ROHRPHYSIK als neues technisches Paradigma?

Rohre sind aus unseren Alltag nicht mehr wegzudenken. Wir transportieren sämtliche fluide Stoffe mittels Rohrleitungen und machen uns oft nur wenige Gedanken über die grundlegenden Eigenschaften von röhrenförmigen Gebilden. Eine Reihe merkwürdiger Phänomene, welche an und in Rohrleitungen zu beobachten sind, deuten darauf hin, dass Rohre aufgrund ihres grundsätzlichen Aufbaus eine Menge mehr zu leisten im Stande sind, als wir diese Effekte heute in der Technik nutzen. Betrachtet man Rohre nämlich als resonanzfähige Bauteile und kombiniert diese mit der natürlichen Resonanzfähigkeit der bewegten Stoffe, so sind nicht nur theoretisch Wechselwirkungen zu erzielen, welche sich auf viele Prozesse geradezu dramatisch positiv oder zumindest vorteilhaft auswirken.

Da die physikalischen Gesetzmäßigkeiten vor allem auf rohrförmige Gebilde zutreffen, scheinen die Effekte vorerst auf das Bauteil Rohr beschränkt zu sein. Es ist also durchaus angebracht den Begriff „Rohrphysik“ als ernsthafte Diskussionsgrundlage einzuführen.

Entwicklung von Rohrleitungen

Seit Menschengedenken bestand in der Leitung von Wasser eine große Notwendigkeit. Da gute Wasservorkommen ortsgebunden sind und der Transport von Wasser mittels Menschenkraft mit dem Wachstum der Siedlungen sehr bald an seine Grenzen stieß, wurde es eine Notwendigkeit für den Wassertransport Anlagen zu errichten.

Während in der Frühzeit in erster Linie Freispiegelleitungen gebaut wurden, in denen das Wasser durch Höhenunterschiede gravitationsbedingt floss, entwickelte man bereits in der Antike und im speziellen dann die Römer erste Druckleitungen. Durch diese Druckleitungen wurde es möglich Täler und Schluchten mittels Düker und Siphone zu überwinden.

Historische Wasserleitungen aus Holz waren vielerorts sogar noch im 20. Jahrhundert im Betrieb.

Historische-Wasserleitung

Historische Wasserleitung – Quelle

Rohrleitungen alleiniger Stand der Technik zum Flüssigkeitstransport

In der heutigen Zeit sind Rohrleitungen nicht mehr aus der Technik und Industrie wegzudenken. Was für uns heute bereits völlige Normalität bedeutet war früher eine Meisterleistung der Technik.

Heute unterscheiden wir eine Vielzahl an Materialien, welche wir zum Bau von Rohrleitungen einsetzen. Auch den verwendeten Durchmessern (Nennweiten) der eingesetzten Rohre ist nahezu keine Grenze gesetzt. Durchmesser, Rohrmaterial und Fließgeschwindigkeit wirken sich auf die Strömungsverhältnisse der transportierten Flüssigkeiten aus. Mit der Zeit lernte man die Strömungsverhältnisse in Rohrleitungen zu berechnen und es entwickelte sich die Lehre der Rohrhydraulik.

Die größten Herausforderungen, welche das fließenden Wasser an unsere Rohrsysteme stellt scheinen erschöpfend gelöst zu sein.

Das Rohr als resonanzfähiges Bauteil

Heinrich Hertz hat vor ca. 130 Jahren die Existenz von elektromagnetischen Wellen nachgewiesen. Seit diesen Zeitpunkt war die Forschung und Entwicklung im Bereich der elektromagnetischen Wellenphysik nicht mehr aufzuhalten. Immer kürzere Wellenlängenbereiche wurden erforscht und seit der Entwicklung des Radars werden diese auch technisch ausgenutzt.

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Hohlraumresonator mit Resonanzfrequenz von 1,3GHz – Quelle

Vor allem bei der Entwicklung von Antennen und Resonatoren wurde bald auch auf das Bauteil Rohr zurückgegriffen. Es zeigte sich, dass spezielle Rohre als Hohlraumresonatoren geradezu ideal einzusetzen sind. Vor allem in Frequenzbereichen oberhalb von 1GHz werden diese bevorzugt an der Stelle von Schwingkreisen eingesetzt, da sie geringere Verluste und höhere Gütefaktoren als zum Beispiel Dipolantennen aufweisen. In der Hochfrequenztechnik ist das Rohr also als modernes Bauteil längst angekommen.

Während die moderne Rohrleitungstechnik bereits Anfang des 19. Jahrhunderts im Zuge der industriellen Revolution Einzug in die Technik gehalten hat, folgten die Erkenntnisse über die elektromagnetischen Resonanzeigenschaften erst um fast ein Jahrhundert später. Und auch heute noch sind Wechselwirkungen zwischen Rohrresonanzen und natürlichen Resonanzbereichen des bewegten Fluids nahezu unbeachtet bzw. unerforscht.

Auf Resonanz abgestimmte Rohrschwingkreise

Aufgrund des sehr hohen Brechungsindex von flüssigen Wasser ist bereits bei 2,45 GHz die erste Resonanzfrequenz des flüssigen Wassers festzustellen. Für diese Frequenz liegt die zugehörige Wellenlänge im Luftraum im niedrigen zweistelligen Zentimeterbereich. Mit diesen geometrischen Grundbedingungen lassen sich bereits erste einfache Schwingkreise konstruieren, welche aus rohrförmigen Bauteilen bestehen und eine Resonanz in genau diesem Wellenlängenbereich aufweisen. Innerhalb dieser Schwingkreise geleitetes Wasser zeigt eine Vielzahl an interessanten Effekten. Auch der grundsätzlich krümmungsabhängige Sättigungsdampfdruck scheint von diesen Effekten berührt zu sein.

Da Metallrohre nicht nur als Hohlraumresonator fungieren sondern aufgrund deren Leitfähigkeit auch leitungsgebundene Wellen transportieren können, wirkt sich das Erzeugen von gewissen Resonanzschwingungen auch auf die Kondensationseigenschaften von flüssigen Wasser auf der Außenseite der Rohrleitungen aus. Das oftmalig beobachtete Ausbleiben der Kondenswasserbildung an der Oberfläche von gekühlten Rohrleitungen, welche eigentlich den Taupunkt unterschritten haben, deutet auf eine Resonanzwechselwirkung hin, welche in der Prozesstechnik voraussichtlich weitreichende Folgen haben wird.

ROHRPHYSIK als neues technisches und wissenschaftliches Paradigma

Während erste funktionierende Prototypen von Rohrschwingkreisen bereits bei einfachen Anwendungen bemerkliche Auswirkungen zeigen, darf man gespannt sein was weiterführende Versuchsreihen bringen werden.

Die heute zur Verfügung stehenden technischen Verfahren ermöglichen die kostengünstige Fertigung von Resonanzbauteilen, welche die Rohrleitungstechnik womöglich revolutionieren werden. Da diese Art der Betrachtung nicht ausreichend die bestehende Systeme übertragbar ist und viele physikalische Gesetzmäßigkeiten ausschließlich für die geometrische Form – Rohr gelten, scheint es sinnvoll den Begriff Rohrphysik für weiterführende Betrachtungen und die Diskussion einzuführen.

Die bereits jetzt bekannten Vorteile von Rohrschwingkreisen in der Prozesstechnik lassen gespannt sein, wie schnell sich die Rohrphysik als eigene Kategorie durchsetzen wird. Bei Interesse an diesem spannenden Thema gebe ich gerne persönlich Auskunft und werde über die Entwicklung von Rohrschwingkreisen als technisches Bauteil in einschlägigen Fachzeitschriften berichten.

Herzlichst

Martin Franz Neuhuber

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