert er den Wirkungsgrad, zum anderen führt er zu Beschädigungen, denn beim Implodieren der Hohlräume treten kurzzeitig enorm hohe Beschleunigungen, Temperaturen und Drücke auf, denen bisher kein Material gewachsen ist.

Das beim Implodieren auftretende Geräusch (Knall, Knattern) zerstörte früher die Tarnung von U-Booten; zum Orten wurde (passives Sonar) verwendet. Seitdem kavitationsfreie Propeller entwickelt wurden, spielt die Kavitation für die U-Boot- Ortung keine Rolle mehr. Man erkennt kavitationsfreie Propeller an den langgezogenen Enden; sie gleiten sanfter und wesentlich leiser durchs Wasser.

Anwendungen

Der an sich zerstörerischen Prozess kann auch nutzbringend eingesetzt werden, beispielsweise zur Reinigung von Gegenständen in so genannten Ultraschallbädern, bei der durch Kavitation Oberflächenschmutz zerstört und abgetragen wird. Die Kavitation wird meist, wie der Name der Geräte schon sagt, durch Ultraschall erzeugt, wobei der Ultraschall durch hohe Beschleunigungen schon allein Schmutzteilchen ablöst, ohne das Wasser selbst erst zerreißen zu müssen.

Kavitation und "Kalte Fusion"

Kontrovers diskutiert wird, ob die bei Kavitation freigesetzte Energie bis in den atomaren Bereich hineinwirken kann. Beobbachtbare Lichtblitze sind ein Indiz dafür, dass Elektronen angeregt wurden. Die Vermutung, die freigesetzte Energie könnte sogar bis zu den Atomkernen vordringen und dort eine Kalte Fusion hervorrufen, gilt als unwahrscheinlich, da nach allgemeiner Meinung die freigesetzte Energie nicht ausreicht, die hohen Schwellwerte für Kernprozesse zu überwinden. Tunneleffekte, die die hohen Schwellwerte "umgehen" könnten, wurden bisher noch nicht nachgewiesen, können aber auch nicht völlig ausgeschlossen werden.

Eine Implosion wird zum Zünden einer Wasserstoffbombe verwendet, also zum Verschmelzen von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen, was eine stark exotherme Reaktion darstellt.

Weitere Hinweise

Sonolumineszenz

Bei entsprechend starker Anregung, nicht nur durch Ultraschall, werden durch Kavitation Sonolumineszenz (Lichtblitze) erzeugt.

Superkavitation

Superkavitation ist die nicht ganz korrekte Bezeichnung für einen Effekt, der besonders hohe Geschwindigkeiten für Unterwassergeschosse ermöglicht. Da hier die hohe Krafteinwirkung (hoher Druck) auf das Wasser länger anhält, kann sich der Effekt der Dampfbildung ausbilden und das Geschoss mit einem Gasmantel (Wasserdampf) umgeben, wobei die Reibung stark vermindert wird, ganz ähnlich wie unter einem Schlittschuh das geschmolzene Eis - also Wasser - schmiert. Hier geschieht dies nur zwischen zwei anderen Aggregatzuständen.

Weblinks

Numerische Untersuchung kavitierender Strömungen in einer Modellkreiselpumpe