Forschung im Hamburger Untergrund

Wissenschaftler simulieren im Windkanal unter dem Geomatikum komplexe Strömungsverhältnisse

(Von Kai Gerullis)

Grüne Bäume, rotgraue Wolkenkratzer, lange Straßenfluchten. In einem fensterlosen Raum einige Meter unter der Uni Hamburg beginnt Oklahoma City. Akribisch haben Forscher und Techniker im Hamburger Untergrund das markante Zentrum der US-Metropole nachgebaut. Einen Stadtbummel verhindert nur die Größe – denn die detailgetreue Kopie entspricht dem Maßstab 1:300. Mit Spielerei a la „Miniaturwunderland" hat das Modell jedoch nichts gemein. Aufgebaut zwischen einem überdimensionalen Propeller und vielen Turbulenzgeneratoren dient die kleine Großstadt der Wissenschaft. Betrieben vom Meteorologischen Institut der Universität Hamburg ermitteln Forscher im zweitgrößten Grenzwertwindkanal Europas, wie sich Luftströmungen entwickeln und ausbreiten.

Ob leichte Briese oder Sturm: Pfeift Wind über Städte hinweg, bläst er oft nicht nur Luft durch die Straßenzüge. Häufig wehen auch Industrieabgase, Rußpartikel durch die Gegend. „Die Urbanisierung bringt sehr viele unspezifische Quellen für Luftverschmutzung mit sich", sagt Dr. Bernd Leitl, Leiter der Arbeitsgruppe Windkanal. Wohin genau sich diese Emissionen bewegen, interessiert nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Stadtplaner, Architekten, Katastrophenschützer, Kraftwerksbetreiber und Politiker.

Den Hamburger Forschern stehen in ihren unterirdischen Versuchsräumen vier Windkanäle zur Verfügung. Der erste entstand in der 70er-Jahren. „WOTAN", die größte Anlage des Instituts, ist 26 Meter lang und seit 2001 im Betrieb. Der Kanal hat einen Querschnitt von 4x3 Metern und kann so bequem die miniaturisierten Gebäude Oklahomas aufnehmen. Der große Propeller generiert eine Windgeschwindigkeit von bis zu 15 Metern pro Sekunde. „Im Vergleich zu Windkanälen aus der Autoindustrie mag das wenig erscheinen, für meteorologische Forschungen reicht das Tempo allemal", sagt Leitl.

Dass Geschwindigkeit nicht alles ist, verdeutlicht der hohe Aufwand, der in den Anlagen unter dem Geomatikum betrieben wird. Denn Winde werden – allgemein gesagt – durch Gebäude abgebremst oder aber, zum Beispiel in Häuserschluchten, beschleunigt. So entstehen Turbulenzen und Luftwirbel, die einem chaotischen System gleichen. Um brauchbare Ergebnisse für die Praxis zu liefern, müssen die realen Verhältnisse so exakt wie möglich nachgebaut werden. Bodenrauigkeiten und Turbulenzgeneratoren – so genannte Spires – sollen die Luft wirklichkeitsnah zirkulieren lassen. Dafür muss die Arbeitsgruppe die Anlage oft wochenlang kalibrieren und immer wieder Einstellungen verändern, bis die Verhältnisse im Modell denen der wirklichen Welt entsprechen. Erst dann können die Messungen beginnen.

Modell mit Turbulenzgeneratoren (hinten)	Eine leistungsstrake Turbine sorgt für Wind	Turbinentechnik

Am Modell Oklahoma Citys ergründen die Wissenschaftler mithilfe von gefärbtem Rauch und Lasern, wie sich Gas zwischen den Hochhäusern der Stadt ausbreiten würde. Windgeschwindigkeiten, Temperaturverteilung und Konzentration von Gasen können variiert werden, um verschiedene Szenarien durchzuspielen.

Forschungsantrieb für die Arbeit am Modell der US-Stadt sind Sicherheitsaspekte. Denn seit den Terroranschlägen am 11. September 2001 spielt die Simulation von möglichen Gefahren aus der Luft eine große Rolle in der Arbeit im Windkanal. Die entsprechenden Messergebnisse dienen den Amerikanern als Grundlage für eine Software, mit deren Hilfe sich berechnen lässt, wie schnell Giftgase in der Luft verdünnt werden und wie sie sich bewegen.

Dass der Forschungsauftrag aus den USA an die Hamburger Forscher ging, ist zum Teil dem in Übersee fehlenden Know-how auf dem Gebiet der Windkanalmodellierung und einer Überbewertung moderner Computertechnik geschuldet. In den USA galten meteorologische Windkanäle als Relikte einer längst überholten Technik. Als in den 70er-Jahren die Computersimulation ihren Siegeszug durch die Forschungseinrichtungen antrat, verschwanden viele Windkanäle weltweit aus den Instituten – zu unrecht. „Selbst bei den heutzutage modernsten Großcomputern ist die Rechenleistung viel zu begrenzt, um die Natur realitätsnah im Rechner abbilden zu können", betont Leitl.

Modellbau für wissenschaftliche Zwecke	Straßen und Häuserfluchten, Maßstab 1:300	Das gesamte Modell ist drehbar

Die Anlage im Hamburger Untergrund kann dagegen ein Windprofil erzeugen, das natürlichen Strömungsverhältnissen entspricht – komplexe Störungs- und Transportphänomene könnten direkt 'physikalisch' modelliert werden, wie es in der Fachsprache heißt. Und im Gegensatz zu Messungen direkt in der Natur bleiben im Kanal die Bedingungen über Wochen konstant; eine wichtige Voraussetzung für komplexe Studien. So liefere die rechnergestützte Prognose oft weniger zuverlässige Vorhersagen als Versuche im Windkanal. Das hätten Vergleichsuntersuchungen belegt, betonen die Hamburger Wissenschaftler. 

Die Einsatzmöglichkeiten der Windkanäle sind äußerst vielfältig, die Hamburger Forschungen gefragt. Modelle von Kraftwerken, architektonischen Zukunftsvisionen, Wäldern und Innenstädten hängen unter der Decke des unterirdischen Labors und erinnern an abgeschlossene Studien. So waren Experimente im Windkanal Bestandteil von Genehmigungsverfahren zum Bau von Industriebetrieben. Selbst Schneeverwehungen konnten im Luftstrom des Kanals simuliert werden. Statt mit Schnee arbeitete das Team des Windkanals dafür mit Glaskügelchen, die einen Durchmesser von winzigen 125 Mikrometern besaßen. Das Ergebnis bestimmte schließlich maßgeblich über das Design der Neumayer III Station in der Antarktis.

Doch auch wenn sich die Forschung im Untergrund bewährt hat, 100 Prozent Schutz vor bösen Überraschungen beim Kraftwerksbau liefern die Studien im Hamburger Untergrund über Emissionsausbreitung kaum. Dafür ist die Welt zu komplex. „Man darf nie vergessen: Auch ein Windkanalmodell ist stets ein Modell der Realität und keine Kopie der Natur", sagt Leitl. „Man kann sich ihr annähren, aber es gibt immer Unsicherheiten."

Weitere Informationen gibt es unter www.mi.uni-hamburg.de