A veš… tisti valovčki iz risank

Matevž Dular

Sobota zvečer, 30.9.2017, dober teden do zagovora ERC projekta pred panelom, sedel sem na plaži v Vrsarju in si momljal predstavitev. Takrat sem jo opazil:

  • Glej jo!
  • Koga? Kje?
  • Ja, Kelvin-Helmholtzovo nestabilnost vendar!!! Tisti oblak tam, valovčki, ki izgledajo, kot da so ušli iz risanke!
  • Eee??? Aaah? Ok? A si končal, a gremo lahko na sladoled?

Prve ne pozabiš nikoli!

Kelvin-Helmholtzova nestabilnost v Vrsarju, 30.9.2017.

Dinamika tekočin je že sama po sebi lepa, Kelvin-Helmholtzeva nestabilnost pa je za moje pojme… ufff! Nastane na meji med dvema tekočinama, ki se gibljeta z različno hitrostjo. V naravi jo najlažje opazimo pri mirujočih oblakih, preko katerih piha veter. Že od nekdaj sem zavidal meteorologom, ki se Kelvin-Helmholtzovo nestabilnostjo lahko ukvarjajo tudi profesionalno.

Dve leti kasneje, novembra 2019, nam je Argonne National Laboratories v ZDA odobril dostop v njihov sinhrotron, kjer smo lahko 96 ur neprekinjeno izvajali meritve, ki nam bi dale boljši vpogled v drobovje kavitacijskega oblaka – v interakcijo med posameznimi mehurčki v njem. Tokrat se meritev nisem mogel udeležiti, zato sta tja odšla Martin in Darjan. Desetega novembra sem dobil pozdrav iz chicagškega letališča: “Zdravo, mal nama je dolgčas, čakava na avion. Tole spodaj šteje kot kartica. Lp, Darjan & Martin

“Kartica” z meritev v Chicagu, 10.11.2019.

Kaj za vraga? Tok vode teče z leve proti desni, na spodnjem delu slike je en sam parni mehur, nad njim je kapljevina. Zakaj je mehur en sam? Moralo bi jih biti na tisoče. Zakaj je meja med njim in vodo vzvalovana? Zgleda kot Kelvin-Helmholtzova nestabilnost. Ampak, da se pojavi pri kavitaciji? Tega ni še nihče objavil. Kaj, zakaj, kako, kdaj???

Marin in Darjan sta v ZDA posnela goro podatkov, ki smo jih v naslednjih mesecih premlevali, a nismo prišli nič globlje odgovorom. Meritev doma nismo mogli ponoviti, simulacije niso dale odgovorov, zadeli smo ob zid.

Nato je v obliki šifriranega sporočila prišla odrešitev iz Nemčije: “Hallo Matevz, du kannst ja deutsch. Herzlichen Glückwunsch! Dieter”. Kaj? Namig se je čez par dni izkazal za resničnega – Humboldtova fundacija mi bo podelila Besslovo nagrado! Huh. Uau. Emmm…

Takoj za nagrado je prišlo tudi “nespodobno” povabilo na daljši obisk v Nemčijo. Hvala, seveda pridem(o). Vsi, jaz, Barbara, Gal, psička Ela, za 6 mesecev letos in še 3 mesece naslednje leto. Organizacija na vrat na nos je zalogaj. Najti smo morali stanovanje, kamor smejo psi, za Gala vrtec (jaaaa, seveda razume nemško…) in se dogovoriti za Barbarino delo od doma, kar v predkoronskih časih ni bil ravno hec.

A smo uspeli in se konec januarja odpravili na Otto von Guericke Universität Magdeburg (Institute for Physics, Soft Matter Lab), kjer imajo na voljo tudi opremo, s katero bi bilo možno dopolniti meritve iz ZDA. Tako smo, poleg vse krame (igrače, obleke, igrače, računalniki, igrače, tiskalnik za delo od doma in igrače), na sever vlekli še celo merilno postajo.

Meritve v Magdeburgu so, razen nekaj manjših poplav in uničene črpalke, tekle brez težav. Vedeli smo, da je Kelvin-Helmholzova nestabilnost v kavitaciji izredno kratkoživa, zato je bilo za njeno potrditev ključno hitro snemanje in še bolj pa osvetljevanje, za kar smo uporabili večmegaherčne femtosekundne laserske bliske – 0.0000000000002 sekund trajajoč blisk močne svetlobe, ki ga sistem lahko ponovi do 10000000krat v sekundi. S tako frekvenco (deset milijonov slik v sekundi) smo pojav lahko tudi snemali.

Že prvi rezultati so dali jasnejši vpogled v dogajanje. Drugi raziskovalci nestabilnosti niso opazili, ker se pojavi le v zelo utesnjenih kanalih, pa še to le kakih desetkrat v sekundi, ko je opazna le za nekaj mikrosekund. RES SMO BILI PRVI! Tok v takih kanalih je skoraj dvodimenzionalen, zato je kavitacijski mehur v njem večji in stabilnejši. Tok kapljevine, ki teče preko njega, je hitrejši od tistega v njem, zato nastane tlačna razlika. Še tako majhna motnja povzroči valovanje, sledi vrtinčenje, nastanek nestabilnosti in končno kolaps celotnega parnega mehurja. Vse to v nekaj mikrosekundah. Za tem začne parni mehur ponovno rasti in zgodba se ponovi.

Kelvin-Helmholtzova nestabilnost na kavitacijskem mehurju.

To je to! Še par meritev in smo… na poti domov. Datum je bil 14.3.2020.  

Ker so bili laboratoriji do nadaljnjega bolj ali manj zaprti, smo v naslednjih mesecih izvedli več “čistilnih akcij” in uspešno objavili 5 študij, ki so se nam po mizah valjale že več mesecev, ena celo več let. Razvili smo metodo s katero lahko prikažemo in udarne valove, ki nastanejo ob kolapsu kavitacijskih oblakov [1], da bakterije, ki živijo v vodovodnih sistemih obožujejo turbulentni tok, saj jim prinaša več hrane, kot počasnejši, laminarni tok, objavili smo študijo interakcije med mikromehurčkom in majhno kroglico, kar je le še korak oddaljeno od opazovanja borbe med mehurčkom in bakterijo (ključnega koraka v ERC projektu), razložili smo osnovno fiziko nastanka emulzije s pomočjo ultrazvoka in nenazadnje pokazali, da je metodologija, ki jo že desetletja uporabljajo za merjenje nastajanja radikalov v primeru prisotnosti kavitacije vsaj močno pomanjkljiva, če ne kar napačna.

Junija so se razmere s COVID-19 dovolj umirile, da smo se lahko vrnili v Nemčijo. Z delom od doma zdaj ni bilo več težav, z vrtcem pa, saj zaradi poostrenih ukrepov niso sprejemali novih otrok. Tako se je za par dni v tednu projektna skupina povečala za tehničnega sodelavca.

Z združenimi močmi.

Po uspešno zaključenih dodatnih meritvah in dobrem mesecu kracanja po tabli [2] smo postavili tudi teoretični model, ki opisuje vzrok, nastanek in posledice Kelvin-Helmholtzove nestabilnosti v kavitaciji.

Pokazali smo, da gre v resnici šele za tretji poznani mehanizem nestabilnosti v kavitaciji, ki vodi do kolapsa kavitacijskega oblaka. Še pomembnejše spoznanje pa je bilo, da je ključnega pomena pri optimizaciji reaktorjev, ki jih uporabljamo pri uničevanju virusov in bakterij, odločilen vpliv pa ima tudi pri toku goriva skozi v ozke šobe za vbrizgavanje v valj motorja z notranjim zgorevanjem. Tam kavitacija lahko pripomore k boljši porazdelitvi kapljic goriva, kar vodi do učinkovitejšega zgorevanja.

Članek smo poslali v eno boljših revij s področja dinamike tekočih, kjer… kjer nas je urednik že na vratih zavrnil. Nič hudega, članek smo še nekoliko dodelali in ga poslali v boljšo revijo. Te taktike me je naučil moj mentor pri doktorskem študiju, Prof. Stoffel. Jo zelo priporočam, saj pomaga, da ostaneš optimističen. Upajmo, da bo tokrat šlo.

Kaj sledi? Kaj počnemo med drugim valom, kaj bomo delali čez zimo in v letu 2021? Z mehurčki gremo v boj proti SARS-CoV-2, ki plava po bolnišničnih odpadnih vodah!

[1] https://www.youtube.com/watch?v=2PI7E3ymAm0
[2] https://www.youtube.com/watch?v=tlLK4fhJV3A