EU-Projekt bereitet Weg für neue Wellenmaterialanalyse
„Die innere Struktur bestimmter Materialien kann äußerst komplex sein“, erläutert Projektkoordinator von MUSAL (Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics) Professor Graham Rogerson von der Keele University im Vereinigten Königreich. „Als ein gutes Beispiel dient ein Typ von Material, das als heterogene poröse Medien bekannt ist und zudem Hohlräume enthält. Menschlicher Knochen ist ein gutes Beispiel für dieses natürlich vorkommende Material.“ Heterogene poröse Materialien sind überdies auf synthetische Weise in Reaktion auf spezielle Anforderungen der Industrie entwickelt worden, so zum Beispiel als wirksames Isoliermaterial gegen Lärm. „Heterogene Medien verhalten sich anders als homogene Festkörper“, fährt Rogerson fort. „Das Verständnis ihrer erstaunlichen Effekte hat zum Entwurf und zur Entwicklung neuer technischer Geräte geführt. Dazu gehören Schallabsorber, Ultraschallwandler und -sender im Luft- und Raumfahrtsektor sowie in der Fahrzeugindustrie.“ Identifikationsporträt Das von der EU finanzierte Zweijahresprojekt MUSAL wurde 2015 gestartet, um die Anwendung der elastischen Wellenmodellierung auf heterogenen Medien zu bewerten, sowie, ob diese auf eine genaue und wirkungsvolle Vorhersage des Verhaltens und der Eigenschaften bestimmter Materialien erweitert werden kann. Ein zentraler Vorteil ist, dass die gesammelten Wellendaten interpretiert und ausgewertet werden können, ohne dass eine invasive Analyse erforderlich wäre. „Die Modellierung der Wellenausbreitung in heterogenen Medien könnte beispielsweise tatsächlich dem Maschinen- und Anlagenbau zugute kommen, denn sie stellt ein zerstörungsfreies Mittel dar, um Materialien und Strukturen zu prüfen“, erläutert Rogerson. Wellenmuster repräsentieren eine Art „Identifikationsporträt“, das für jedes Material einzigartig ist. Je größer der Frequenzbereich ist, der erkundet werden kann, desto genauer wird das „Porträt“. Mit der Vergrößerung dieses Bereichs hat das MUSAL-Projekt die Möglichkeit eröffnet, winzige Veränderungen in der Mikrostruktur eines Materials zu erkennen und neue, genauere Methoden der akustischen Diagnose zu entwickeln. Rogerson dazu: „Bislang waren viele theoretische Ansätze zur Wellenausbreitung in heterogenen Medien nur in wenigen begrenzten Fällen anwendbar. Wir haben neue theoretische Modelle entwickelt, die in einem umfassenderen Frequenzbereich anwendbar sind.“ Industrielle Anwendungen Im Verlauf des Projekts wurden Lösungen für verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit speziellen Beispielen gefunden. Potenzielle Endnutzer sind Ingenieure. Sie können die Projektmethodik direkt anwenden, um neue Typen von Werkstoffen und Geräten für verschiedene Anwendungen in der Industrie, Medizin und Geophysik zu entwickeln. In der Biomechanik können beispielsweise lebende Gewebe wie etwa Knochen durch poröse Medien modelliert werden. Die Exekutivagentur für Gesundheit und Verbraucher, Landwirtschaft und Lebensmittel der EU schätzt, dass 22 % der EU-Bevölkerung mit langzeitigen Muskel-, Knochen- und Gelenkproblemen zu kämpfen haben, woraus sich merkliche wirtschaftliche und gesellschaftliche Probleme ergeben. „Viele Menschen weltweit leiden an Osteoporose, einer fortschreitenden Knochenkrankheit, die durch abnehmende Knochenmasse und -dichte gekennzeichnet ist“, erklärt Rogerson. „Da Osteoporose selbst keine Symptome aufweist, ist die Darstellung der Knochenstruktur unter Einsatz nichtinvasiver Prüfverfahren eine große Herausforderung.“ Das MUSAL-Projekt hat eine Korrelation zwischen Wellengeschwindigkeit und Knochendichte aufgezeigt. Hier bieten sich Möglichkeiten zur Früherkennung von Osteoporose, um das Fortschreiten der Krankheit durch frühe Intervention und Therapie besser verlangsamen oder sogar aufhalten zu können. „Die erzielten Ergebnisse und die daraus resultierenden Methoden könnten weitreichende Auswirkungen in Hinsicht auf den Nachweis und die Überwachung etlicher chronischer Knochen- und Gelenkerkrankungen haben“, bekräftigt Rogerson. Die Untersuchung der Wellenausbreitung in porösen Medien könnte gleichermaßen für geologische Erkundungen von hoher Bedeutung sein. Mehr Wissen darüber, wie die innere Beschaffenheit von Böden und Gesteinen die Eigenschaften von elastischen Wanderwellen beeinflusst, könnte die Entwicklung neuer robuster Methoden zum Nachweis von Gas- und Ölreserven fördern. Auch dies unterstreicht die weitreichenden Folgen der im MUSAL-Projekt geleisteten Pionierarbeit.
Schlüsselbegriffe
MUSAL, Welle, Modellierung, porös, Material, Knochen, Osteoporose, Bodengestein, Geologie, Industrie
