Strömungsverhalten von Mikroplastik High-Speed-Kameras verfolgen Kunststofffasern im Strömungskanal

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Wie verbreitet sich Mikroplastik im Meer? Was bei kugelförmigen Partikeln noch halbwegs gut zu berechnen ist, wird bei Fasern nahezu unmöglich. Ein hochauflösendes Kamerasystem von Wiener Forschern soll nun die Daten liefern, um das Strömungsverhalten der Teilchen besser zu charakterisieren.

Mikroplastik gelangt in Flüsse und Meere, reichert sich in Lebewesen an und stört ganze Ökosysteme. Wie sich winzige Partikel in einer Strömung verhalten, ist wissenschaftlich schwer zu beschreiben – besonders bei dünnen Fasern, die mehr als die Hälfte der Mikroplastik-Kontamination in marinen Lebewesen ausmachen. In turbulenten Strömungen lässt sich ihre Bewegung kaum vorhersagen.

An der TU Wien gelang es nun in Experimenten in einem Strömungskanal mithilfe von High-Speed-Kameras, das Verhalten solcher Mikroplastik-Fasern genau zu charakterisieren. Das soll die Grundlage für neue Modelle werden, mit denen die Forscher die Ausbreitung von Mikroplastik global vorhersagen möchten.

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Faserbewegung im Wasser ist schwer zu berechnen

„Wie sich Mikroplastik-Teilchen bewegen, verteilen und ablagern, hängt von ihrer Rotationsdynamik ab“, sagt Vlad Giurgiu, Erstautor der aktuellen Publikation und Doktorand im Team von Prof. Alfredo Soldati an der TU Wien. „Bei annährend kugelförmigen Teilchen ist das leicht zu analysieren. Aber oft hat man es mit langgezogenen, gekrümmten Mikrofasern zu tun.“ In diesem Fall kommt es zu komplizierten Effekten: Die Fasern können in allen drei Raumrichtungen rotieren, diese Rotation beeinflusst auch ihre Wechselwirkung mit der umgebenden Strömung.

Was dabei genau passiert, ist schwer zu berechnen. „Es gab dazu schon verschiedene Computersimulationen, aber sie beruhen auf vereinfachten Modellen, um das Verhalten der Fasern zu beschreiben“, sagt Erstautor Giurgiu. „Man braucht daher experimentelle Daten, mit denen man die theoretischen Modelle vergleichen und verbessern kann.“

Genau diese Daten lassen sich am Strömungskanal der TU Wien am Science Center (Arsenal, Wien) messen. Auf einer Weglänge von 8,5 Metern können dort kontrollierte Strömungen erzeugt werden. Kleine, gekrümmte Mikroplastik-Fasern mit einer Länge von rund 1,2 Millimetern wurden in das Wasser eingebracht und einer turbulenten Strömung ausgesetzt.

Hier finden Sie ein Video von Mikroplastikfasern in der Turbulenz von Kanalströmungen, Quelle: marcodepaoli.com

Sechs aufmerksame Augen

Knapp über der Wasseroberfläche des Strömungskanals installierte das Forscherteam sechs Spezialkameras: Mit einer Frequenz von 2.000 Bildern pro Sekunde wurden hochauflösende Aufnahmen der Mikroplastik-Teilchen in der Strömung gesammelt. Aus den Bildern lässt sich die dreidimensionale Position und Ausrichtung jedes einzelnen Mikroplastik-Teilchens errechnen. „Theoretisch würde das auch mit nur zwei Kameras funktionieren, aber mit sechs Kameras werden die Daten noch verlässlicher und genauer, besonders wenn die Konzentration der Teilchen hoch ist“, erklärt Giuseppe Carlo Alp Caridi, Koautor der Studie und Leiter der optischen Rekonstruktion am Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung.

Auf diese Weise lässt sich eine große Datenmenge über das Bewegungsverhalten hunderttausender Mikroplastik-Teilchen extrahieren und anschließen statistisch untersuchen. „So zeigte sich zum Beispiel, dass die Fasern in der Nähe einer Wand ein ganz anderes Verhalten zeigen als in der Mitte des Flüssigkeitsstroms, weit entfernt von den Wänden“, beschreibt Erstautor Giurgiu.

Genauere Vorhersage komplexer Strömungssysteme

Dank der neuen kameragestützten Analyse steht nun erstmals zuverlässiges Datenmaterial zur Verfügung, um theoretische Rechenmodelle über das Verhalten solcher Teilchen zu validieren. Damit soll sich in Zukunft auch die Ausbreitung von Mikroplastik-Fasern auf großer Skala vorhersagen lassen.

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„Stellen Sie sich vor, sie haben ein Schiff, das Mikroplastik aus dem Meerwasser filtern kann“, sagt Marco De Paoli (Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung, TU Wien). „Dann müssen Sie wissen, wo sie dieses Schiff am besten hinschicken – denn der Ozean ist groß. Wenn man das Verhalten der Partikel genau versteht, dann lässt sich die Antwort mit großer Zuverlässigkeit berechnen.“

Originalpublikation: Vlad Giurgiu, Giuseppe Carlo Alp Caridi, Marco De Paoli, and Alfredo Soldati: Full Rotational Dynamics of Plastic Microfibers in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 133 (2024); DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.054101

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