Die Hälfte des Planeten in kaum mehr Zeit zu durchqueren, als man für eine Folge seiner Lieblingsserie benötigt... Was einst reine Fiktion war, könnte bald dank der jüngsten Fortschritte im Bereich des Hochgeschwindigkeitsflugs zu unserer alltäglichen Realität werden.
Der interkontinentale Reiseverkehr könnte durch das Aufkommen von Hyperschallflügen radikal verändert werden. Derzeit benötigt eine Strecke zwischen Sydney und Los Angeles etwa fünfzehn Flugstunden, aber diese Dauer könnte auf nur sechzig Minuten reduziert werden. Professor Nicholaus Parziale behauptet, dass diese Technologie den Effekt hätte, den "Planeten schrumpfen zu lassen", was Reisen schneller und angenehmer machen würde.
Um solche Geschwindigkeiten zu erreichen, müsste ein Flugzeug mit Mach 10 fliegen, also der zehnfachen Schallgeschwindigkeit. Das Hauptproblem liegt in der intensiven Turbulenz und der extremen Hitze, die entstehen, wenn ein Fluggerät die Luft mit solchen Geschwindigkeiten durchschneidet. Luft verhält sich bei niedriger und hoher Geschwindigkeit nicht gleich. Unterhalb von Mach 0,3 wird die Strömung als inkompressibel bezeichnet: Die Dichte der Luft variiert wenig, was die Entwurfsberechnungen vereinfacht. Bei Schallgeschwindigkeit (also Mach 1) wird die Strömung als kompressibel bezeichnet, da sich das Gas unter dem Einfluss von Druck und Temperatur zusammendrückt.
Die Kompressibilität verändert die Art und Weise, wie die Luft mit dem Flugzeug interagiert, grundlegend und beeinflusst wesentliche Parameter wie Auftrieb, Widerstand und den für den Flug notwendigen Schub. Ingenieure beherrschen diese Phänomene bei den Unterschallgeschwindigkeiten heutiger Linienflugzeuge gut, aber die Bedingungen zwischen Mach 5 und Mach 10 sind weitgehend unverstanden. Eine leitende Idee, bekannt als die Morkovin-Hypothese, postuliert, dass das turbulente Verhalten der Luft bei diesen hohen Geschwindigkeiten wieder demjenigen ähnlich würde, das bei niedrigeren Geschwindigkeiten unter Mach 1 beobachtet wird.
Um diese Hypothese zu testen, hat Parziales Team ein ausgeklügeltes Experiment mit Lasern entwickelt. Sie ionisierten Krypton, ein Gas, das in die Luft eines Windkanals eingeleitet wurde, und erzeugten so eine fluoreszierende Linie, die sich unter dem Einfluss der Turbulenzen verformt. Indem sie beobachteten, wie sich diese Linie verdreht und wellt, konnten die Forscher die Struktur der Strömung bei Mach 6 analysieren. Die Ergebnisse, die nach elf Jahren Entwicklung erzielt wurden, deuten darauf hin, dass das turbulente Verhalten bei dieser Geschwindigkeit tatsächlich dem von inkompressiblen Strömungen nahekommt.
Nicholaus Parziale schätzt, dass Hyperschallflugzeuge eines Tages Los Angeles und Sydney in einer Stunde verbinden könnten.
Quelle: Stevens Institute of Technology
Diese Entdeckung würde die Konstruktion von Hyperschallflugzeugen erheblich vereinfachen. Derzeit würde die numerische Simulation aller Details eines Fluges bei Mach 6 enorme, vielleicht sogar unmöglich zu beschaffende Rechenressourcen erfordern. Die Morkovin-Hypothese würde es ermöglichen, vernünftige Annäherungen vorzunehmen und diese Berechnungen viel zugänglicher zu machen. Die Anwendungen könnten sich auch auf den Raumtransport erstrecken, indem sie die Entwicklung von Fahrzeugen ermöglichen, die die niedrige Erdumlaufbahn erreichen können, ohne auf traditionelle Trägerraketen zurückgreifen zu müssen.
Die Morkovin-Hypothese und die Turbulenz
Die Morkovin-Hypothese, die in der Mitte des 20. Jahrhunderts formuliert wurde, bietet eine vereinheitlichende Sicht auf die Turbulenz bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Sie legt nahe, dass die ungeordnete Bewegung der Luft, charakterisiert durch ihre Wirbel und Schwankungen, grundlegende Eigenschaften beibehält, selbst wenn die Geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit weit überschreitet. Diese Idee stellt die Intuition in Frage, dass sehr schnelle Strömungen radikal anders wären als langsamere Strömungen.
In kompressiblen Strömungen variiert die Dichte der Luft signifikant mit Druck und Temperatur, was die Analyse erschwert. Dennoch postuliert Morkovin, dass die Struktur der Turbulenz, also die Art und Weise, wie Wirbel entstehen und interagieren, weitgehend unverändert bleibt. Das bedeutet, dass die mathematischen Modelle und Konzepte, die zur Beschreibung der Turbulenz bei niedriger Geschwindigkeit verwendet werden, angepasst rather als ersetzt werden könnten.
Die experimentelle Validierung dieser Hypothese eröffnet große Perspektiven für die Aerodynamik. Wenn sich die Turbulenz bei verschiedenen Geschwindigkeiten ähnlich verhält, können sich Ingenieure auf bereits etabliertes Wissen stützen, um hypersonische Fahrzeuge zu entwerfen. Dies verringert die Unsicherheit und beschleunigt die Entwicklung von Technologien, die unter extremen Bedingungen funktionieren können, wo Konstruktionsfehler katastrophale Folgen haben können.
Jenseits der Luftfahrt könnte dieses Verständnis der Turbulenz auch anderen Bereichen zugutekommen, wie der Meteorologie oder der Windenergie, wo schnelle und turbulente Strömungen an der Tagesordnung sind. Ein einheitlicher Ansatz würde die Modellierung vereinfachen und die Genauigkeit von Vorhersagen verbessern, sei es für den Flug eines Flugzeugs oder die Zugbahn eines Sturms.
Quelle: Nature Communications