Einführung in die Kavitation

Unter dem Begriff der Kavitation [cavitas, cavum (lat.): Höhle, Hohlraum] ist die Bildung kleiner Gasblasen in einem Fluid zu verstehen. Diese Blasen haben in den betrachteten Fällen einen Ruhe\-radius im Mikrometerbereich. Angeregt zeigen sie ein Schwingungsverhalten, wobei sie bis auf ein Vielfaches ihres Ruheradius aufschwingen können. Nach Erreichen ihres maximalen Radius kann es, abhängig von Parametern wie dem Blasenruheradius und dem Druck, zu einem relativ starken Kollaps der Blase kommen. Dieser Kollaps ist oft der Grund für beobachtete Kavitationsbegleiterscheinungen.

Spätestens mit der Erkenntnis von Silberrad aus dem Jahre 1912, dass Kavitation für Erosions-Effekte an Schiffsschrauben mit verantwortlich ist, wurde das Interesse an diesem Phänomen geweckt. Zum Beispiel entstehen hinter einem Propeller schraubenförmige Bahnen aus Kavitationsblasen.

Hydrodynamische Kavitation, induziert durch einen im Fluid rotierenden Propeller (Abbildung von Luther).

Die Auswirkungen der Kavitation kommen in vielen Gebieten zum Tragen. Es gibt eine ganze Reihe von Ansätzen, um die Effekte technisch auszunutzen:

• Auf der zerstörerischen Wirkung, die von Kavitationsblasen entfaltet werden kann, beruht die Funktionsweise von Ultraschallreinigungsbädern. Hier werden mit den entstehenden Blasen Schmutzpartikel attackiert. Bei wohl dosierter Anwendung wird die Verunreinigung entfernt, das Objekt aber (noch) nicht beschädigt. Gegenstand aktueller Forschung ist die sogenannte "`akustische Bürste"', bestehend aus Kavitationsblasen, die gezielt über die zu reinigende Oberfläche geführt werden sollen. Diese Art der Reinigung wird im Rahmen eines BMBF-Projekts gefördert und soll sich besonders für Werkstücke mit einer komplizierten Oberfläche eignen und die Reinigung homogener gestalten. Denkbar ist der Einsatz von Kavitation zur Reinigung von Abwässern.

  Zur Eignung unterschiedlicher Lösungsmittel für die Ultraschallreinigung gibt es zum Beispiel Untersuchungen von Niemczewski.

• In der Medizin für Untersuchungen und Behandlungen: In die Blutbahn injizierte Mikroblasen können von außen mit Ultraschall angeregt werden. Aus den von ihnen reflektierten Schallwellen kann besser auf die Blutströmung geschlossen werden als lediglich durch Echos der Blutkörperchen. Durch stärkere Ultraschalleinstrahlung können die Blasen auch an definierten Stellen zum Kollabieren gebracht werden, so dass ihr Inhalt, etwa ein Medikament, lokal ausgeschüttet werden kann.

• In der Kollapsphase der Blase wird deren Innentemperatur durch verschiedene Autoren von 5000 K bis über 10000 K geschätzt. Entsprechend kann der Druck während des Kollaps bis auf mehrere 1000 MPa anwachsen. Diese Schätzungen sind wesentlich abhängig von der Gaszusammensetzung im Blaseninneren. In der Sonochemie sollen diese Bedingungen gezielt zur Verbesserung chemischer Reaktionen eingesetzt werden.

Kavitations-Erscheinungen zeigen sich durch unterschiedliche Phänomene. In der Kollapsphase einer Kavitationsblase kann es zur Aussendung von Licht kommen. Diese unter dem Namen Sonolumineszenz (SL) bekannte Erscheinung ist verbunden mit sehr hohen Blaseninnentemperaturen. Arbeiten, die sich mit Sonolumineszenz befassen, sind zum Beispiel erschienen von Crum und Puttermann.

Bei der 1989 von Gaitan erzeugten Single-Bubble-Sonolumineszenz (SBSL) \cite{Gaitan:92} wird eine einzelne oszillierende Kavitationsblase in einer Blasenfalle gefangen. Dort kann sie über mehrere Stunden gehalten und untersucht werden. Weitere Untersuchungen zur Stabilität einzelner Sonolumineszenzblasen wurden zum Beispiel von Krefting durchgeführt.

Unter der Multi-Bubble-Sonolumineszenz (MBSL) wird das zugleich von mehreren Kavitationsblasen in ihrem jeweiligen Kollaps emittierte Licht verstanden. Diese Leuchterscheinung wurde erstmals von Frenzel und Schultes im Jahre 1934 beschrieben.

Kavitationsblasen stellen ein nichtlineares System dar. Sie können in Abhängigkeit von äußeren Parametern Periodenverdopplungskaskaden in ihrer Schwingungsperiode bis hin zu chaotischem Verhalten durchlaufen, wie es beispielsweise von Parlitz et al. untersucht wurde.

Beim Kollaps einer Kavitationsblase sendet diese eine Stoßwelle aus. Findet der Kollaps in der Nähe einer Grenzfläche statt, bildet sich ein sogenannter Jet, ein Wasserstrahl, der auf die angrenzende feste Fläche gerichtet ist.

Gezeigt ist ein Kollaps einer laserinduzierten Blase, deren maximaler Radius etwa 0.8 mm beträgt. Im ersten Bild entsteht eine Einstülpung an der Blase. Diese vergrößert sich und führt zu einer torusartigen Form der Blase im dritten Bild. Der eigentliche Jet läuft mit dieser Einstülpung durch die Blase, im letzten Bild ist der ihm entgegengerichtete Counter-Jet der kollabierten Blase zu sehen. Nach neuesten Erkenntnissen besteht der Counter-Jet wiederum aus Kavitationsblasen. Die Bildsequenz wurde aufgenommen von Lindau mit einem Bildabstand von 4 us (siehe auch Lindau).

Bei einem derartigen asphärischen Kollaps entstehen in einem komplizierten Prozess mehrere Stoßwellen. Schon wenige Stoßwellen können sichtbare Schädigungen von Oberflächen verursachen. Für weitere Betrachtungen siehe etwa die Arbeiten von Philipp, Ohl oder Geisler.

In dieser Aufnahme sind mehrere, von verschiedenen Blasen ausgesandte, konzentrisch nach außen laufende Stoßwellen zu sehen. Gemacht wurde die Aufnahme von Lindau (siehe auch Lindau).

Dieser Kollaps-Mechanismus ist verantwortlich für die Beschädigung von Oberflächen durch Kavitationserosion. Diese Erosion kann in Maßen erwünscht sein, wie im Fall der Ultraschall-Reinigung oder aber auch gänzlich unerwünscht, wie bei Schiffspropellern, Ultraschallwandlern, etc.

Abhängig von ihrer Entstehung werden Kavitationserscheinungen in verschiedene Bereiche gegliedert.

Einteilungen von Kavitationsphänomenen, abhängig von der Entstehungsart. In dieser Arbeit werden ausschließlich akus\-tisch erzeugte Kavitationsblasen untersucht (Einteilung nach Lauterborn.

Kavitation kann hydrodynamisch durch Spannungen im Fluid entstehen, zum Beispiel an Düsen oder Propellern, hinter Ventilen und, allgemein gesagt, bei Druckänderungen in der Flüssigkeit. Akustisch wird Kavitation durch ein eingestrahltes Ultraschallfeld erzeugt, dabei bildet sich ebenfalls ein Druckgradient in der Flüssigkeit aus, der dann zum Aufreißen derselben führt.

Durch Energieeinwirkung arbeitet optische Kavitation; die Blasen werden durch einen stark fokussierten Laser in die Flüssigkeit geschossen. Durch den optischen Durchbruch entsteht Plasma, das sich ausdehnt und den Hohlraum erzeugt, dies Verfahren ist beispielsweise von Schekahn eingesetzt worden. Der Energieeintrag, der zur Hohlraumbildung führt, kann auch durch Erhitzen des Fluids, einen Unterwasserfunken oder die Einwirkung eines hochenergetischen Elementarteilchens erreicht werden.

Die in dieser Arbeit interessante Erscheinung ist die Bildung der akustischen Lichtenbergfiguren. Zu dieser Namensgebung kam es durch die ähnlichkeit zu elektrischen Entladungsfiguren, die 1777 von Georg Christoph Lichtenberg entdeckt und erstmals dokumentiert wurden.

Im Durchlicht aufgenommene Akustische Lichtenbergfigur, die Kantenlänge dieser Aufnahme beträgt ungefähr 1 cm (Aufnahme durch Luther).

Dieses Phänomen der Selbstorganisation bei Kavitationsblasen führt zu feinen verästelten Strukturen, gebildet aus tausenden, nur wenige Mikrometer großen Blasen. Sie bilden die sogenannten Streamer, auf denen sie in Richtung des Zentrums wandern. Dabei sind sowohl die zentrale Blasenansammlung als auch die Streamer in ständiger Driftbewegung, nur auf Zeitskalen im Millisekundenbereich können sie als ortsfest angenommen werden. Frühe Untersuchungen wurden schon 1975 von Hinsch vorgestellt. In seinen Rechnungen ist er von linear, radial schwingenden Blasen ausgegangen. In heutigen Kalkulationen wird üblicherweise mit nichtlinearen Oszillationen gerechnet.

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