Lehrbuch-Turbulenz hat eine Richtung. In den dreidimensionalen Fluiden, die Lewis Fry Richardson und Andrei Kolmogorow beschrieben, fließt Energie bergab: große Wirbel speisen kleine, kleine speisen noch kleinere – bis die Viskosität die Bewegung in Wärme verwandelt.
Die zweidimensionale Turbulenz – jene Art, die den Großen Roten Fleck des Jupiter formt – soll genau umgekehrt laufen. Ende der 1960er Jahre erweiterten Robert Kraichnan und George Batchelor die Theorie auf 2D-Systeme und fanden eine inverse Kaskade: kleine Wirbel verschmelzen zu größeren. Jahrzehntelang galt diese Richtung als unverrückbar.
Ein Team der University of Pittsburgh hat nun gezeigt, dass sie sich umkehren lässt.
Die Entdeckung entstand aus der Untersuchung von Salzwasserkrebsen – den „Sea-Monkeys" aus Comic-Anzeigen –, die kopfüber im Salzwasser schwimmen, mit den Beinen schlagen und ihren langen Hinterleib wie einen Schwanz hinter sich herziehen. Xinyu Si, damals Student im Labor des Ingenieurs Lei Fang, erforschte, wie lebende „aktive Materie" Fluide durchmischt. Die Hypothese: Turbulenz, erzeugt von zahllosen winzigen Organismen, spielt beim Durchmischen der Gewässer eine unterschätzte Rolle.
In einem zweidimensionalen turbulenten System setzten Si und Fang ein kleines Hindernis in die Strömung und variierten dessen Winkel. Störte das Hindernis die Strömung im genau richtigen Winkel, kehrte sich die Richtung der Energiekaskade um.
„Die Geometrie zählt", sagte Fang.
Die von Quanta Magazine beschriebene Arbeit nutzt eine mathematische Beschreibung davon, wie Kräfte Energie durch ein System treiben. Gregory Falkovich vom Weizmann Institute of Science, ein Pionier der 2D-Turbulenz, nannte sie „eine schöne und kunstfertige experimentelle Arbeit".
Die Folgen reichen über Salzwasserkrebse hinaus: Zwei-dimensionaler Turbulenz unterliegen dünne Filme, geschichtete Atmosphärenschichten und Plasmen. Die Forschenden sehen Anwendungen etwa in der Schadstoffkontrolle und im Wirkstoffdesign – und der Effekt könnte sich auf größere, chaotischere dreidimensionale Strömungen erstrecken.
