Was haben Asphalt, Erdböden, Brennstoffzellen, Pflanzen, Gehirne oder gar Knochen gemeinsam? Sie alle sind sogenannte „Poröse Medien“, die sich in unserem Alltag nahezu überall befinden. Sieht man genauer hin und untersucht sie unter dem Mikroskop, lässt sich die poröse Struktur und damit die Durchlässigkeit sehr gut erkennen.
Gase und Flüssigkeiten können ganz einfach durch sie hindurchströmen.
Wissenschaftler*innen der Universität Stuttgart nutzen die Ähnlichkeiten im physikalischen Verhalten, um poröse Medien besser zu verstehen und um mit Experimenten und Simulationen die Forschung im Bereich der porösen Medien zu unterstützen.
Ob Umwelt, Technologie oder Biologie –
die Zahl der Anwendungsbereiche ist groß. So können die Ergebnisse beispielweise beim Verständnis von umweltrelevanten Themen helfen (Energiespeicherung im Untergrund), sie können neue methodische Ansätze in der Medizin unterstützen (Behandlung von Osteoporose oder Multiple Sklerose) oder gar den Einsatz von Zukunftsmodellen im Bereich der Mobilität (Brennstoffzelle) beeinflussen.
Warum werden poröse Medien erforscht?
Weil es wichtig ist, zu wissen, was in Porösen Medien vor sich geht.
Wir Menschen, die Natur und unsere Umwelt und fast all die Objekte unseres Alltags sind in gewisser Weise durchlässig, aber das können wir mit bloßem Auge nicht sehen. Von außen sehen sie alle unterschiedlich aus.
Zoomt man aber ganz nahe ran, erkennt man ihre poröse Struktur ganz genau. Von innen sehen sie alle ähnlich aus.
Alle Porösen Medien bestehen aus Festkörpern und Hohlräumen. Flüssigkeiten und Gase können ganz einfach durch sie hindurchfließen. Und diese Prozesse sollen erforscht werden.
Warum ist das wichtig, zu wissen, was in Porösen Medien vor sich geht?
Dafür gibt es viele Gründe, die in der Regel eines gemeinsam haben: Es sind Strömung, Transport oder Deformation daran beteiligt.
Strömung: Poröse Medien sind nie „leer“. Es befinden sich immer entweder Flüssigkeiten (zum Beispiel Wasser oder Öl) oder Gase (Luft, Wasserdampf, Sauerstoff, Wasserstoff, etc.) in ihren Poren.
Transport: Flüssigkeiten oder Gase können, indem sie durch die porösen Strukturen strömen, auch andere Stoffe mit sich transportieren.
Deformation: Poröse Medien können durch die Kräfte, die Flüssigkeiten oder Gase ausüben, aber auch durch äußere Lasten auch ihre Form verändern. Deshalb spricht man von „Deformation“.
Das Interessante ist also, porösen Medien vor allem auch von „innen“ und nicht nur von „außen“ zu untersuchen, um die Prozesse insgesamt besser verstehen zu können. Betrachtet man poröse Medien im Zoom-Modus, dann kann man die oft sehr unterschiedlichen Strukturen in einem Analog-Modell nachbauen oder sie im Computermodell nachbilden.
A: Lebensmittel
Was passiert beim Frittieren von Pommes Frites?
Pommes (Kartoffel = poröse Medium) beinhalten Wasser.
Werden sie in heißes Fett geworfen, entstehen durch die Hitze Volumenveränderungen in den Inhaltsstoffen der Pommes, Wasser strömt und diffundiert aus den Pommes heraus. Gleichzeitig dringt Fett in die Poren ein und löst einen chemischen Reaktionsprozess aus, der die Poren verschließt und die Pommes kross werden lässt.
Was passiert beim Schmieren eines Butterbrotes?
Die Poren im Brot nehmen die Butter auf. Dadurch werden die Poren z.B. für Honig oder Marmelade undurchlässiger.
Was passiert bei der Zubereitung eines Filterkaffees?
Unter Druck gelangt heißes Wasser in den Kaffeefilter und auf das Kaffeepulver. In einem Phasenübergang fest-flüssig werden Inhaltsstoffe aus dem Pulver im Wasser gelöst, die mit dem durch die Filterporen durchströmenden Wasser in die Kanne transportiert werden.
B: Medizin
Was passiert beim Einnehmen einer Kopfschmerztablette?
Die Wirkstoffe der Kopfschmerztablette werden im Verdauungssystem gelöst, dann über den durchlässigen (porösen) Darm in die Blutbahn und letztlich in die Zellen transportiert, wo sie an Rezeptoren andocken und ihre Wirkung hoffentlich entfalten.
Welche Rolle spielt die Blut-Hirn-Schranke?
Die Blut-Hirn-Schranke ist eine wichtige Barriere zwischen unserem Blut und dem Zentralnervensystem. Sie bestimmt, welche Substanzen hinein- und auch hinausdürfen. Sie ist in gewissem Maße aber durchlässig und übernimmt eine Art Filterfunktion.
Welche Rolle spielt die Blut-Hirn-Schranke bei MS-Patient*innen?
Bei Menschen, die an Multipler Sklerose (MS) erkrankt sind, gibt es eine Störung der Blut-Hirn-Schranke. Körpereigene Abwehrzellen überwinden die Blut-Hirn-Schranke und gelangen ins Gehirn, wo sie Schäden anrichten.
Wie funktioniert Wundheilung?
Blutplättchen werden mit dem Blut an die geschädigte Stelle transportiert und versuchen sie zu verschließen und wieder impermeabel für Blut zu machen.
C: Umwelt
Was passiert, wenn der Bauer Gülle auf seine Felder sprüht und es regnet?
Die Gülle strömt durch die Schwerkraft und durch Kapillarkräfte in den Boden. Bei Regen werden Inhaltsstoffe der Gülle im Wasser gelöst und weiter in die Tiefe transportiert, sodass sie ins Grundwasser gelangen und dieses kontaminieren können.
Wie nehmen Pflanzen Wasser auf?
Über ihre Wurzeln. Die Pflanze ist in gewissem Sinne auch porös, der Erdboden auch. Die Pflanze nimmt über ihre Wurzeln Wasser aus dem Erdboden auf, wobei Kapillarkräfte und osmotische Kräfte neben vielen anderen Mechanismen eine wichtige Rolle spielen.
Wie kann man Äpfel vor dem zu schnellen Austrocknen bewahren?
Kühl lagern, damit die Verdunstung an der Oberfläche minimiert wird. Manchmal wird auch die Schale behandelt, sodass weniger Saft hindurchdiffundiert.
D: Technologie
Wie werden giftige Gase aus Fahrzeug-Abgasen entfernt?
Katalysatoren sind poröse Bauteile, die einerseits Partikel herausfiltern, andererseits an ihrer großen spezifischen Oberfläche auch Gasbestandteile absorbieren.
Wieso kann Papier Tinte aufsaugen? Was passiert mit den Partikeln und Pigmenten in der Tinte?
Papier ist ein gut durchlässiges poröses Medium und kann Feuchtigkeit aufsaugen. Die Partikel in der Tinte werden durch Kapillarkräfte vom Papier aufgesaugt und trocknen schnell.
Wieso können Windeln Feuchtigkeit aufsaugen und festhalten?
In Windeln bestehen aus porösen Schichten und einem „Superabsorber“. Der Superabsorber regiert mit der Flüssigkeit (Urin) und wird zu einem gelartigen Stoff, der nicht aus der Windel austritt. Dabei findet ein sehr starkes Schwellen der porösen Schichte, also eine starke Deformation und Volumenzunahme statt.
Wie wird Kleidung wasserabweisend?
Eine Imprägnierung sorgt dafür, dass Wasser nicht durch den durchlässigen Stoff hindurch kann. Sie macht den Stoff hydrophob, eine wichtige Eigenschaft, die bei Gas-Wasser-Strömungen extrem wichtig werden kann. Z.B. auch in Brennstoffzellen.
Alles Porös
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Was sind poröse Medien?
Was haben Asphalt, Erdböden, Brennstoffzellen, Pflanzen, Gehirne oder gar Knochen gemeinsam? Sie alle sind sogenannte „Poröse Medien“, die sich in unserem Alltag nahezu überall befinden. Sieht man genauer hin und untersucht sie unter dem Mikroskop, lässt sich die poröse Struktur und damit die Durchlässigkeit sehr gut erkennen.
Zum Vertiefungstext
Fragen und Antworten
Credits: Natalie Weinman, Sven Tillack, Steffen Knöll
Visualisierung einer porösen Struktur
Credits: Universität Stuttgart / VISUS / Stefan Scheller
Risse im trockenen, porösen Erdboden
Credits: Universität Stuttgart / SFB 1313
Der Mensch ist selbst ein poröses Medium: Auszug der oberflächlichen Gesichtsgefäße aus Wärmebildern, erstellt mithilfe mathematischer Hilfsmittel, die aus der Bildverarbeitung bekannt sind.
Credits: Bild entstanden im Rahmen des internationalen Workshops “InFoMM Graduate Modelling Camp“ an der Universität Oxford
Visualisierung eines Wirbelkörpers (Vertebra)
Credits: Universität Stuttgart / VISUS / Stefan Scheller
Lineare Strömungswege im porösen Medium
Credits: Universität Stuttgart / SFB 1313 / VISUS / Stefan Scheller und Universität Utrecht / Matthijs de Winter