Wissenschaftler machen Durchbruch beim Verständnis von Turbulenzmustern und -strukturen in Flüssigkeiten

Wissenschaftlern ist ein bedeutender Fortschritt bei der Erforschung der Turbulenz gelungen, einem chaotischen Phänomen, das in natürlichen Systemen wie fließendem Wasser, Meeresströmungen, Blutfluss und sogar Gewitterwolken auftritt.

Seit über 200 Jahren bemühen sich Physiker darum, Turbulenzen genau zu simulieren und vorherzusagen. Dabei handelt es sich um komplexe Flüssigkeitsbewegungen, die große Wirbel bilden, die sich in kleinere auflösen.

Eine neue Methode, die von der Quantencomputertechnologie inspiriert ist, könnte dies jedoch ändern.

Quanteninspirierter Ansatz zum Verständnis komplexen Flüssigkeitsverhaltens

In einer am 29. Januar in Science Advances veröffentlichten Studie stellte ein internationales Wissenschaftlerteam einen neuartigen Ansatz zur Simulation von Turbulenzen vor, der die Prinzipien der Quantencomputer nutzt.

Dieser Durchbruch ist von entscheidender Bedeutung, da die genaue Modellierung turbulenter Strömungen weitreichende Vorteile haben kann, von der Verbesserung von Flugzeug- und Autodesigns bis hin zur Verbesserung der Wettervorhersage und sogar zur Weiterentwicklung medizinischer Geräte wie künstlicher Herzen.

Der leitende Autor der Studie, Nik Gourianov, Physiker an der Universität Oxford, erklärte, dass herkömmliche Turbulenzsimulationen auf deterministischen Methoden basieren – das heißt, sie liefern bei gegebenen Bedingungen immer das gleiche Ergebnis –, während die neue Forschung einen probabilistischen Ansatz einführt.

Was diese Arbeit auszeichnet

Diese Methode berücksichtigt die natürlichen Schwankungen und zufälligen Variationen innerhalb turbulenter Strömungen.

Was diese Arbeit auszeichnet, ist die Verwendung von von der Quantencomputertechnologie inspirierten Algorithmen.

Quantencomputer verarbeiten Informationen auf eine andere Art als klassische Computer.

Während herkömmliche Computer Bits (entweder 0 oder 1) verwenden, nutzen Quantencomputer Quantenbits oder Qubits , die gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren können.

Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern, Turbulenzen in einem Bruchteil der Zeit zu simulieren, die normalerweise mit einem Supercomputer erforderlich wäre.

Das Forschungsteam konnte Simulationen in Stunden durchführen, die mit klassischen Algorithmen Tage gedauert hätten.

James Beattie, Postdoktorand an der Princeton University, lobte die neue Methode für ihre Fähigkeit, den Speicherverbrauch zu reduzieren und die Berechnungen deutlich zu beschleunigen.

Dieser Fortschritt ist insbesondere für Fluidsimulationen von Bedeutung, die komplexe Variablen umfassen können.

Beattie merkte an, dass der Ansatz des Teams solche Simulationen auf zugänglicherer Hardware ausführen könnte, sogar auf einem Laptop.

Trotz dieser Fortschritte geben die Autoren der Studie zu, dass noch viel mehr zu entdecken ist.

Die Herausforderung bei der Simulation von Turbulenzen liegt in ihrer Multiskalen-Natur, d. h. turbulente Strömungen können ein enormes Spektrum an Größen umfassen, von mikroskopischen Skalen bis hin zu riesigen kosmischen Phänomenen.

Die genaue Modellierung dieser unterschiedlichen Maßstäbe in einer Simulation bleibt ein schwieriges Problem, das erheblichen Speicher- und Rechenaufwand erfordert.

Beattie betonte, dass es für die Lösung des Turbulenzrätsels unerlässlich sei, zu verstehen, wie verschiedene Skalen interagieren.

Gourianovs Team hat beeindruckende Fortschritte gemacht, doch Experten sind sich einig, dass das Problem der Turbulenzen noch lange nicht gelöst ist.

Obwohl dieser neue Ansatz die Rechenkomplexität erheblich reduziert, geht er nicht vollständig auf die Frage ein, wie sich Wirbel unterschiedlicher Größe in turbulenten Strömungen zueinander verhalten.

Der nächste Schritt in der Turbulenzforschung wird die Entwicklung neuer Algorithmen und Computersysteme umfassen, die diese Herausforderungen effektiver bewältigen können.

Turbulenz gilt seit langem als eines der schwer fassbarsten Probleme der Physik.

Trotz jahrzehntelanger Forschung ist eine vollständige Lösung noch immer unerreichbar.

Die neuesten Erkenntnisse von Gourianov und seinem Team bringen uns jedoch einen Schritt näher an die Lösung der Komplexität der Turbulenz.