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Gradiertenkolleg „Lorentzkraft“ - strukturierte Doktorandenausbildung erster Güte Wie entsteht das Magnetfeld der Erde? Wie kann man mittels eines Magnetfeldes flüssigen Stahl oder flüssiges Aluminium rühren, bremsen, pumpen oder heizen? Wie lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit eines Metalls messen, ohne es zu berühren? Ist es durch spezielle magnetische Flüssigkeiten - so genannte Ferrofluide - möglich, Medikamententropfen unter Einsatz eines Magnetfeldes berührungslos an eine bestimmte Stelle des menschlichen Körpers zu positionieren? Mit diesen Fragestellungen befassen sich die Forscher des ITFD im Schwerpunktgebiet Magnetofluiddynamik und insbesondere im Graduiertenkolleg „Lorentzkraft“. Die nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik Antoon Lorentz benannte Lorentzkraft ist die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen oder elektrischen Feld erfährt. Im Ilmenauer Graduiertenkolleg erforschen 22 Doktorandinnen und Doktoranden aus der ganzen Welt in neun Fachgebieten die Grundlagen zweier eng verwandter Technologien: Zum einen die Lorentzkraft-Anemometrie zur Strömungsmessung in Flüssigmetallen und Glasschmelzen und zum anderen die Lorentzkraft- Wirbelstromprüfung zur Detektion von Defekten in metallischen Werkstoffen. „Das Besondere am Graduiertenkolleg ist die enge Verknüpfung zwischen DFG-finanzierter Grundlagenforschung und industriefinanzierter Anwendung bis hin zu Existenzgründungsplänen“, betont Professor Thess, der auch Sprecher des Graduiertenkollegs ist. So reicht das Forschungsspektrum von hochaufgelösten Computersimulationen bis zur Entwicklung von Lorentzkraft-Anemometern und Oberflächengeschwindigkeitssensoren für den Einsatz in der Industrie. Weltneuheit berührungslose Durchflussmessung bei schwach leitenden Fluiden Zu den Forschungshighlights aus diesem Bereich zählt ein weltweit neuartiges Verfahren zur berührungslosen Strömungsmessung von schwach leitenden Fluiden wie Lebensmittel und Chemikalien. Ob Coca-Cola-Produktion oder Arzneimittelherstellung | 16 UNI I 03 I 2013 - die Industrie wünscht sich schon lange elektrodenfreie Durchflussmesser für derartige Flüssigkeiten. Bei den herkömmlichen Faraday-Durchflussmessern müssen zwei Elektroden in die Flüssigkeit eingetaucht werden, die korrodieren oder verschmutzen und so die empfindlichen Lebensmittel oder hochreinen Chemikalien verunreinigen können. Mit berührungslos arbeitenden Lorentzkraft-Anemometern wäre dieses Problem gelöst. Bei gut elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten wie flüssigem Stahl und flüssigem Aluminium funktioniert das inzwischen auch. So war es Ilmenauer Wissenschaftlern schon 2005 gelungen, Messgeräte zur berührungsfreien Messung von Volumenströmungen in heißen und aggressiven Metallschmelzen zu entwickeln. Inzwischen ist die Ilmenauer Technologie mit fünf Patenten geschützt und wird im Rahmen eines vom Bund geförderten fakultätsübergreifenden EXIST-Forschungstransfer-Projekts auf dem Markt eingeführt. Nun aber gelang es den Forschern sogar, die Strömung in schwach leitenden Fluiden berührungslos nachzuweisen - und dies, obwohl die magnetische Lorentzkraft hier eigentlich viel zu klein ist. „Bei schwach oder fast gar nicht leifähigen Fluiden ist das Kräfteverhältnis so, als wolle eine Maus einen LKW ziehen“, schmunzelt Professor Thess. Doch die Wissenschaftler ersannen neue Ideen, um das Problem zu lösen. Ihre Wege führten sie zur Gravitationsphysik und speziell zum Pendel-Experiment des britischen Naturwissenschaftlers Henry Cavendish aus dem Jahre 1798. Professor Thess: „Cavendish hatte ein empfindliches Pendel genutzt, um die Anziehung von Bleikugeln durch die Gravitationskraft zu messen und somit Newtons Theorie der Schwerkraft zu prüfen. In ähnlicher Weise wollten wir auch vorgehen.“ Im Experiment ließen die Forscher zwei Permanentmagnete, die an vier Wolframfäden hingen und ein Pendel bildeten, auf eine schwach leitende strömende Flüssigkeit, in diesem Fall Salzwasser, wirken. Zuvor hatten sie durch Computersimulationen berechnet, dass sich das Pendel unter dem Einfluss der Salzwasserströmung um eine winzige Strecke verschieben sollte und dass diese Strecke durch Laser vermessen werden kann. Als sie das Experiment durchführten, fanden sie ihre Computersimu- UNITITEL Strömungsstrukturen in Flüssigmetall: Unter dem Einfluss des Magnetfeldes (blau) entstehen Haarnadelwirbel, die sich entlang der Strömungsrichtung ausbreiten. Die hochaufgelöste Simulation wurde von Dr. Saskia Tympel im Graduiertenkolleg Lorentzkraft angefertigt. Die Strömungsgeschwindigkeit einer Stahlschmelze wird mit dem Lorentzkraft- Anemometer gemessen. Das System im Kästchen in der Bildmitte wurde im Graduiertenkolleg Lorentzkraft entwickelt und an der Partnerinstitution Northeastern University Shenyang getestet. Magnetfelder werden zum Rühren, Messen, Formen und Bremsen flüssiger Metalle (Abbildung) verwendet und bilden den Kern des Graduiertenkollegs Lorentzkraft. Heiße Fluide berührungslos messen zu können ist von enormer wirtschaftlicher Bedeutung.


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