Wissenschaftler bestätigen eine 50 Jahre alte Mechanik-Theorie

Ein Experiment von Forschern der EPFL hat eine Theorie bestätigt, die seit über einem halben Jahrhundert in der Mechanik angewandt wird - obwohl nie vollständig validiert. Das Team könnte die Theorie nun auf gewagtere und innovativere Weise bei der Entwicklung immer besserer Energiesysteme nutzen.
Der Rotor mit luftgeschmierten Lagern und Rüttelsystem © EPFL 2020

Einige Theorien sind weit verbreitet, auch wenn sie nie experimentell bestätigt wurden. Ein Beispiel ist die sogenannte Schmalrillen-Theorie oder NGT, die erklärt, wie luftgeschmierte Lager in mechanischen Systemen funktionieren.

Die Theorie wurde 1965 vorgestellt, aber bis vor kurzem war sie nur teilweise oder indirekt getestet worden. Die Forscher des Labors für Angewandte Mechanische Konstruktion (LAMD) der EPFL in der Microcity in Neuenburg haben nun eine Lücke geschlossen, die seit über 50 Jahren in der wissenschaftlichen Literatur besteht. Das Team hat seine Ergebnisse in der Zeitschrift Mechanical Systems and Signal Processing veröffentlicht.

Warum dauerte es so lange, die Theorie zu bestätigen? "Damals begnügten sich die Ingenieure damit, zu beobachten, dass die Theorie funktioniert", sagt Eliott Guenat, Doktoratsassistent an der EPFL und Hauptautor der Arbeit. "Aber das hat sich alles geändert, denn die mechanischen Teile, die wir heute entwickeln, sind viel fortschrittlicher und komplizierter.

Jürg Schiffmann und Eliott Guenat © EPFL 2020

Die Theorie der schmalen Rillen wurde 1965 von J. H. Vohr und C. Y. Chow vorgestellt, zwei Ingenieure bei der in New York ansässigen Mechanical Technology, Inc. Die Theorie erklärt die Funktionsweise von Fischgrät-Nut-Gleitlagern oder HGJBs - eine Art luftgeschmiertes Lager, das rotierende Teile in mechanischen Systemen unterstützt. Es gibt viele verschiedene Arten von Lagern, aber HGJBs sind für die Entwicklung von rotierenden Maschinen mit sehr hoher Geschwindigkeit am vielversprechendsten, da der Rotor auf einem Luftkissen abgestützt ist, das von der rotierenden Welle erzeugt wird. "Das Besondere an HGJBs ist, dass sie keinen Verschleiss verursachen, weil es keinen Kontakt gibt", erklärt Jürg Schiffmann, der das LAMD leitet. "In meinem Labor verwenden wir dieses Design, um Energiesysteme der Zukunft zu entwickeln.

Validierung der Theorie

Um die Theorie der engen Rillen zu überprüfen, montierten die Forscher einen von mehreren HGJBs getragenen Rotor auf einem Prüfstand und stellten ihn auf 100.000 Umdrehungen pro Minute ein. Als nächstes benutzten sie ein Rüttelsystem, um den Rotor in Schwingungen zu versetzen und beobachteten, wie er reagierte. Die Beobachtungen erlaubten es ihnen, die Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten der Lager zu berechnen, die sie mit den Vorhersagen der Theorie verglichen. Sie stellten fest, dass NGT dazu neigte, beide Werte geringfügig zu überschätzen.

"Wir konnten quantifizieren, inwieweit die Theorie zutrifft", sagt Guenat. "Jetzt, wo wir unser Verständnis gefestigt haben, können wir die Theorie nehmen und sie in Industrie und Forschung auf neue Weise anwenden.

Guenat plant, weitere Experimente durchzuführen, um weitere Messungen vorzunehmen. "Anstatt luftgeschmierte Lager zu verwenden, werden wir das Experiment erneut mit Kältemittel durchführen, einem Gas, das in Wärmepumpen verwendet wird", erklärt er. "Die Idee ist, zu bestätigen, dass die Theorie nicht nur in Luft, sondern auch in einem Medium mit deutlich unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften zutrifft.

Elegant in seiner Schlichtheit

NGT ist eine mathematisch elegante Theorie, die wahrscheinlich nie das Licht der Welt erblickt hätte, wenn sich die Ingenieure erst jetzt für luftgeschmierte Lager interessiert hätten. "Heutzutage speisen wir unsere Daten in einen Computer ein und lassen den Prozessor die schwere Arbeit machen", erklärt Guenat. "Aber selbst mit moderner Rechenleistung würde es mehrere Minuten dauern, bis das Ergebnis erreicht ist. Mit NGT können wir dasselbe in nur wenigen Sekunden erreichen". Die vollständig validierte Theorie könnte innovative Anwendungen bei der Gestaltung von Energiesystemen haben.