Wissenschaftler der New York University und NYU Shanghai haben ein neuartiges Getriebe entwickelt, das ohne Zähne oder direkten Kontakt funktioniert. Anstatt metallerne Teile zu verwenden, die miteinander verriegeln, nutzt das System fließende Flüssigkeit zur Übertragung von Bewegungen. Diese Forschung, geleitet von Jun Zhang, Professor für Mathematik und Physik, ist im Journal Physical Review Letters veröffentlicht worden und zeigt eine alternative Denkweise zu einem der ältesten mechanischen Werkzeuge der Menschheit.

„Wir haben neue Arten von Getrieben erfunden, die durch das Bewegen von Flüssigkeiten miteinander interagieren, anstatt sich in Zahnrädern zu verhaken. Dabei haben wir neue Möglichkeiten zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit und sogar der Drehrichtung entdeckt“, sagt Zhang.

Getriebe existieren seit ungefähr 5.000 Jahren. Frühe Versionen erschienen im alten China, wo sie halfen, Streitwagen durch die Gobi-Wüste zu steuern. Seitdem haben Getriebe Geräte vom Antikythera-Mechanismus des antiken Griechenlands bis hin zu Uhren, Windmühlen und modernen Robotern angetrieben. Dennoch teilen traditionelle Getriebe eine Schwäche: Ihre festen Zähne müssen perfekt ausgerichtet sein. Selbst geringfügige Mängel, Schmutz oder Abnutzung können zu Blockaden oder Bruch führen.

Diese Einschränkung veranlasste Zhang und seine Kollegen, Leif Ristroph, einen außerordentlichen Professor am Courant Institute of Mathematical Sciences der NYU, und Jesse Etan Smith, einen Doktoranden der NYU, die einfache Frage zu stellen: Könnte ein getriebeähnliches System ohne Zähne oder sogar ohne physischen Kontakt funktionieren?

Flüssigkeit als mechanische Verbindung

Die Forscher wandten sich der Bewegung von Flüssigkeiten zu, um eine Antwort zu finden. Luft und Wasser treiben bereits Turbinen und Propeller an, also fragte sich das Team, ob sorgfältig gestaltete Strömungen auch die Rotation zwischen Objekten übertragen könnten. In ihren Experimenten platzierten sie zwei identische vertikale Zylinder, die als Rotoren bezeichnet werden, in eine dicke Mischung aus Glycerin und Wasser. Ein Rotor wurde aktiv von einem Motor angetrieben, während der andere passiv und frei beweglich war.

Kleine Luftbläschen wurden der Flüssigkeit hinzugefügt, damit die Forscher beobachten konnten, wie sich die Flüssigkeit bewegte. Durch die Anpassung des Abstands zwischen den Zylindern und der Geschwindigkeit des angetriebenen Rotors verfolgte das Team, wie die Flüssigkeitsbewegung die Kraft von einem Zylinder auf den anderen übertrug.

Bei nahen Abständen und niedrigen Geschwindigkeiten ähnelte das Verhalten vertrauten Zahnrädern. Die zwischen den Zylindern eingesperrte Flüssigkeit agierte wie unsichtbare Zähne und ließ den passiven Rotor in die entgegengesetzte Richtung zum aktiven rotieren. Diese Gegenrotation entsprach den Erwartungen.

Doch als sich die Bedingungen änderten, trat ein überraschendes Verhalten auf.

Wenn Getriebe sich wie Riemen verhalten

Bei höheren Geschwindigkeiten oder größeren Abständen blieb die Flüssigkeit nicht mehr zwischen den Rotoren eingeschlossen. Stattdessen wickelte sie sich um die Außenseite des passiven Zylinders. In diesem Fall begann der passive Rotor, sich in die gleiche Richtung wie der angetriebene zu drehen, ähnlich einem Riemen, der zwei Riemenscheiben verbindet.

„Regelmäßige Getriebe müssen sorgfältig gestaltet werden, damit sich ihre Zähne genau greifen. Jeder Defekt, falsche Abstände oder etwas Schmutz kann sie blockieren“, erklärt Ristroph. „Flüssigkeitsgetriebe sind all diese Probleme los, und Geschwindigkeit sowie Richtung können auf Arten geändert werden, die mit mechanischen Getrieben nicht möglich sind.“

Dieser Wechsel von Gegenrotation zu Rotation in die gleiche Richtung war nicht von der Vorgeschichte des Systems abhängig. Wenn die Forscher die Antriebsgeschwindigkeit erhöhten oder verringerten, hing das Ergebnis nur von der aktuellen Anordnung ab. Diese Zuverlässigkeit hat Bedeutung für praktische Designs.

Ein einfaches Setup offenbart komplexe Physik

Obwohl das Experiment nur zwei Zylinder verwendete, sprechen die Ergebnisse von einem größeren Rätsel in der Fluidphysik. Wissenschaftler wissen seit langem, dass bewegte Objekte durch umgebende Flüssigkeiten einander beeinflussen. Fischschwärme, Bakterienkolonien und sogar Windkraftanlagen interagieren durch strömende Bewegungen. Dennoch konzentrieren sich die meisten Studien auf Objekte, die im Raum bewegen, und nicht auf solche, die sich an ihrem Platz drehen.

Durch die Reduzierung des Problems auf zwei Rotoren isolierte das NYU-Team, wie allein die Rotation Wechselwirkungen antreibt. Die große Form der Zylinder stellte sicher, dass die Strömung hauptsächlich zweidimensional blieb, was die Interpretation erleichterte.

Es zeigte sich eine detaillierte Karte, die aufzeigt, wann das System sich wie Zahnräder verhält, wann es sich wie Riemen verhält und wann der passive Rotor sich gar nicht bewegt. Kleine Änderungen im Abstand, in der Geschwindigkeit oder in der Einschränkung könnten die Drehrichtung umkehren.

Wettbewerbende Kräfte in der Strömung

„Eine genauere Analyse zeigte, warum diese Umkehrungen stattfinden. Flüssigkeit, die entlang der Innenseite des passiven Rotors gleitet, neigt dazu, ihn in die eine Richtung zu drücken. Flüssigkeit, die die Außenseite entlangströmt, drückt ihn in die entgegengesetzte Richtung. Die Bewegung des Rotors hängt davon ab, welcher Effekt stärker ist“, erklärte Zhang gegenüber The Brighter Side of News.

„Bei sehr kleinen Lücken schrumpft die innere Scherzone, sodass der äußere Fluss dominiert und die Rotation in dieselbe Richtung verursacht. Bei mittleren Abständen gewinnt die innere Scherzone wieder die Kontrolle, wodurch die Gegenrotation wiederhergestellt wird. Bei größeren Abständen reorganisiert sich das gesamte Flussmuster erneut und kehrt das Ergebnis wieder um“, fuhr er fort.

Die Geschwindigkeit spielt ebenfalls eine Bedeutung. Schnelleres Drehen erhöht die Trägheitseffekte in der Flüssigkeit. Anstatt eng zu drehen, spiraliert der Fluss nach außen, wodurch die innere Scherzone abgeschwächt und die äußere Scherzone verstärkt wird. Wenn dieses Gleichgewicht kippt, ändert der passive Rotor seine Richtung.

Die Bedeutung über das Labor hinaus

Die Ergebnisse zeigen, dass selbst die einfachsten rotierenden Systeme auf unerwartete Weise agieren können. Sie deuten auch neue Designansätze für Maschinen an, die in rauen oder eingeengten Umgebungen arbeiten müssen, wo traditionelle Getriebe Schwierigkeiten haben.

Da flüssigkeitsbasierte Getriebe keinen Kontakt haben, sind sie verschleißfest und tolerieren Fehlstellungen. Ihr Verhalten kann auch flexibel angepasst werden, indem Geschwindigkeit oder Abstand geändert werden, etwas, das bei festen Getrieben nicht möglich ist.

Praktische Folgen der Forschung

Diese Forschung könnte zukünftige Designs in der Robotik, in flexiblen Maschinen und in mikroskaligen Geräten beeinflussen, wo Flexibilität und Haltbarkeit wichtig sind.

Flüssigkeitsbasierte Getriebe könnten sich besser in staubigen, feuchten oder versiegelten Umgebungen entwickeln, in denen feste Teile versagen. Auf kleineren Skalen könnten ähnliche Prinzipien Ingenieuren helfen, mikroskopische Rotoren zu steuern, die in medizinischen oder chemischen Anwendungen eingesetzt werden.

Die Studie bietet ebenfalls einen klareren Rahmen für das Verständnis, wie rotierende Objekte in Flüssigkeiten interagieren, was die Modelle von Windparks, biologischen Systemen und konstruierten Schwärmen verbessern könnte.

Die Ergebnisse der Forschung sind online im Journal Physical Review Letters verfügbar.