Simulationen für effizientere Kraftwerke

Auf dem Bildschirm von Yohei Sato ist ein Wasserdampfbläschen viel detailreicher, als es unser Auge gewohnt ist. Zu sehen ist die Computersimulation einer Blase, die an einer erhitzten Wand haftet und von Wasser umgeben ist. Bringt man das Wasser langsam zum Kochen, wächst die Blase und nimmt nacheinander Formen an, die an einen Schokokuss, einen Stempelgriff und einen Luftballon erinnern. Irgendwann löst sie sich schliesslich von der Wand ab und taumelt aufwärts durch die imaginäre Flüssigkeit.

In diese scheinbar einfache Bildsequenz des Wachstums einer Blase haben die PSI-Forschenden Sato und der Leiter seiner Forschungsgruppe, Bojan Niceno, viele Stunden Denkarbeit gesteckt. Eigentlich sind die mathematischen Formeln, die das Blasenwachstum beschreiben, schon seit Langem bekannt. Wir mussten sie aber in eine für Computer verdauliche Form giessen, sagt Sato. Und man mag staunen: So alltäglich die Blasenbildung beim Wasserkochen auch ist, so konnte dennoch bisher niemand die Physik dahinter derart genau am Computer reproduzieren.

Richtig sieden

Die Beschäftigung mit den Blasen ist für die PSI-Wissenschaftler keine Spielerei. Bei der Erzeugung von rund 85 Prozent der weltweiten Elektrizität wird Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt. Zum Erhitzen werden fossile Brennstoffe wie Kohle, Gas oder Öl verbrannt, in Kernkraftwerken entsteht die Hitze in den Brennstäben. Der Wasserdampf treibt dann einen Generator an, der wiederum Strom produziert. In Kraftwerken tragen Dampfblasen entscheidend dazu bei, dass das Wasser effizient siedet.

Wenn die Blasen die heisse Wand engmaschig überziehen, wird die Wärme besser auf das Wasser übertragen. Die Dampfblasen wachsen nämlich, indem sie sich das um sie herum verdampfende Wasser einverleiben. Irgendwann reissen sie von der Wand ab und tragen so die Wärme in die wandfernen Wasserschichten mit sich. Diese Bedingungen – Fachleute sprechen von Blasensieden – treten nur ein, wenn die Temperatur an der Wand moderat über dem Siedepunkt von Wasser liegt. Steigt die Temperatur nämlich weiter an, wird das Tempo der Blasenbildung so hoch, dass sich eine durchgehende, dünne Schicht aus Dampf an der heissen Wand bildet. Weil Dampf kein guter Wärmeleiter ist, gelangt die Wärme jetzt nicht mehr so schnell zum Wasser. Die Folge dieses sogenannten Filmsiedens: Die Wand trocknet aus oder brennt schlimmstenfalls sogar durch.

Mit Computerpower zum Bild der Blase

Die richtige Temperatur zu finden ist also eine Gratwanderung: Zwar möchte man möglichst viele Blasen an der Wand haben, jedoch keinesfalls in den Bereich des Filmsiedens gelangen. Deshalb wollen die Forscher das Wachstum der Blasen und ihre Bewegungen in der Flüssigkeit möglichst genau am Computer berechnen können. Dann könnten sie daraus auch zu jedem Zeitpunkt die Temperatur an der Wand ableiten. Ein Rechenverfahren, das dies leistet, liesse sich nutzen, um noch sicherere und effizientere Kraftwerke zu bauen, sagt Niceno.

Sato und Niceno gingen akribisch ans Werk, als sie zu diesem Zweck begannen, das Computerprogramm PSI-BOIL zu entwickeln: Eine Blase und ihre Umgebung unterteilt das Programm in kleinste Würfel, deren Kanten jeweils nur wenige tausendstel Millimeter lang sind. Für jedes Würfelchen werden die Temperatur, der Druck, der Aggregatzustand (flüssig oder gasförmig) und die Geschwindigkeit der Dampf- und Wasserströmungen in der Nähe der Blase ermittelt. Schon die Simulation einer einzelnen Blase hat es also in sich. Mit den Berechnungen wäre Satos PC mit seinen vier Prozessorkernen mindestens zwei Jahre lang voll ausgelastet. Die Forscher greifen daher auf Merlin zurück: einen PSI-eignen Rechner, der eigentlich ein Verbund aus mehreren hundert Prozessorkernen ist. Doch selbst mit der geballten Rechenleistung von 128 der Merlin‘schen Prozessorkerne nimmt die Simulation noch ganze drei Wochen in Anspruch. Der so nachgestellte Vorgang dagegen dauert nicht mehr als fünf Sekunden.

Wirklichkeit korrekt abgebildet

Mit PSI-BOIL ist es den Forschern inzwischen gelungen, das Blasensieden zuerst für eine, dann für mehrere Blasen berechenbarer zu machen. In den Simulationen durchliefen die Blasen die gleichen Phasen, die man zuvor in realen Experimenten mit Video- und Infrarotkameras aufgezeichnet hatte. Noch wichtiger: Die Simulationen lieferten den richtigen Wert der Temperatur an jedem Punkt der Wand unter der Blase. Schon seit mehreren Jahrzehnten forschen Wissenschaftler weltweit daran, solche genauen Simulationen des Blasensiedens zu erstellen, freut sich Sato. Indem wir unser Augenmerk auf die entscheidende Wasserschicht unter der Blase sowie auf die restliche Grenzschicht zwischen Blase und Wasser gerichtet haben, konnten wir einen wichtigen Meilenstein erreichen, fügt Niceno hinzu.

Dieser Erfolg ist hart erarbeitet: Acht Personenjahre stecken in Forschungsprojekten und in Kooperationen mit der Industrie. Am Ziel sind die Wissenschaftler trotzdem noch lange nicht: Bisher können wir nur die Vorgänge in ruhendem Wasser erfassen. Bei den meisten technischen Anwendungen aber strömt das Wasser an der Wand entlang, sagt Niceno. Das ist eine zusätzliche Komplexität. Wir sind jetzt dabei, das in unser Computerprogramm einzubauen.