Pumpen werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt: Sei es, um Öl oder Gas durch riesige Pipelines zu transportieren oder im Haushalt Wasser aus dem Hahn zu befördern. Dafür sind große Mengen an Energie erforderlich: Schätzungen zufolge gehen etwa zehn Prozent des weltweiten Stromverbrauchs auf den Betrieb von Pumpen zurück. Nun hat eine Forschungsgruppe um die Physiker Davide Scarselli and Björn Hof vom Institute of Science and Technology Austria im Fachjournal »Nature« eine neue Methode vorgestellt, die den Energieverbrauch von Pumpen deutlich reduzieren könnte: Statt die Fluide in einem kontinuierlichen Fluss zu pumpen, sollen die Geräte in Intervallen operieren – und die Flüssigkeiten und Gase ähnlich wie das menschliche Herz in Pulsen transportieren.

Wenn Fluide durch ein Rohr strömen, können Turbulenzen entstehen – Verwirbelungen, die sich nur schwer mathematisch beschreiben und vorhersagen lassen. Solche Turbulenzen erhöhen den Reibungswiderstand, was wiederum den Energieverbrauch einer Pumpe in die Höhe treibt. »Im Laufe der Jahre versuchten Forscherinnen und Ingenieure, das Pumpen von Flüssigkeiten effizienter zu machen«, sagt Scarselli in einer Pressemitteilung. Allerdings seien viele Lösungen oft zu kompliziert oder kostspielig und ließen sich in industriellen Maßstäben bisher nicht realisieren.

Statt sich auf die Umgestaltung der Rohre zu konzentrieren, wählten Scarselli und seine Kollegen einen anderen Ansatz: Sie wollten die Funktionsweisen der Pumpen optimieren. Dafür nahmen sie sich ein Beispiel an der Natur. »Wie jeder Teil unseres Körpers wurde auch das menschliche Herz durch Millionen von Jahren der Evolution geformt«, erklärt Hof. »Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Pumpen, die einen gleichmäßigen Strom von Flüssigkeit erzeugen, pulsiert das Herz. Wir waren neugierig, ob diese besondere Antriebsform einen Vorteil bietet.« Denn auch in der Biologie ist es wichtig, Strömungen mit möglichst wenigen Verwirbelungen zu erzeugen – solche haben einen negativen Einfluss auf die Blutgefäße und können Erkrankungen wie Arteriosklerose begünstigen.

Bis zu 27 Prozent weniger Reibungswiderstand

Für ihre Experiment haben die Fachleute zunächst Wasser durch ein 1,2 Meter langes Rohr mit einem Durchmesser von einem Zentimeter gepumpt. Indem sie der Flüssigkeit reflektierende Partikel zufügten und das Innere des Rohrs mit einem Laser beschienen, konnten sie den Verlauf der Strömung beobachten und feststellen, ob sich Turbulenzen bilden. In ihrem Versuch verglichen die Forscher drei verschiedene Pumpweisen miteinander: Im ersten Aufbau erzeugte die Pumpe eine kontinuierliche Strömung, wodurch Verwirbelungen innerhalb des Rohrs entstanden. Im zweiten Fall wählten sie einen periodischen wellenförmigen Pumpantrieb, ähnlich einer Sinusfunktion. Auch in diesem Versuch waren Turbulenzen erkennbar. »Als wir jedoch eine kurze Ruhephase zwischen den Impulsen einfügten, in der die Pumpe das Wasser nicht antreibt – so wie es das menschliche Herz tut –, erzielten wir viel bessere Ergebnisse.«, erklärt Hof. Der Antrieb der Pumpe war im dritten Experiment immer noch periodisch, es gab aber wie beim Herzschlag eine »diastolische« Pause. Durch diese Modifizierung floss das Wasser ohne Verwirbelungen durch das Rohr.

Um ihre Ergebnisse zu untermauern, untersuchten die Wissenschaftler daraufhin das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten in anderen Rohrformen bei verschiedenen Pumpleistungen. Wie die Forscher berichten, haben sie beim gepulsten Betrieb der Pumpen deutlich weniger Turbulenzen beobachtet. Im optimalen Fall konnten sie den Reibungswiderstand um bis zu 27 Prozent senken und den Energieverbrauch um neun Prozent. Die Physikerin Angela Busse von der University of Glasgow weist in einem Kommentar bei »Nature« jedoch darauf hin, dass die in der Studie untersuchten Strömungseigenschaften möglicherweise nicht denen bei industriellen Anwendungen entsprechen. Insbesondere fanden die Experimente ausschließlich in geraden Rohren statt, was nicht allen realen Systemen entspricht.