Ein Universitätsstudent hat kürzlich eine Frage gelöst, die Physiker seit über einem halben Jahrhundert verwirrt: Warum scheinen Gasblasen in engen vertikalen Rohren stecken zu bleiben? Die Antwort kann helfen, das Verhalten von Erdgasen zu erklären, die in porösen Gesteinen eingeschlossen sind.
Vor Jahren stellten Physiker fest, dass sich Gasblasen in einem ausreichend engen, mit Flüssigkeit gefüllten Rohr nicht bewegten. Aber das ist "eine Art Paradoxon", sagte der leitende Autor John Kolinski, Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL).
Das liegt daran, dass die Gasblase weniger dicht ist als die sie umgebende Flüssigkeit, daher sollte sie bis zur Oberseite des Rohrs aufsteigen (genau wie Luftblasen in einem Glas Sprudelwasser nach oben aufsteigen). Der einzige Strömungswiderstand in einer Flüssigkeit entsteht, wenn sich diese Flüssigkeit bewegt, aber in diesem Fall steht die Flüssigkeit still.
Um den Fall der hartnäckigen Blase zu lösen, beschlossen Kolinski und Wassim Dhaouadi, ein Ingenieurstudent, der zu dieser Zeit in Kolinskis Labor arbeitete und jetzt einen Master an der ETH Zürich abschließt, diese mit einer Methode namens "Interferenzmikroskopie" zu untersuchen. "" Diese Methode ist die gleiche, die der LIGO-Detektor (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) verwendet, um Gravitationswellen zu finden, sagte Kolinski.
In diesem Fall verwendeten die Forscher jedoch ein speziell angefertigtes Mikroskop, das ein Licht auf die Probe strahlt und die Intensität des zurückprallenden Lichts misst. Da Licht je nach Aufprall unterschiedlich zurückprallt, können Messungen des zurückprallenden Lichts den Forschern helfen, herauszufinden, wie "dick" ein Material ist. Auf diese Weise untersuchten sie eine schwimmende Blase, die in einem dünnen Rohr eingeschlossen war, das mit einem Alkohol namens Isopropanol gefüllt war. Der Alkohol ermöglichte ihnen ein "Selbstreinigungsexperiment", das notwendig war, weil die Ergebnisse durch jegliche Art von Verunreinigung oder Schmutz durcheinander gebracht worden wären, sagte Kolinski.
Beginnend mit einem Wissenschaftler namens Bretherton in den 1960er Jahren untersuchten die Forscher dieses Phänomen theoretisch, aber es wurde noch nie zuvor direkt gemessen. Einige Berechnungen deuteten darauf hin, dass die Blase von einer extrem dünnen Flüssigkeitsschicht umgeben ist, die die Seiten des Rohrs berührt, die langsam an Größe verliert und schließlich verschwindet, sagte Kolinski. Diese dünne Schicht würde Widerstand gegen die Bewegung der Blase erzeugen, wenn sie versucht aufzusteigen.
Die Forscher beobachteten tatsächlich diese sehr dünne Schicht um die Gasblase und maßen eine Dicke von etwa 1 Nanometer. Das löscht die Bewegung der Blase, wie theoretische Arbeiten vorausgesagt hatten. Sie fanden aber auch heraus, dass die Flüssigkeitsschicht (die sich bildet, weil der Druck in der Gasblase gegen die Wände des Rohrs drückt) nicht verschwindet, sondern jederzeit eine konstante Dicke aufweist.
Basierend auf ihren Messungen der dünnen Flüssigkeitsschicht konnten sie auch deren Geschwindigkeit berechnen. Sie fanden heraus, dass die Gasblase überhaupt nicht steckt, sondern sich "außerordentlich langsam" in einem für das bloße Auge unsichtbaren Tempo bewegt, aufgrund des Widerstands, der durch die dünne Schicht verursacht wird, sagte Kolinski. Sie fanden jedoch auch heraus, dass sie durch Erhitzen der Flüssigkeit und der Blase die dünne Schicht verschwinden lassen konnten - eine neuartige Idee, die in zukünftigen Forschungen "aufregend" sein könnte, fügte er hinzu.
Ihre Erkenntnisse könnten dazu beitragen, das Gebiet der Geowissenschaften zu informieren. "Immer wenn Sie ein Gas haben, das in einem porösen Medium eingeschlossen ist", wie Erdgas in porösem Gestein, oder wenn Sie versuchen, in die entgegengesetzte Richtung zu gehen und Kohlendioxid im Gestein einzufangen, befinden sich viele Gasblasen darin enge Räume, sagte Kolinski. "Unsere Beobachtungen sind relevant für die Physik, wie diese Gasblasen eingeschlossen sind."
Der andere Teil der Aufregung ist jedoch, dass diese Studie zeigt, dass "Menschen in allen Phasen ihrer Karriere wertvolle Beiträge leisten können", sagte Kolinski. Dhaouadi "trieb das Projekt zu einem erfolgreichen Ergebnis", sagte Kolinski.
Die Ergebnisse wurden am 2. Dezember in der Zeitschrift Physical Review Fluids veröffentlicht.
