Turbulenz, Windenergie und Stochastik

Forschung

Woran wir Arbeiten 

Die deterministische Beschreibung der Natur auf der Basis von Differentialgleichungen wird oft als ein herausragendes Ergebnis der Physik des 19. Jahrhunderts, also der klassischen Physik, dargestellt, während die Entwicklung der Quantenstrukturen als großer Erfolg der Physik der Physik des 20.  Jahrhunderts angesehen wird.

Mit den Grundprinzipien der klassischen Physik sind jedoch nicht alle Probleme dieser gelöst. Insbesondere ist in den letzten Jahrzehnten erkannt worden, dass Nichtlinearitäten in klassischen Problemen zu unerwarteten Erscheinungen führen können. So ist es zum Beispiel von aktuellem Interesse, wie sich aufgrund von Nichtlinearitäten spontan räumliche Strukturen oder zeitliches Chaos bilden. Eine der großen Herausforderungen der "nichtlinearen klassischen Physik" ist die Beschreibung der Turbulenz. Die beschreibenden Bewegungsgleichungen der Turbulenz sind seit über 100 Jahren bekannt. Trotzdem ist es bis heute weder mit modernen theoretischen Ansätzen noch mit numerischen Simulationen auf den größten zur Verfügung stehenden Rechnern gelungen, die Turbulenz genau zu beschreiben. Das Zusammenspiel zwischen Chaos und räumlicher Strukturbildung , wie es z.B. bei den faszinierenden Phänomenen der Wolkenstruktur zu beobachten ist, erschwert bis heute den Fortschritt in diesem Forschungsbereich.

Ein hochaktuelles Anwendungsfeld für Turbulenzforschung, auf dem wir zur Zeit sehr intensiv arbeiten, ist die Windenergiewandlung. Windenergieanlagen stellen eine der bedeutendsten erneuerbaren Energieanlagen dar. Gerade hier in Norddeutschland spielt diese Energieform eine bedeutende Rolle und hat inzwischen zu vielen bekannten industriellen Aktivitäten geführt. Typischerweise werden Windenergieanlagen an Orten mit hohen Windgeschwindigkeiten aufgestellt. Wegen ihrer Bodennähe  sind diese Anlagen besonders starken Windturbulenzen ausgesetzt. Die Auswirkungen dieser turbulenten Winde sind von Landeanflügen bei schlechtem Wetter wohl bekannt. Im Gegensatz zu Flugzeugen, die immer versuchen, Turbulenzen auszuweichen, müssen Windenergieanlagen im Dauerbetrieb diese Windturbulenzen aushalten. Aus unbekannten Turbulenzeigenschaften ergeben sich z.B. unbestimmte Materiallasten, die zu unerwarteten Ausfällen oder zu unnötigen Kosten führen können.

Laborrundblick

Die Themenbereiche im Einzelnen

Windenergie / Turbulenzforschung
Stochastische Analysen
Messtechnik
Hydrothermale Karbonisierung