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aus der Forschung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf

3D-„Filme“ aus dem Innenleben einer komplexen Strömung

In der Medizin oder für zerstörungsfreie Prüfverfahren wird die Röntgen-Computertomographie schon seit Jahrzehnten genutzt. Dabei werden die Schnittbilder aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und durch ein Computerprogramm zu einem dreidimensionalen Bild verrechnet. Weil die Röntgenquelle jedoch mechanisch um das Objekt herumgeführt werden muss, ist das Verfahren zu langsam, um schnelle, dynamische Prozesse abzubilden. Dr. Martina Bieberle und ihre Kollegen vom Institut für Experimentelle Thermofluiddynamik des HZDR haben nun ein ultraschnelles 3D-Röntgen-CT entwickelt, das bis zu 500 Aufnahmen pro Sekunde schafft. Dies erlaubt neue Einblicke in das Innere komplexer Strömungen.

3D-Bilder Strömung
Die 3D-Bilder zeigen, wie ein Gemisch aus Luft und Wasser eine Engstelle durchströmt. Foto/Grafik: HZDR/M. Bieberle.
Größere Ansicht 3D Strömung
Während ein Teil der Luftblasen vor dem Engpass quasi hängenbleibt, treten andere Blasen mit hoher Geschwindigkeit hindurch und werden dabei stark deformiert. Foto/Grafik: HZDR/M. Bieberle.

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Bieberle baute dafür auf dem Prinzip des ROFEX auf, ein am HZDR entwickelter ultraschneller 2D-Röntgentomograph. Durch die ultraschnelle Ablenkung eines Elektronenstrahls entlang eines kreisförmigen Metallringes (Target aus Wolfram) wird eine schnell bewegliche Röntgenquelle erzeugt. Die Röntgenstrahlung dringt durch das Untersuchungsobjekt und trifft auf die kreisförmig angeordneten, umgebenden Detektoren, wo sie erfasst wird.

Bis zu 500 3D-Bilder pro Sekunde

Aus den Daten errechnet ein Computerprogramm das dreidimensionale Bild mit einer Auflösung von etwa einem Millimeter. Pro Sekunde können bis zu 500 dreidimensionale Bilder aufgenommen werden. „Unsere ersten Experimente haben gezeigt, dass dieses Verfahren sehr gut funktioniert. Wir haben in einem Gemisch aus Wasser und Luft, das durch ein Rohr mit einer Engstelle strömte, sehr genau abbilden können, wie sich die Gasblasen beim Passieren der Engstelle verhalten“, berichtet Bieberle. Während einige Blasen an dem Hindernis hängen blieben, wurden andere stark deformiert. Mit dieser Methode können unterschiedliche Mehrphasen-Gemische untersucht werden, zum Beispiel auch Gaströmungen mit festen Partikeln oder Gas-Flüssig-Feststoff-Kombinationen, wie sie zum Beispiel bei der Ölförderung vorkommen. „Wichtig sind klare Dichteunterschiede zwischen den Phasen, um den notwendigen Kontrast zu erreichen“, erklärt Martina Bieberle. „Weil Wasser-Wasserdampf-Gemische eine große industrielle Relevanz besitzen, liegt unser Hauptfokus derzeit auf Gas-Flüssig-Systemen.“

Anwendung: mehr Effizienz in technischen Anlagen

Bieberle sieht zahlreiche Anwendungen für die Erkenntnisse aus ihren zeitlich und räumlich hoch aufgelösten 3D-Filmaufnahmen. Denn bisher basieren Designs für Kraftwerkskomponenten und chemische Reaktoren noch auf Modellierungen, die nur sehr grob das tatsächliche Verhalten von Mehrphasenströmungen berücksichtigen. Die Aufnahmen sollen nun unter anderem eine Datenbasis für verbesserte Modellierungen und Simulationen liefern. „Die Modellierungen könnten durch diese Aufnahmen deutlich realitätsnäher werden, sie könnten dann genauer berücksichtigen, unter welchen Bedingungen sich Gasblasen teilen, vereinigen oder verformen“, meint Bieberle. Dies ist wichtig, weil Größe und Form der Phasengrenzflächen maßgeblich Stoffströme und Wärmetransport beeinflussen, aber auch die mechanische Belastung der Behälterwände. All dies muss schon bei der Auslegung der Anlagen berücksichtigt werden. Genauere Einblicke in die Dynamik dieser Strömungen können ein effizienteres Design ermöglichen.

Neue Ära der schnellen Bildgebung

„Wir halten diese Arbeit für einen ersten Schritt in eine neue Ära der schnellen Bildgebung“, meint Martina Bieberle. Die Erkenntnisse aus der ultraschnellen Röntgentomographie lassen sich nicht nur in der Technik für die Modellierung komplexer Mehrphasenströmungen nutzen, sondern möglicherweise auch in den Lebenswissenschaften. „Es könnte zum Beispiel sehr interessant sein, bei kleinen Säugetieren die schnellen Veränderungen in bewegten Organen wie Herz oder Lunge genau zu untersuchen.“

Antonia Rötger