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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

Folge 13: Die erhitzte Orgelpfeife oder Erst wird es warm, dann wird es laut

Camping kann auch schon im Frühjahr Spaß machen und zur Erfahrung eines verblüffenden physikalischen Effekts verhelfen. Wenn im März oder April sonnige Tage angekündigt sind, zieht es die Campingfans hinaus an Seen und Flüsse, um die ersten Sonnenstrahlen zu genießen. Und wenn es abends kühl wird im Campingwagen oder Wohnmobil, kein Problem: Man entzündet einfach die Gasflamme der Heizung und schon bald durchströmt wohlige Wärme das Mobilheim. Aber nicht nur die. Oft wird – vor allem bei älteren Modellen – das Einheizen begleitet von einer Symphonie aus Brummen, Rauschen und Pfeifen. Wohnmobil-Hersteller kämpfen seit langem gegen diese störende Begleitmusik und haben dafür auch schon den Rat einer speziellen physikalischen Fachrichtung gesucht: der Thermoakustik. Denn was man rund um den Gasbrenner der Heizung zu hören bekommt, sind Töne, die durch Wärme entstehen.

Das singende Rohr

Die Thermoakustik entstand in den 1970er Jahren und erfuhr in den 80ern regen Zulauf. Sie untersucht Phänomene, die auf dem Zusammenspiel aus Temperaturunterschieden und Schallwellen beruhen. Die Initialzündung für das neue Forschungsgebiet war die Erklärung eines erstaunlichen Experiments, das mehr als 100 Jahre zuvor, im Jahre 1859 vom niederländischen Physiker Pieter Leonardus Rijke vorgeführt wurde. Diesen Versuch kann man relativ leicht selbst nachbauen: Man benötigt ein Rohr aus hitzestabilem Material, zum Beispiel Metall oder feuerfestes Glas. Die Röhre sollte etwa 60 -100 cm lang und 5 -10 cm dick sein. In den unteren Teil dieses Rohres schiebt man ein Drahtgitter, das so dimensioniert ist, dass es im Rohr steckenbleibt. Nun hält man das Rohr senkrecht und erhitzt von unten das Drahtgitter mit einem Stabfeuerzeug, einem Flambiergerät aus der Küche oder einem Campingkocher. Wenn das Gitter gut erhitzt ist, entfernt man die Flamme. Ein deutlich vernehmbarer Ton schwillt an, die Röhre singt. Ein solches Rohr nennt man „Rijke-Rohr“, das Ur-Experiment der Thermoakustik.

Wie man ein Rohr zum Singen bringt

Es ist nicht ganz leicht zu erklären, wie die Wärme des Gitters das Rohr zum Singen bringt. Nicht ohne Grund hat es ja mehr als 100 Jahre gedauert, bis eine tragfähige quantitative Beschreibung des Phänomens vorlag. Vereinfacht kann man sich das thermoakustische Wechselspiel etwa so vorstellen: Schallwellen sind letztlich nichts anderes als Luftdruckschwankungen. Das erhitzte Gitter erwärmt die umgebende Luft. Dabei dehnt die Luft sich aus, verliert an Dichte und steigt im senkrechten Rohr nach oben. Ein solches Luftsegment geringerer Dichte und mithin geringeren Drucks, das sich fortbewegt, ist aber nichts anderes als eine Schallwelle. Wenn die erwärmte Luft aufsteigt, wird von unten durch das Rohr frische, kühle Luft nachgesaugt. Diese schnell am Gitter vorbeiströmende Luft wird weniger erhitzt als zuvor die stehende Luft. Es kommt zu einem Wechsel aus warmer und kühler, mehr und weniger dichter Luft im Rohr. Diese Luftdruckschwankung schaukelt sich auf mit der Eigenfrequenz des Rohres, ein Ton wird hörbar.

Schall nutzen oder unterbinden

Die Höhe des Tons ist vor allem von der Rohrlänge, in geringem Maße auch vom Durchmesser und von der zugeführten Hitze abhängig, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist. Daher lässt sich auch aus einer ganzen Batterie unterschiedlich langer Rijke-Rohre kaum eine „Rijke-Orgel“ bauen, da die einzelnen Rohre kaum zuverlässig auf einen Ton zu stimmen sind. Wozu also ist die Thermoakustik sonst nützlich? Es gab verschiedene Versuche, die durch Wärme erzeugten Schallwellen zu nutzen, um eine Kältemaschine anzutreiben. Unter anderem wollte man so ein neues Konzept für die Klimaanlagen in Fahrzeugen entwickeln. Diese Versuche führten aber zu keinen tragfähigen Ergebnissen und verliefen weitgehend im Sande. Erfolgreicher sind die Bemühungen der Thermoakustik, die durch Hitze verursachten Töne nicht zu nutzen, sondern zu unterbinden. In den Brennkammern von Gasturbinen oder auch Triebwerken entstehen Störgeräusche, die mit der Hitzeausbreitung um die Flamme zusammenhängen und sich im schlimmsten Fall zu zerstörerischen mechanischen Schwingungen aufschaukeln können. Durch experimentelle Untersuchungen der Hitze- und Schallverhältnisse in der Brennkammer kann es nun gelingen, diese Schwingungen auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Damit die Turbine keinen Schaden nimmt, das Triebwerk leiser heult und schließlich: damit auch die Heizung im Wohnwagen nicht stöhnt und brummt, sondern einfach nur angenehm wärmt.

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