Forscher lassen die Korken knallen Physik mit Sektflaschen: komplexes Überschall-Phänomenen berechnet

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Überschall können wir alle leicht bei uns zu Hause erzeugen – mit einer Sektflasche. Wenn der Korken knallt, erreicht das entweichende Gas bis zu 1,5-fachen Schallgeschwindigkeit. Dies geht aus neuen Modellrechnungen hervor, die Forscher der TU Wien durchgeführt haben. Die Berechnung dient auch als Modell für andere Projektile oder Flugkörper wie Raketen.

Es klingt nach einem simplen Alltagsphänomen: Das Sektkorkenknallen. In der Flasche herrscht hoher Druck, der Korken wird vom darin komprimierten Gas nach außen getrieben und fliegt mit einem kräftigen „Plopp“ davon. Doch die Physik dahinter ist kompliziert.

Experimente mit Hochgeschwindigkeits-Kameras gab es bereits, doch eine mathematisch-numerische Analyse fehlte bisher. Diese Lücke wurde nun am Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Wien in Kooperation mit dem privaten Österreichischen Kompetenzzentrum für Tribologie (AC2T) geschlossen: Mit Computersimulationen gelang es, das Verhalten von Korken und Gasströmung nachzurechnen. Dabei stießen die Wissenschaftler auf erstaunliche Phänomene: Eine Überschall-Stoßwelle bildet sich aus, mehr als die eineinhalbfache Schallgeschwindigkeit kann der Gasstrom dabei erreichen. Die Ergebnisse sind auch für andere Anwendungen wichtig, bei denen es um Gasströmungen um ballistische Flugkörper bzw. Projektile oder Raketen geht.

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Überschall aus der Sektflasche

Dass es beim Korken knallen zum Überschall kommt, mag verwundern. „Der Sektkorken selbst fliegt mit einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit davon, er erreicht vielleicht 20 Meter pro Sekunde“, sagt Lukas Wagner, der Erstautor der Studie, der als Doktorand an der TU Wien sowie auch am AC2T forscht. „Das Gas, das dabei aus der Flasche herausströmt, ist aber viel schneller. Es überholt den Korken, strömt an ihm vorbei und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde.“ Das ist schneller als die Schallgeschwindigkeit (343 m/s, unter Standardbedingungen).

Der Gasstrahl durchbricht also kurz nach dem Öffnen der Flasche die Schallmauer – und das geht mit einer Stoßwelle einher. Normalerweise ändern sich Größen wie Druck und Temperatur in einem Gas kontinuierlich: Zwei Punkte, die sich nahe aneinander befinden, haben auch ungefähr den gleichen Luftdruck. Wenn aber eine Stoßwelle entsteht, ist das anders. „Dann kommt es zu Sprüngen in diesen Größen, zu so genannten Unstetigkeiten“, sagt Dr. Bernhard Scheichl (TU Wien & AC2T), der Dissertationsbetreuer von Wagner. „Dann haben Druck oder Geschwindigkeit vor der Stoßwellenfront einen ganz anderen Wert als knapp dahinter.“

Diese Stelle im Gasstrahl, an der sich der Druck abrupt verändert, wird auch als „Mach-Scheibe“ bezeichnet. „Ähnliche Phänomene kennt man auch von Überschallflugzeugen oder Raketen, bei denen der Abgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit aus den Triebwerken austritt“, erklärt Prof. Stefan Braun (TU Wien), von dem die ursprüngliche Idee für das Projekt stammt und der die Diplomarbeit von Wagner betreute. Die Mach-Scheibe bildet sich zunächst zwischen Flasche und Kork und bewegt sich dann zurück, in Richtung Flaschenöffnung.

Kurze Kälteexplosion

Nicht nur der Gasdruck, sondern auch die Temperatur ändert sich dabei schlagartig: „Wenn Gas expandiert, dann wird es kühler, das kennt man von Sprühdosen“, erklärt Erstautor Wagner. Bei der Sektflasche ist dieser Effekt sehr stark ausgeprägt: Punktuell kann das Gas auf bis zu -130° C abkühlen. Dabei kann es sogar passieren, dass aus dem CO₂, das den Sekt perlen lässt, winzige Trockeneis-Kristalle entstehen.

„Dieser Effekt hängt davon ab, welche Temperatur der Sekt ursprünglich hatte“, sagt Wagner. „Unterschiedliche Temperaturen führen zu unterschiedlich großen Trockeneis-Kristallen, die dann Licht auf unterschiedliche Weise streuen. Dadurch entsteht unterschiedlich gefärbter Rauch. Im Prinzip kann man also an dieser Farbe die Sekttemperatur ablesen.“

Was den Korken knallen lässt

„Dass es beim Ploppen einer Sektflasche tatsächlich zu Überschallphänomenen kommt, war zunächst alles andere als klar, das würde man nicht unbedingt erwarten“, sagt Dissertationsbetreuer Scheichl. „Aber unsere Simulationen zeigen, dass sich das auf natürliche Weise aus den Gleichungen der Strömungsmechanik ergibt, und unsere Ergebnisse stimmen mit den Experimenten sehr gut überein.“

Der hörbare Knall beim Öffnen der Flasche ist eine Kombination aus unterschiedlichen Effekten: Erstens dehnt sich der Kork abrupt aus, sobald er die Flasche verlassen hat und erzeugt dadurch eine Druckwelle, und zweitens hört man die Stoßwelle, erzeugt durch den überschallschnellen Gasstrahl – ähnlich dem bekannten aeroakustischen Phänomen des Überschnallknalles. Beides gemeinsam ist für den charakteristischen Klang des Sektkorken-Ploppens verantwortlich. Die Ausdehnung des Korkens wurde auf Basis der Experimente modelliert, die Wagner bei AC2T durchführte.

Die Ausbreitung des Gases beim Korkenknallen zeigt diese Simulation:

Modell für Pistolenkugeln bis zu Raketen

Die Methoden, die nun entwickelt wurden, um die Rätsel rund um die Physik des Sektkorken-Knallens zu lösen, lassen sich auch auf andere verwandte Bereiche anwenden: Vom Abfeuern einer Pistolenkugel bis zum Start einer Rakete – in vielen technisch wichtigen Situationen hat man es mit sehr festen Strömungskörpern zu tun, die in starker Wechselwirkung mit einem viel schnelleren Gasstrom stehen.

Originalpublikation: Lukas Wagner, Stefan Braun, Bernhard Scheichl: Simulating the opening of a champagne bottle, akzeptiert in: Flow (2023), 3 E40, DOI:10.1017/flo.2023.34,

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