Im Takt des Kernspins

Blitzschnelle Bilder aus den Inneren granularer Medien

  • Foto: 3T MRT am Institut für Biomedizinische Technik, ETH Zürich und Universität Zürich Foto: 3T MRT am Institut für Biomedizinische Technik, ETH Zürich und Universität Zürich
  • Foto: 3T MRT am Institut für Biomedizinische Technik, ETH Zürich und Universität Zürich
  • Abb. 1: Schnelle Magnetresonanztomographie von granularen Medien. Maßgeschneiderte Mehr-Kanal Empfangshardware ermöglicht hohe Signalausbeute und 4-fache Unterabtastung. Eigens designte, Öl-gefüllte Agarpartikel sorgen für die nötige Signalstärke und -dauer um effiziente «single-shot» MRT Sequenzen ausführen zu können.
  • Abb. 2 Echtzeit-Magnetresonanztomographie eines fluidisierten granularen Mediums. Links ist eine Skizze des Versuchsaufbaus zu sehen, während rechts eine Aufnahme-Sequenz abgebildet ist, in welcher die spontane Vereinigung sowie Teilung zweier Blasen zu sehen ist.
  • Abb. 3 Räumliche Verteilung von Luftblasen im fluidisierten Versuchsreaktor. Der Durchmesser der Blasen und deren Position im Reaktor konnte mittels der MRT Aufnahmen ermittelt werden. Im rechten Bild ist zu erkennen, dass der Blasendurchmesser mit dem Abstand zum unteren Rand und den Seitenrändern des Reaktors zunimmt.

Granulare Medien wie zum Beispiel Sand, Geröll oder Pulver sind allgegenwärtig. Die Bewegung granularer Medien bestimmt die Ausbreitung von Erdbeben, Lawinen und Hangrutschen und spielt in zahlreichen industriellen Anwendungen eine zentrale Rolle. Allerdings wissen wir noch erstaunlich wenig über die Dynamik von granularen Medien. Das liegt unter anderem daran, dass es schwierig ist Bewegung im Inneren dieser meist undurchsichtigen Materialien zu messen. Einem interdisziplinären Team von Forschern der ETH Zürich, der Universität Zürich und der Universität Osaka in Japan ist es jetzt gelungen die Bewegung von granularen Medien zehntausend mal schneller zu messen als das bisher möglich war. Dazu entwickelten sie ein Messverfahren, das auf der medizinischen Magnetresonanz-Tomographie (MRT) basiert. Mithilfe dieses Verfahrens gewannen die Forscher u.a. detaillierte Einblicke in das Verhalten von gasdurchströmten granularen Medien [1]. Das Verfahren könnte dazu beitragen Felsstürze und Erdrutsche in Zukunft genauer vorherzusagen oder die Effizienz von industriellen Prozessen zu erhöhen.

Granulare Medien in der Industrie

Die Bewegung von granularen Materialien ist von zentraler industrieller Bedeutung, etwa bei der Verarbeitung und dem Transport von landwirtschaftlichen Produkten oder Erzen und in der pharmazeutischen Industrie, wo Wirkstoffe in Pulverform präzise vermischt werden müssen. Schätzungen gehen davon aus, dass in etwa 10 % der globalen Primärenergie für den Transport und die Verarbeitung von granularen Medien verwendet werden [2]. Trotz dieser enormen wirtschaftlichen Bedeutung sind die industriellen Produktionsabläufe oft ineffizient, da sie häufig durch unvorhergesehene Stauung oder Entmischung der verwendeten Granulate unterbrochen werden und es dadurch zu Stillständen oder Beeinträchtigung der Produktqualität kommt. Das liegt vor allem daran, dass trotz jahrzehntelanger Bemühungen, das Verhalten von granularer Materie noch erstaunlich schlecht verstanden ist. Selbst eine kleine Effizienzsteigerung der Produktionsprozesse durch verbessertes Wissen würde zu einer enormen Energieersparnis führen.

Medizinische Magnetresonanztomographie für die Erforschung granularer Medien

Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem besseren Verständis von granularen Medien sind präzise Geschwindigkeitsmessungen der Partikelphase.

Anhand dieser Messungen können neue physikalische Theorien und Modelle getestet werden. Solche Messungen sind allerdings schwierig, da granulare Medien undurchsichtig sind und deshalb optische Verfahren ungeeignet sind. Um dieses Hindernis zu überwinden, haben die Zürcher Forscher eine Messmethode, die heute vor allem in der Medizin verwendet wird, wieder in die Physik-Grundlagenforschung zurückgeholt: die Magnetresonanztomograhpie (MRT), mit welcher hochauflösende Aufnahmen vom Inneren lebender Menschen gemacht werden. In der Magnetresonanztomograhpie, die auch unter dem Namen Kernspintomographie bekannt ist, werden die zu untersuchenden Objekte in eine Röhre mit einem starken statischen Magnetfeld geschoben (Abb. 1). In diesem Feld richten sich die Kernspins des zu untersuchenden Gewebes oder Materials vorwiegend räumlich aus und werden mithilfe von resonanten Radiowellen „umgeklappt“.
Das Zurückklappen dieser Spins erzeugt wiederum ein messbares Radiofrequenzsignal, aus dem ein dreidimensionales Bild der räumlichen Verteilung der Kernspins im Objekt erstellt werden kann. Für ihre neuen Experimente, die vor kurzem im Fachjournal Science Advances veröffentlicht wurden [1], erweiterten die Zürcher Forscher ein kommerzielles klinisches MRT Gerät um 16 hochsensitive Empfangsspulen, welche unmittelbar um das zu untersuchende Objekt platziert wurden (siehe Abb. 2 links oben und Abb. 3 links). Die Spulenanordnung wurde mit Hilfe von elektromagnetischen Simulationen ermittelt, um eine maximale Signalausbeute zu erreichen. Des Weiteren wurde ein spezielles granulares Material entwickelt, welches ein starkes und relativ langlebiges MR Signal erzeugt. Es besteht aus gehärteten Agar Kapseln mit einem Durchmesser von einem Millimeter, die mit pflanzlichem Öl gefüllt sind. Als dritte Komponente verwenden Sie eine aufeinander abgestimmte Kombination von Beschleunigungsverfahren mit denen die erforderliche Messzeit erheblich reduziert wird. Durch das Zusammenspiel von verbesserter Hardware, Materialeigenschaften und Beschleunigungsverfahren konnte die Partikelgeschwindigkeit in dynamischen granularen Systemen zehntausendmal schneller gemessen werden als dies bisher möglich war. Damit ist es nun möglich Bilder aus dem Inneren von granularen Materialien in weniger als einer hundertstel Sekunde zu machen.

Zukünftige Anwendungen

Mögliche Anwendungen der neuen Messmethode sind vielfältig: So planen die Forscher etwa vorhandene theoretische Modelle zu überprüfen und gegebenenfalls zu überarbeiten. Dazu gehören Theorien zu den beiden Phänomenen der Entmischung („segregation“) und zur plötzlichen Stauung („jamming“) von granularen Materialien, welche beide von großer industrieller Bedeutung sind. Ausserdem untersuchten die Forscher mit der neu entwickelten Methode die Dynamik von Wirbelbetten. In diesen Systemen wird ein Gas durch ein festes granulares Material geblasen. Das Gas lockert die einzelnen Partikel auf, die sich in der Folge wie eine Flüssigkeit verhalten. Man nennt ein derartiges granulares Material deshalb „fluidisiert“. In Wirbelbetten kommt es zu einem engen Kontakt zwischen der Gas- und der Partikelphase weshalb solche Reaktoren in der chemischen Industrie häufig eingesetzt werden um Gase an Katalysatorpartikeln schnell reagieren zu lassen.

Die Abscheidung von Kohlendioxid (CO2) aus Verbrennungsgasen ist eine weitere relativ neue Anwendung von Wirbelbettreaktoren, mit der dem Klimawandel entgegengewirkt werden kann. Bei diesem Verfahren wird CO2 an absorbierenden Partikeln, z.B. CaO gebunden; allerdings hat das Gas welches in der Form von Blasen in einem Wirbelbett auftritt kaum Kontakt zu den Partikeln und die Reaktion läuft deshalb recht langsam und unvollständig ab. Die Entstehung und Interaktion dieser Gasblasen ist noch schlecht verstanden, da es bisher kaum möglich war deren Entstehung und Bewegung direkt zu messen. Ein besseres Verständnis der Partikel- und Gasdynamik in solchen Reaktoren könnte deshalb zu einer höheren Effizienz der Abscheidevorgänge und zu einer bedeutenden Energieersparnis führen. Das neu entwickelte Messverfahren erlaubt es erstmals die Entstehung, Dynamik und Eruption von Gasblasen und die Geschwindigkeitsverteilung der Partikelphase in Wirbelbett-Reaktoren zu messen. Dadurch können Erkenntnissen gewonnen werden anhand derer das Design von Wirbelbettreaktoren verbessert werden kann.

Autoren
Alexander Penn1,2, Klaas P. Pruessmann2 und Christoph Müller1

Zugehörigkeiten
1Department Maschinenbau und Verfahrenstechnik, ETH Zürich, Schweiz
2Institut für Biomedizinische Technik, ETH Zürich und Universität Zürich, Schweiz

Kontakt  
Prof. Christoph Müller

Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik
ETH Zürich
Zürich, Schweiz
muelchri@ethz.ch

Literatur

[1] A. Penn, T. Tsuji, D. O. Brunner, C. M. Boyce, K. P. Pruessmann, and C. R. Müller, Sci. Adv. 3, (2017).

[2] J. Duran, Sands, Powders, and Grains: An Introduction to the Physics of Granular Materials (Springer Science+ Business Media, LLC, 2001).

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