Quelle: DESY 12. April 2024.

12. April 2024 – Turbulenz ist in der Natur allgegenwärtig. Sie existiert in unserem täglichen Leben genauso wie im fernen Universum und ist von Richard Feynman als „das letzte große ungelöste Problem der klassischen Physik“ bezeichnet worden. Huirong Yan, Leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Professorin am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam entdeckte jetzt mit ihrer Arbeitsgruppe ein lang vorhergesagtes Phänomen: den Übergang von schwachen zu starken Plasmaturbulenzen im Weltraum. Sie wurden bei der Analyse von Daten der Cluster-Mission darauf aufmerksam – einer Weltraummission der ESA, bestehend aus einer Konstellation von vier Raumsonden in der Erdumlaufbahn, welche erforschen, wie Sonne und Erde interagieren.

Der Übergang von schwacher zu starker Alfvénischer Turbulenz ist die kritischste, bisher durch Beobachtungen nicht bestätigte Vorhersage der magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenztheorie der letzten drei Jahrzehnte. Sie ist besonders schwierig, weil die dreidimensionale Abtastung von Turbulenzänderungen bisher nicht möglich war. Daher entwickelte das Forschungsteam neue Analysemethoden, um dreidimensionale Informationen über Geschwindigkeits- und Magnetfeldänderungen zu erhalten und damit Beobachtungen und theoretische Vorhersagen vergleichen zu können. „Die beobachtete Bestätigung des Übergangs von schwacher zu starker Turbulenz löst nun das letzte Rätsel der MHD-Turbulenztheorie: Sie belegt, dass sich die Turbulenz unabhängig von anfänglichen Störungen während der Energiekaskade mit zunehmender Nichtlinearität von linearen wellenförmigen 2D-Fluktuationen zu starker 3D-Turbulenz selbstorganisiert, was die Allgemeingültigkeit der starken MHD Turbulenz unterstreicht“, sagt Huirong Yan.

Im Ergebnis vertiefen diese Erkenntnisse unser Wissen über die Turbulenz erheblich. Ihre Auswirkungen erstrecken sich über die Untersuchung der Turbulenz selbst hinaus auf Teilchentransport und -beschleunigung, auf Strukturänderungen von Magnetfeldern, auf die Sternentstehung und alle anderen relevanten physikalischen Prozesse von unserer Erde bis zum fernen Universum.

Originalveröffentlichung
Siqi Zhao, Huirong Yan et al., 2024, Identification of the weak-to-strong transition in Alfvénic turbulence from space plasma, Nature Astronomy
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0.pdf

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: AIP.

17. März 2022. Wenn junge Sterne geboren werden, sind sie oft von einer Wolke aus Gas und Staub umgeben, die zu einer Scheibe abflacht, in der Planeten entstehen können. Das bewilligte Forschungsprojekt konzentriert sich auf den Aufbau und die frühe Entwicklung dieser protoplanetaren Gasscheiben. Eine der zentralen Fragen dabei ist, welche Rolle das Umfeld der Gasscheiben spielt. „Planetenbildung erfolgt bildlich gesprochen innerhalb eines Wimpernschlags nach der Sternentstehung. Wir wollen verstehen, welche festen Bestandteile der Scheibe von ihrer direkten interstellaren Umgebung stammen oder dort gewachsen sind“, erklärt Oliver Gressel, der am AIP die Abteilung Magnetohydrodynamik und Turbulenz leitet. „Wir haben das ehrgeizige Ziel, realistische Simulationen der Entstehung und frühen Entwicklung von protoplanetaren Scheiben zu erstellen und zu verstehen.“ Mit den Mitteln des Consolidator Grants werden Stellen für Promovierende und PostDocs zur Forschung am Thema finanziert, ebenso sollen die Computercluster am Institut erweitert werden – diese sind für die rechenintensiven Simulationen unabdingbar.

Oliver Gressel leitet seit 2021 die Abteilung Magnetohydrodynamik und Turbulenz am AIP. Nach seinem Physikstudium in Tübingen war er bereits für drei Jahre Doktorand am AIP und promovierte an der Universität Potsdam. Es folgten Forschungsaufenthalte in London und Stockholm sowie eine Assistenzprofessur am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen. Im Jahr 2015 erhielt er für seine Leistungen den Johann-Wempe-Preis. Im Jahr 2018 kehrte er mit einem ERC Starting Grant ans AIP zurück.

Der Europäische Forschungsrat (ERC) ist eine von der EU-Kommission eingerichtete Institution zur Förderung grundlagenorientierter Forschung. Zwei Prinzipien zeichnen das Förderverfahren aus: Exzellenz als das alleinige Förderkriterium und ein unabhängiges und transparentes Auswahlverfahren. Der ERC vergibt jährlich ERC Consolidator Grants an exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Zeitraum von sieben bis zwölf Jahren nach der Promotion.

Weitere Informationen

Pressemitteilung ERC

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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• Planetenentstehung

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Quelle: Universität Bremen.

1. März 2022, Kai Uwe Bohn, Universität Bremen. Schwappender Kaffee ist vielen Menschen als nerviges Alltagsproblem bekannt, mit dem man leben kann und muss. Im Ingenieurbereich kann sich eine solche Dynamik jedoch fatal auswirken. „Schwappender Treibstoff gefährdet beispielsweise die Flugstabilität von Raketen. Oder der Transport von Flüssiggas in Tankschiffen wird gefährlich, wenn das Schwappen in Resonanz mit der Schiffsbewegung gerät“, sagt Dr. Kerstin Avila, Verfahrenstechnikerin im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen und am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT). Gemeinsam mit weiteren europäischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat sie ganz neue Forschungsergebnisse vorlegt, die jetzt in den renommierten Fachzeitschriften Nature Communications und Physical Review Letters publiziert wurden.

Resonanzen schwappender Wellenbewegungen verlässlich vorhergesagt
Vorhersagen hinsichtlich der Resonanz von schwappenden Flüssigkeiten mit anderen Bewegungen waren bisher nur eingeschränkt möglich. In Kooperation mit Theoretikern der ETH Zürich ist es Kerstin Avila und ihrem Team in der Experimentellen Strömungsmechanik nun jedoch gelungen, erstmalig Resonanzen schwappender Wellenbewegungen verlässlich vorherzusagen. Dazu wurden durch die Kombination von abstrakten Theorien, maschinellem Lernen und Experimenten ganz neue Wege in der Forschungsarbeit beschritten. „Wir haben gezeigt, dass alle benötigen Informationen für die Vorhersage in nur ganz wenigen Messungen enthalten sind, die unser Team durchgeführt hat“, sagt Kerstin Avila. 

Zusammen mit drei Wissenschaftlern aus Österreich, Polen und Frankreich zeigte Kerstin Avila in einer weiteren Untersuchung, dass sich die Ausbreitung von Turbulenzen sehr einfachen Gesetzmäßigkeiten unterwirft. „Diese Gesetzmäßigkeiten gelten dabei nicht speziell für Fluide, sondern beschreiben in erster Näherung beispielsweise auch die Ausbreitung eines Virus durch die Bevölkerung oder eines Waldbrandes“, bringt Kerstin Avila einen weiteren interessanten Aspekt zur Sprache. „Im Kern steckt hinter dieser Ausbreitungsdynamik die Theorie der ‚direkten Perkolation‘, die in vielen Wissenschaftsgebieten genutzt wird, um Phänomene zu erklären.“ 

Meilenstein: Belastbare Daten statt nur einer Hochrechnung
Bisher wurden die vorhergesagten Zahlen, die bei einer Virusausbreitung beispielsweise letztlich nur auf hochgerechneten Daten basieren, noch nie tatsächlich exakt in der Natur oder einem räumlich ausgedehnten Experiment beobachtet. Genau dies ist dem Team mit der Bremer Verfahrenstechnikerin jetzt aber nach jahrelanger Forschung mit einem Strömungsexperiment gelungen. „Für die Bestätigung der Theorie und für die Beschreibung des Turbulenzübergangs stellt das einen echten Meilenstein dar“, freut sich die Wissenschaftlerin.

Für ihre Forschung an den hier vorgestellten Projekten wird Kerstin Avila seit zwei Jahren von der Zentralen Forschungsförderung der Universität Bremen unterstützt. Als Postdoktorandin soll sie so die Möglichkeit erhalten, mit einem eigenständigen Projekt ihre Arbeiten in einem hochproduktiven Umfeld zu betreiben, sich international in ihrer jeweiligen Scientific Community zu vernetzen und die Voraussetzungen zur Berufung auf eine Lebenszeitprofessur zu schaffen. Als „Gastgeber“ für diese Forschungen hat sich die Nachwuchswissenschaftlerin die renommierten Verfahrenstechniker Professor Lutz Mädler und Professor Udo Fritsching von der Universität Bremen sowie dem Bremer Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien ausgesucht.

Daneben erforscht Kerstin Avila als Teil der interdisziplinären Forschungsgruppe FOR 2688 (Ingenieurswissenschaft, Physik, Medizin) die Bewegung von Partikeln in Rohrströmungen mit einem pulsierenden Massenstrom. Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt hat das Ziel, die strömungsdynamischen Aspekte der Blutströmung besser zu verstehen.

Links zu den Originalpublikationen:
M. Cenedese, J. Axås, B. Bäuerlein, K. Avila K, G. Haller G: Data-driven modeling and prediction of non-linearizable dynamics via spectral submanifolds, Nature Communication, https://www.nature.com/articles/s41467-022-28518-y

L. Klotz, G. Lemoult, K. Avila, and B. Hof: Phase Transition to Turbulence in Spatially Extended Shear flows, Physical Review Letters, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.014502

Weitere Informationen:
www.uni-bremen.de/mvt/team/dr-rer-nat-kerstin-avila
www.uni-bremen.de

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• physikalische Grundlagenforschung

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