Was haben Nierensteine, die Mahlzeit eines Fangschreckenkrebses und Löschschaum gemeinsam? Die Antwort liegt in der zerstörerischen Kraft von Schallwellen, die von Forschern des UA College of Engineering untersucht werden, um toxische Substanzen zu eliminieren.
Wissenschaftler des College of Engineering der University of Arizona (UA) haben eine neue Möglichkeit entwickelt, der US Air Force dabei zu helfen, Lagerbestände mit gefährlichen Substanzen zu entsorgen. Dafür verwendeten sie lediglich Schallwellen.
Die Air Force besitzt einen großen Lagerbestand (fast elf Millionen Liter) an Löschschaum, der umweltschädigende, organische Komponenten enthält. Das Air Force Civil Engineering Center gab Manish Keswani, einem Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering, und Reyes Sierra, einer Professorin am Department of Chemical and Environmental Engineering, den Auftrag, die Chemikalien zu vernichten und stellte dafür 243.000 US-Dollar zur Verfügung. Dafür benutzten die Forscher einen neuartigen, sonochemischen Prozess, der Schallwellen zum Aufspalten komplexer und giftiger Moleküle in Kohlenstoffdioxid und Wasser verwendet.
„Für ihren Erfolg stützt sich die Sonolyse auf den Prozess der Kavitation„, sagte Keswani. „Unter bestimmten Bedingungen können Schallwellen die Bildung kleiner Bläschen auslösen, die rasch implodieren und eine starke Schockwelle freisetzen, welche enorme Mengen Wärmeenergie und eine Vielzahl hochaktiver Radikale produzieren. Sie können das benachbarte Material vollständig zerstören.“
Kavitation wird bei bestimmen medizinischen Eingriffen benutzt und kommt auch in der Natur vor. Stoßwellen-Lithotripsie nutzt die Kavitation, um Nierensteine zu zerstören, und Fangschreckenkrebse verwenden sie bei der Jagd nach ihrer nächsten Mahlzeit. Die Fangschreckenkrebse schlagen mit einer derart hohen Geschwindigkeit zu (etwa die Geschwindigkeit einer Kugel nach dem Abfeuern), dass sie Kavitationsbläschen im Wasser zwischen ihnen selbst und ihrem Ziel erzeugen. Auch wenn sie keinen direkten Treffer landen, reichen die resultierenden Schockwellen aus, um ihre Beute zu betäuben oder zu töten.
Die durch die Kavitation entfesselte Wärmeenergie zerstört die Bindungen, welche große Moleküle zusammenhalten. Große Moleküle wie Perfluoralkylsulfonate und Carboxylate (PFCs) sind in Löschschäumen enthalten. Diese giftigen PFCs sind schwer aufzuspalten und neigen dazu, in der Umwelt und im Körpergewebe zu verbleiben. Das ist der Grund dafür, dass die Air Force Kavitation als eine kostengünstige Methode erforscht, um Temperaturen über 5.500 Grad Celsius zu erzeugen – mehr als genug für die Vernichtung der problematischen Substanzen.
„Ein neuer Aspekt unserer akustischen Technologie ist die Verwendung multipler Schallfrequenzen, um große Mengen Löschschaum zu behandeln“, sagte Sierra. Aktuelle Sonolysetechniken nutzen Ultraschallfrequenzen (20-100 kHz) oder Megaschallfrequenzen (> 0,5 Mhz), aber die Ergebnisse waren enttäuschend, was das Volumen des Materials betrifft, das mit diesen Frequenzbereichen bearbeitet werden kann.
Keswani und Sierra werden die Effektivität eines von ihnen entwickelten Dual-Transducer-Systems untersuchen. Es nutzt sowohl Ultraschall- als auch Megaschallfrequenzen und kann hochskaliert werden, um die großen Lagerbestände an Brandbekämpfungssubstanzen der Air Force zu behandeln. Ihr Ziel ist die Entwicklung eines Systems, das die notwendigen hohen Verbrennungstemperaturen und die gewünschte Konzentration aktiver, brandfördernder Radikale produziert und dabei die geringste Menge Energie verbraucht. Die Wissenschaftler haben außerdem eine elektrochemische Sonde entwickelt, die schnell und wirtschaftlich die effektivsten chemischen und akustischen Bedingungen für die Aufspaltung der giftigen Substanzen identifizieren kann.
Quelle: http://uanews.org/story/the-sound-of-destruction
(THK)
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