Bobler i havvand kan smadre skruen på et skib

Næste gang, du skal med en færge, så gå ned i skibets agterstavn og kast et blik i vandet, når skibet lægger fra kaj. Du vil se, hvordan skibsskruen skaber voldsomme strømninger, der genererer et væld af bobler.

Sådanne bobler kan på trods al deres skønhed opføre sig som små djævle, der går til angreb på skibets skrog og skrue. De nedbryder de ellers hårdføre materialer ved erosion eller får skruen til at lave så voldsomme rystelser, at skruen i værste fald splittes ad.

Dette fænomen, kaldet kavitation, er endnu ikke fuldt forstået – men det bliver det formentlig snart, for en international forskergruppe under australsk ledelse arbejder ihærdigt med at granske det i alle detaljer.

Forskergruppens arbejde har stået på i årevis, og en stor del af alle deres mange eksperimenter er foregået under de parabolflyvninger, som det europæiske rumagentur ESA afholder to gange årligt, senest i maj 2012. Under sådan en parabolflyvning bevæger flyet sig hurtigt op og ned, så alting om bord på skift bliver ekstra tunge eller vægtløse.

Lille studenterprojekt blev til fuldvoksent studie

Videnskab.dk var med på turen og fik forevist og demonstreret forsøgsopstillingen af projektets leder Danail Obreschkow. Han fik idéen til forsøget som student for mange år siden og fik allerede dengang lov til at gennemføre de første spæde eksperimenter om bord på ESAs daværende parabolflyvninger for studerende. Siden da er det kuriøse lille studenterprojekt vokset til et opsigtsvækkende fuldblodsstudie, der får anerkendelse og opmærksomhed fra forskere og virksomheder overalt i verden.

»Vi er kommet langt med vores studie, og vi klør fortsat på. Den viden, vi kan vride ud af vores data, vil nemlig ikke alene give os et dybere indblik i fænomenets grundlæggende fysik, men også kunne spare rederier og andre virksomheder for en masse besvær og omkostninger,« fortæller Danail Obreschkow, der er lektor i hydrodynamik ved University of Western Australia.

Tyngdekraften styrer showet

Bobler opstår, hver gang en væske bliver turbulent. Sådanne bobler kan f.eks. dannes i havvand, hvis en skibsskrue drejer for hurtigt, således at det omgivende vand ikke kan følge skruens form. Så slipper vandet skruen og danner små tomme hulrum.

Boblernes levetid er uhyre kort, fordi boblerne er tomme indeni. De har ikke noget at stå imod med i forhold til trykket fra den omgivende væske. I det øjeblik, de falder sammen, er der dømt ragnarok, hvor boblen forvandles til store mængder energi i form af f.eks. chokbølger, jets – det vil sige stråler af væske – lys og varme. Det er alle disse fænomener, der tilsammen er skyld i skaderne.

Graden af ødelæggelse afhænger af, hvor meget energi, boblerne frigiver, når de kollapser, hvilket igen er bestemt af hvor deforme, boblerne er. I den idéelle verden ville boblerne ikke blive påvirket af nogen kræfter og være symmetriske og runde, men på grund af tyngdekraften bliver de trukket en smule ud af form. I bund og grund er det altså tyngdepåvirkningen, der afgør ødelæggernes omfang, og dermed også den, som er i stormens øje for dette studie.

Boblerne oplever hypergravitation og vægtløshed

På Jorden er det svært at undersøge, hvor stor en rolle tyngdepåvirkningen spiller, da alle objekter på vores klode er udsat for samme tyngdepåvirkning. Men heldigvis har forskerne en mulighed for at gennemføre deres eksperimenter under en parabolflyvning, hvor flyet skruer op og ned for dens styrke.

Når flyet flyver stejlt opad, vil personer og udstyr om bord opleve en tyngdepåvirkning på 2G, det vil sige dobbelt så stor, som den kraft, vi mærker her på Jorden – og når flyet efterfølgende styrtdykker, bliver alting i flyet vægtløs, svarende til 0G. I pauserne mellem parabolerne er tyngdepåvirkningen 1 G, præcis som vi kender den her fra Jorden.

Ud over parabolerne op og ned laver flyet også krængninger ud til siden og skaber alt afhængig af udsvingene tyngdepåvirkninger på 1.2, 1.4, og 1.6 G. Den tre timer lange flyvning byder altså på lidt af hvert og giver forskerne mulighed for at undersøge, hvor kraftige jets og chokbølger, boblerne laver, afhængig af tyngdepåvirkningen.

Højhastighedskamera fulgte processen

Eksperimentet foregik i en kasse, der rummede store mængder vand, hvori forskerne under flyvningen kunne fremprovokere små hulrum ved at skyde en energirig laserstråle ind i et lille område af vandmasserne.

Den koncentrerede mængde energi lavede eksplosioner i vandet, så der i et splitsekund opstod bobler af vacuum.

Boblerne kollaps sker i løbet af bare 10 millisekunder, hvilket er alt for kort tid til, at man kan nå at opfange det, men forskerne dokumenterede alle begivenhedens detaljer ved at optage hele seancen med et højhastighedskamera, der tog 180.000 billeder per sekund.
Videoerne gjorde det muligt for forskerne at observere, hvordan en tyngdepåvirkning af forskellig styrke deformerer og modellerer en boble.

Boblerne er et slaraffenland af eksotisk fysik

Ved hjælp af tryksensorer, der er placeret rundt omkring i vandet, kunne forskerne nøje kortlægge, hvordan den kollapsende boble fremprovokerede en chokbølge og efterfølgende udbredte sig i karret.

»Hele seancen skaber en masse interessant fysik, som vi har meget lidt styr på, så eksperimentet er et slaraffenland af ekstreme fænomener. Under flyets mange paraboler og krængninger kan vi undersøge, hvor stor en energimængde der bliver konverteret til jets, chokbølger og lys under forskellige tyngdepåvirkninger,« siger Danail Obreschkow.

Udfaldet har stor betydning for, hvor store ødelæggelser, bobler af en bestemt størrelse og form kan skabe.

»Vores eksperimenter om bord gik rigtigt fint, og vi fik nogle virkeligt flotte optagelser af, hvad der præcist sker, når boblerne kollapser og frigiver energi. Vi har store forventninger til, at vores data vil rykke vores forskning endnu et stort skridt fremad. Vores foreløbige analyser af de nye data viser, at boblerne bliver varmere i vægtløshed, end normalt,« siger han.

Helt i mål regner forskerne dog ikke at komme, og som så mange gange før vil de forestående analyser af de høstede data generere nye spørgsmål. Danail Obreschkow regner derfor bestemt med at deltage i flyvningerne igen.

»Disse flyvninger giver os en fantastisk mulighed for på en kontrolleret måde at studere, hvordan tyngdekraften såvel som andre komplekse trykpåvirkninger influerer på boblerne og gør dem mere eller mindre farlige. Så vi er meget taknemmelige over, at vi får lov til at deltage,« slutter han.

Boblerne agerer også som supernovaer

Eksperimentet kan også hjælpe astronomer med at blive kloge på supernovaeksplosioner – døende stjerner, der først imploderer for herefter at kaste sine yderste lag af sig i et gigantisk inferno.

»En supernova opstår, når stjernen shar opbrugt alt stoffet i sit indre, så der opstår et hul inde i stjernen. Det får de ydre dele af stjernen til at falde sammen, hvorefter der blæser en chokbølge gennem stjernen samtidigt med, at der udsendes jets. Det minder meget om det, vi observerer i boblerne,« siger Danail Obreschkow.
Boblefysik og supernovafysik er meget forskellige processer, understreger han, fordi de foregår på hver deres skala. Men de har også mange ting til fælles.

»Fordelen ved boblerne er, at du kan studere dem i et laboratorium meget tæt på. En supernova befinder sig meget langt væk, hvilket gør det svært for astronomerne at finde ud af, hvad der foregår i deres indre. Det kan vores unikke sforsøg give dem et fingerpeg om,« siger han.