Forscher knacken Rätsel des Paranuss-Effekts

[prisrak]

Bei einer Tüte gemischter Nüsse ist es immer das Gleiche: Ein paar Mal schütteln, schon sind die großen Paranüsse oben und die kleinen Erdnüsse unten. Noch immer ist nicht in allen Details klar, warum.

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Der

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sorgt unter anderem dafür, dass

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und dass

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– und er fasziniert Forscher vieler Fachrichtungen seit Jahrzehnten nicht nur morgens, wenn

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. Tatsächlich ist bis heute nicht alles über das rätselhafte Segregationsverhalten großer und kleiner Partikel in granularen Gemischen geklärt. Und so haben Forscher der University of Manchester nun ihren Hochleistungscomputertomografen in Stellung gebracht, um dem Geheimnis auf die Spur zu kommen, welche Rolle die äußere Form von geschüttelten großen und kleinen Partikeln beim Durchmischen spielt. Die Resultate der Studie haben

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Die hochtechnische Bildgebung half den Wissenschaftlern, mit einer bis dato schwer zu umgehenden Schwierigkeit fertigzuwerden: Beim dynamischen Schütteln eines Gemischs von, zum Beispiel, großen Paranüssen und kleinen Erdnüssen lassen sich leicht nur die Bewegungen der äußeren Nüsse, nicht aber die von diesen verdeckten weiter innen verfolgen. »Wir haben in unserer Arbeit nun erstmals wirklich in Echtzeit beobachten können, wie Paranüsse an Erdnüssen vorbei aufwärtswandern«, sagt Studienleiter Philip Withers.

Die dreidimensionale Darstellung des Ablaufs zeigt, wie die Scherkräfte des Schüttelvorgangs die Mischung von Erdnüssen mit einigen Paranüssen nach und nach verändern: Eine der großen Nüsse erreicht nach 70 Schüttlern das obere Zehntel des Mischzylinders, die anderen beiden folgen ihr nach 150 Schüttlern. Einige Paranüsse blieben im Experiment allerdings am Boden stecken. Dies, so der Studienautor Parmesh Gajjar, hänge vor allem von der anfänglichen Orientierung ab: Die Nüsse müssen in einem initialen Schritt beginnen, sich zumindest ein wenig um ihre vertikale Achse zu drehen, um sich nach und nach dann nach oben zu schrauben. Über allen kleineren Partikeln angekommen, legen sie sich schließlich wieder auf ihre Längsseite. Unterbleibt der erste Schritt, so verharren die Paranüsse am Boden.

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Damit ist klar, dass die Anfangsposition und -lage größerer Partikel eine Rolle spielt – und zudem ihre Gestalt und Symmetrie. Die Forscher möchten das neu gefundene Wissen auch anwenden: Denkbar ist, ein Gemisch von größeren und kleineren Partikeln durch eine gezielte Formgebung zu optimieren, so dass der Inhalt selbst bei ständigen Schüttelvorgängen stets gut verteilt bleibt. So könnte die Pharmazie etwa die Herstellung von Tabletten optimieren, in denen verschieden große Moleküle oder Inhaltsstoffe möglichst uniform verteilt sein sollten. Der Paranuss-Effekt spielt noch in anderen technischen Prozessen eine Rolle, wie beim Verhalten von Schüttungen im Bergbau, im Ingenieurwesen und bei der
Lebensmittelproduktion.

Was Asteroiden mit dem Paranuss-Effekt gemein haben​

Wenn man ein Nussmüsli schüttelt, wandern die größten Nüsse nach oben. Das scheint auch für kosmische Geschosse aus Eis und Gestein zu gelten.
von

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Was haben

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und Nussmüsli gemeinsam? Mehr als man denken könnte, meinen zumindest Soko Matsumura von der Dundee University und seine Kollegen: Schüttelt man ein Müsli, in dem sich unterschiedlich große Nüsse und andere Bestandteile befinden, so wandern im Laufe der Zeit, die größten Körper nach oben – ein Phänomen, das man auch als

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bezeichnet. Und genau dieser Effekt könne auch erklären, warum sich in Asteroiden ungewöhnlich viele große Steine in der Eismatrix im Außenbereich des kosmischen Geschosses wiederfinden verglichen mit der Menge an kleineren Gesteinen. Das "Schütteln" entstünde bei den Asteroiden, wenn diese mit kleineren Brocken im All zusammenprallen: Die entstehenden Stoßwellen lassen den Asteroiden erzittern und sorgten dafür, dass sich große Felselemente nach oben bewegen, während kleinere nach innen absinken, so Matsumura. Zusammen mit seinem Team hat er dies im Labor getestet, indem sie große und kleine Kugeln in einer Röhre unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen durchrüttelten. Selbst unter schwacher Gravitation, wie sie im All in einem Asteroiden herrschten, wäre diese Auftrennung in wenigen Stunden möglich.

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Als Astrogeologen auf dieses Phänomen aufmerksam wurden, dachten sie an eine Anomalie: Die japanische Sonde

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hatte auf ihrem Zielasteroiden

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wesentlich mehr große Felsen an der Oberfläche erfasst, als man erwartet hatte. Doch schon vorher zeigte sich beim Asteroiden Eros das gleiche Muster, weshalb die Forscher nun nicht mehr nur von Zufall ausgingen. Die Erschütterungen sorgen für Hohlräume, in die kleinere Bestandteile des Asteroiden (oder Müslis) rutschen, während voluminösere Teile nicht hineinpassen. Wiederholt man diesen Prozess oft genug, trennen sich die unterschiedlichen Größen entsprechend auf – wobei große Steine (oder Nüsse) nicht aktiv nach oben wandern, sondern passiv von kleinen dorthin verdrängt werden.

Quelle: Spektrum. de