Technologieanalyse Von der Kavitation zur Sonotechnologie

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Von der Kavitation zur
Sonotechnologie
Technologiefrüherkennung
Herausgeber
Abteilung Zukünftige Technologien
desVDI-Technologiezentrums
im Auftrag und mit Unterstützung des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF)
Diese Technologieanalyse entstand im Rahmen des Vorhabens „Identifikation und Bewertung
von Ansätzen Zukünftiger Technologien“ (Förderkennzeichen NT 2051C), gefördert durch
das Bundesministerium für Bildung und Forschung; Referat 511.
Dank gilt einer Vielzahl von Experten, die wertvolle Beiträge und Anregungen geliefert
haben. Insbesondere sei auch den Experten gedankt, welche die vertiefenden Aufsätze in
Kapitel 3 geschrieben haben. Informationen über Anwendungsperspektiven und
Marktpotentiale basieren auf einer Studie von Dipl.-Ing. Uwe Fritsch (SteinbeisTransferzentrum, Technologiemarketing, Stuttgart) und Dr. Axel Hoff (SteinbeisTransferzentrum, Innovative Systeme und Dienstleistungen, Friedrichshafen). Diese Studie
wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Pilotprojektes (13N6729/6) erstellt.
Titelbild: Kavitation, die durch Stoßwellen eines Lithotripters verursacht wird (entnommen
aus: Schlußbericht des Projektes: Physikalische Grundlagen sowie medizinische und
biologische Wirkungen unterschiedlich generierter Stoßwellen im Hinblick auf klinische
Anwendung, Prof. Dr. W. Eisenmenger und Prof. Dr. D. F. Hülser, Förderkennzeichen:
01KH8706/6).
Durchführung:
Abteilung: Zukünftige Technologien
des VDI-Technologiezentrums
Dr. Petra Düx
Dr. Heinz Eickenbusch
Zukünftige Technologien Nr. 32
Düsseldorf, im Januar 2000
ISSN 1436-5928
Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen
nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
überein.
Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte
vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen
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VDI-Technologiezentrum
Graf-Recke-Straße 84
40239 Düsseldorf
Das VDI-Technologiezentrum ist als Einrichtung des Vereins Deutscher
Ingenieure (VDI) im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums
für Bildung und Forschung tätig.
Vorwort
Neben den Projektträgerschaften zu Physikalischen Technologien und Lasertechnologien erbringt das VDI-Technologiezentrum teils projektträgerbegleitend teils davon unabhängig Beratungsleistungen. Die als Integriertes Technologiemangement bezeichneten Beratungsleistungen der Abteilung Zukünftige Technologien umfassen Technologiefrüherkennung, Technikfolgenabschätzung, Programmevaluierung, Informationsaufbereitung und -vermittlung. In
der Technologiefrüherkennung werden zukunftsrelevante Technologieansätze ermittelt und
durch geeignete Maßnahmen vorangetrieben.
Thema der vorliegenden Technologieanalyse sind die innovativen Anwendungsmöglichkeiten
der ‘Kavitation‘. Der Begriff ‘Kavitation‘ umfaßt die Bildung und Dynamik von Gasblasen in
Flüssigkeiten. Obwohl erste Untersuchungen der Kavitation bereits im 19. Jahrhundert gemacht wurden, ergab sich ein Durchbruch im tieferen Verständnis der Kavitationsdynamik,
erst ca. 100 Jahre später (1989) durch die Beobachtung isolierter Blasen. Infolgedessen wurden schon seit vielen Jahrzehnten Kavitationseffekte technisch umgesetzt, wie z.B. in der
Reinigung oder bei Mischungsprozessen, ohne daß deren genaue Wirkungsmechanismen bekannt waren. Durch das nun entstehende tiefere Verständnis der Kavitation zeichnet sich ein
großes Potential für Effizienzsteigerungen existierender Anwendungen und weitere Anwendungsfelder ab, wie beispielsweise für die Abwasserreinigung, die Klärschlamm- oder Sedimentaufbereitung. Außerdem kann nun zielgerichteter untersucht werden, unter welchen Bedingungen in der Ultraschallmedizintechnik Kavitation entsteht und inwiefern diese als zusätzlicher Wirkungsmechanismus genutzt werden kann oder aufgrund unerwünschter Nebeneffekte besser vermieden werden sollte.
Ziel der Technologieanalyse zur Kavitation war nicht das Zusammentragen wissenschaftlicher
Detailinformationen, sondern ein Aufbereiten solcher Informationen, die dem fachfremden
wissenschaftlich und anwendungstechnisch interessierten Leser einen Überblick über fachliche Inhalte, Anwendungsbezüge und Problemfelder vermitteln. Dadurch sollen disziplinäre
Schranken wie auch anwendungsbezogene Hemmnisse überbrückt werden.
Dr. Dr. Axel Zweck
Inhaltsverzeichnis
1 AUFBAU DER TECHNOLOGIEANALYSE ......................................................... 3
1.1 Zielsetzung ................................................................................................................ 3
1.2 Grundlage .................................................................................................................. 4
1.3 Struktur...................................................................................................................... 5
2. EINFÜHRUNG.......................................................................................................... 7
2.1 Kurzdarstellung des Themenfeldes ........................................................................... 7
2.2 Historischer Abriß ..................................................................................................... 8
2.3 Stand der Forschung................................................................................................ 11
2.4 Untersuchungsmethoden ......................................................................................... 15
3 WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN ......................................................... 19
3.1 Blasendynamik, Schockwellen und Sonolumineszenz............................................ 19
3.2 Mehrblasendynamik und Kavitationsfeldverteilung ............................................... 29
3.3 Jetbildung und Erosion............................................................................................ 34
3.4 Kontrastverstärkung in der Ultraschalldiagnostik................................................... 38
3.5 Sonochemische Verfahrenstechnik ......................................................................... 46
3.6 Modellierung von Schallfeldern in Kavitationsblasenfeldern................................. 54
4. TECHNISCHE ANWENDUNGEN....................................................................... 60
4.1 Medizintechnik........................................................................................................ 61
4.1.1 Marktpotentiale und Stellenwert der Anwendungsbereiche......................................... 61
4.1.2 Stand der Technik......................................................................................................... 69
4.1.3 Aussichten, Entwicklungshemmnisse und F&E-Bedarf ............................................... 77
4.2 Nachhaltige Verfahrenstechnik ............................................................................... 80
4.2.1 Marktpotentiale und Stellenwert der Anwendungsbereiche......................................... 80
4.2.2 Stand der Technik......................................................................................................... 88
4.2.3 Aussichten, Entwicklungshemmnisse und F&E-Bedarf ............................................... 96
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5 EINSCHÄTZUNGEN ZUM STAND UND ENTWICKLUNG DER
FORSCHUNG ............................................................................................................. 99
5.1 Standpunkte von Anwendern, Herstellern und Wissenschaftlern ........................... 99
5.2 Bibliometrische Analysen ..................................................................................... 102
5.3 Nationale und internationale Aktivitäten .............................................................. 110
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ........................................................ 126
LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS.................................................. 131
ANHANG ................................................................................................................... 137
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1 AUFBAU DER TECHNOLOGIEANALYSE
1.1 Zielsetzung
Aufgrund neuer Ergebnisse und Erkenntnisse zur Kavitation soll in dieser Technologieanalyse eine übersichtliche Analyse des derzeitigen Wissensstandes auf diesem Forschungsgebiet und der möglichen Anwendungen in verschiedenen Bereichen gegeben
werden. Da die Kavitation zur Entwicklung nachhaltiger Verfahrenstechnologien und
in der Medizin für den Patienten schonende Methoden genutzt wird, ist es angebracht
zu prüfen, ob neue Grundlagenkenntnisse der Kavitation in neue und fortgeschrittene
technologische Anwendungen umsetzbar sind. Dabei wurde der Blickpunkt weitestgehend auf Anwendungen begrenzt, welche die mechanischen Effekte der Kavitation
nutzen. Bewertung und Dokumentation der technologischen Umsetzungen der chemischen Effekte der Kavitation (Sonochemie) werden schon umfassend von der
DECHEMA e.V. geleistet. Nähere Informationen hierzu sind erhältlich bei der
DECHEMA e.V., Abt. Forschungsförderung, Herr Dr. L. Nick, Theodor-Heuss-Allee
25, 60486 Frankfurt/M., Fax +49-69-7564-117 oder bei der Kontaktbörse Sonochemie
unter der Webadresse: http://www.dechema.de/deutsch/fue/sonochem/pages/sono1.htm.
Der Schwerpunkt dieser Analyse soll nicht auf wissenschaftlichen Detailinformationen
liegen. Es wurde vielmehr angestrebt, die Informationen so aufzubereiten, daß auch
dem fachfremden wissenschaftlich und technisch interessierten Leser ein Überblick
über fachliche Inhalte, Anwendungsbezüge und Problemfelder vermittelt wird. Die
angegebene Spezialliteratur und ggf. eine Anfrage bei den genannten Experten ermöglicht bei Bedarf ein intensiveres Einarbeiten in die Thematik.
Maßgebliches Ziel der Technologieanalyse ist ein Informationstransfer in folgende
Richtungen:
- Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und andere
Stellen der Forschungsförderung sollen objektiv informiert werden, so daß
ein notwendiger Forschungs- und Koordinierungsbedarf innerhalb und außerhalb des Technologiegebietes abgestimmt werden kann.
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- Im Bereich der Kavitation- und Sonotechnologie-Forschung sowie in angrenzenden Forschungsfeldern tätige Wissenschaftler sollen Informationen
über fachfremde Erfahrungen und Untersuchungsergebnisse erhalten, die zu
interessanten und ggf. zu interdisziplinären Kooperationen führen können.
- Industriellen Anwendern sollen durch den Überblick Anregungen vermittelt
und die Kontaktaufnahme zu potentiellen Forschungspartnern ermöglicht
werden.
Die Technologieanalyse soll auch als Innovationsanalyse im Sinne einer fachübergreifenden Ausrichtung der Forschungs- und Technologiepolitik des BMBF verstanden werden. Zur Sicherung der wirtschaftlichen und technologischen Wettbewerbsfähigkeit sollen innovative wissenschaftliche Forschungsergebnisse und technische Entwicklungen schneller als bisher in marktfähige Produkte umgesetzt und Innovationshemmnisse beseitigt werden. Weiterhin spielt die Orientierung an gesellschaftlichen
Problemen, insbesondere im Bereich der Umwelt, Energie und Gesundheit eine wichtige Rolle für die Prioritätensetzung der Forschungspolitik.
1.2 Grundlage
Die Technologieanalyse basiert im wesentlichen auf gezielter Rechercheaktivität, wie
Datenbank- und Literaturanalysen, Internetrecherche, Expertenbefragungen und Kongreßbeobachtungen. Einen Hauptbeitrag lieferte zudem ein speziell zu dem Thema der
Technologieanalyse durchgeführter Workshop, der am 26. Januar 1999 in Zusammenarbeit des VDI-Technologiezentrums, Abteilung Zukünftige Technologien, mit der
DECHEMA e.V., Abteilung Forschungsförderung, in Düsseldorf stattfand. Im Anhang
befinden sich das Tagungsprogramm und die Teilnehmerliste dieses Workshops; Beiträge der Teilnehmer des Workshops sind in einem gesonderten Tagungsband zusammengefaßt worden und beim VDI Technologiezentrum, Abteilung Zukünftige Technologien erhältlich. Eine wesentliche Unterstützung lieferte auch die Studie “Marktszenario, Anwendungen Ultraschall/Kavitation“ des Steinbeis-Transferzentrums, erstellt
von Uwe Fritsch und Dr. Axel Hoff.
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Neben wissenschaftlichen Aspekten interessierten insbesondere die Forschungsaktivitäten, das Anwendungspotential, die Anwendungshemmnisse und der F&E-Bedarf. Im
Sinne einer Technikvorsorge soll frühzeitig versucht werden, anwendungsrelevante
Anforderungen und Entwicklungshemmnisse zu identifizieren und zu bewerten. Ausgehend von dem recherchierten Stand der Forschung werden die jeweiligen Anwendungsperspektiven und Realisierungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung bisheriger
Verfahren bzw. von Konkurrenzverfahren sowie der innovative und technologiespezifische Charakter erörtert. Die persönlichen Einschätzungen anwendungsrelevanter
Aspekte, die von Experten während des Workshops oder in Interviews gegeben wurden, sollen die unterschiedlichen Haltungen aufzeigen und eventuell Diskussionen initiieren. Die durchgeführte Literatur- und Patentrecherche dient dazu, den Stand
Deutschlands und Europas im Vergleich zu den beiden großen Forschungsregionen
USA und Japan darzustellen.
1.3 Struktur
In der Technologieanalyse werden Anwendungsperspektiven der auf Kavitation basierenden Technologien aufgezeigt. Wie schon in Abschnitt 1.1 erwähnt, wird dabei der
Fokus auf die Anwendungen gelegt, bei denen insbesondere die mechanischen Effekte
der Kavitation technologisch umgesetzt werden. Der größte Teil dieser Technologien
nutzt Ultraschall zur Erzeugung und Steuerung der Kavitation, was den Titel dieser
Technologieanalyse erklärt. Ziel ist es, die vordergründigsten Entwicklungshemmnisse
und den entsprechenden F&E-Bedarf aufzuzeigen. Deshalb steht im Vordergrund der
Technologieanalyse das Kapitel 4 “Technologische Anwendungen“, in dem Anwendungsbereiche der Medizintechnik und der Nachhaltigen Verfahrenstechnologie hinsichtlich ihrer technischen und wirtschaftlichen Bedeutung konkret bewertet werden.
Die bestehenden Entwicklungshemmnisse und verschiedenen Anforderungen an Forschung und Entwicklung werden in den Abschnitten 4.1.3 und 4.2.3. jeweils für die
Medizintechnik und die Nachhaltige Verfahrenstechnologie zusammenfassend dargelegt. Zum besseren Verständnis der Erörterungen in Kapitel 4 werden in Kapitel 2 und
Kapitel 3 die wissenschaftlichen Grundlagen der Kavitation erläutert. Dabei soll Kapitel 2 eine historische Entwicklung des Forschungsgebietes liefern und kurz aktuelle
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Themen und Methoden der Grundlagenforschung aufzeigen. Kapitel 3 ist eine Zusammenstellung von vertiefenden Analysen in den Hauptforschungsfeldern. Diese
Darstellungen wurden freundlicherweise von Herrn Dr. Günther, Herrn Dr. Gompf,
Herrn Prof. Dr. Lauterborn, Herrn Prof. Dr. Lohse, Herrn Dr. Peters und Herrn Prof.
Dr. Keil für diese Technologieanalyse geschrieben.
Der allgemeinen Erörterung der technologischen Anwendungen der Kavitation in Kapitel 4 folgend, werden in Kapitel 5 weitere Hintergründe der Entwicklungen skizziert.
Fortschritte in den technologischen Entwicklungen stehen im Kontext der Standpunkte
und Erwartungshaltungen in Industrie und Wissenschaft (Kapitel 5.1). Trends können
durch bibliometrische Untersuchungsmethoden identifiziert werden, d. h. anhand von
Veröffentlichungs- und Patentaktivitäten (Kapitel 5.2). Kapitel 5.3 verdeutlicht, wie
stark die Forschungsaktivitäten im In- und Ausland sind.
Zusammenfassung und Ausblick (Kapitel 6) runden die Technologieanalyse ab. Im
Anhang sind die Experten aufgelistet, die im Rahmen der Recherche für diese Technologieanalyse befragt wurden. Darüber hinaus befindet sich dort die Teilnehmerliste
und das Tagungsprogramm des Workshops “Von der Kavitation zur Sonotechnologie“,
der am 26. Januar 1999 im VDI in Düsseldorf stattfand.
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2. EINFÜHRUNG
2.1 Kurzdarstellung des Themenfeldes
Der Begriff Kavitation ist von dem lateinischen Wort “cavus“ = hohl - abgeleitet und
bezeichnet die Bildung von Hohlräumen in flüssigen Medien. Die Kavitation kann
in einer Flüssigkeit zum einen durch Energieeintrag initiiert werden. Laserlicht z.B.
erzeugt im flüssigen Medium lokal ein Plasma, wodurch die Flüssigkeit verdampft und
ein Hohlraum entsteht. Zum anderen können durch einen Druckabfall in hydrodynamischen Strömungen oder Schallwellen Hohlräume in die Flüssigkeit gerissen werden. In
diese Hohlräume diffundieren nachfolgend Gase ein, die in der Flüssigkeit gelöst sind
(Lauterborn, 1997). Es gibt Hinweise dafür, daß die durch Druckabfall erzeugten Gasblasen an sogenannten “Kavitationskeimen“ gebildet werden. Diese Kavitationskeime
sind kleinste Gasbläschen, die sich in der Flüssigkeit nicht auflösen. Gründe für die
Stabilität dieser kleinsten Bläschen können sein, daß sie sich entweder in Vertiefungen
von festen Verunreinigungen befinden (Crum, 1982) oder daß in der Flüssigkeit gelöste, organische Moleküle die Blase umsäumen und die Blasenoberfläche dadurch festigen (Yount et al., 1984).
Nachdem sich die Blasen an den Kavitationskeimen gebildet haben, dehnen sie sich
bei einem weiteren Druckabfall in der Flüssigkeit aus, wobei flüchtige Substanzen
weiter in die Blasen hinein diffundieren. Steigt danach der Druck in der Flüssigkeit
wieder an, kollabieren die Gasblasen durch den äußeren Druck. Ist der Kollaps so
heftig, daß sich die Blase dabei in viele kleine Bläschen auflöst, spricht man von transienter Kavitation. In einem Ultraschallfeld kann sich durch die aufeinanderfolgenden
Unterdruck- und Überdruckphasen ein stabiles Oszillieren der Blase einstellen, wobei
die Blase periodisch in der Unterdruckphase “aufschwingt“ und in der Überdruckphase
zusammenfällt. Bei Untersuchungen von stabil, voneinander isoliert oszillierenden und
sonolumineszierenden Blasen, bleiben die Blasen sphärisch.
Die durch den Kollaps verursachte starke Kompression des Blaseninhaltes führt innerhalb der Blase zu einem so hohen Druck (mehrere 100 bar) und hoher Temperatur
(mehrere 1.000°K), daß das Gas in der Blase ionisiert wird. Diese Zustände können für
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großtechnische Anwendungen sonst nur mit hohem ingenieurtechnischen Aufwand
geschaffen werden. Darum ist es interessant zu untersuchen, welche chemischen Reaktionen durch den Blasenkollaps ausgelöst werden und ob diese Reaktionen für chemische Verfahrenstechnologien genutzt werden können (siehe Kapitel 3.5). Bei diesen
Untersuchungen wird die Kavitation durch Ultraschall erzeugt, weshalb dieser Forschungsbereich Sonochemie genannt wird.
Ein weiteres Kavitationsphänomen ist, daß die Blase während des Kollaps Stoßwellen
emittiert (siehe Kapitel 3.1 und 3.3; häufig wird anstelle von Stoßwellen auch der Begriff Schockwellen gebraucht). Kollabiert die Blase in der Nähe von festen Oberflächen, dann verläuft die Dynamik der Blase asphärisch: der oberflächennahe Teil der
Blase fällt verzögert ein, so daß die der Oberfläche abgewandte Blasenseite sich früher
einstülpt. Dadurch entstehen Flüssigkeitsjets, die sich durch die Blasen hindurch, hin
zur festen Oberfläche bewegen (siehe Kapitel 3.3). Die von der Blase während des
Kollaps emittierten Schockwellen und Flüssigkeitsjets bewirken mechanische Effekte,
wie z.B. Materialerosionen oder das Zerreißen bakterieller Zellwände.
Bei einem hohen Antriebsdruck der Blasenoszillation und bei bestimmten Gaskonzentrationen in der Flüssigkeit wird von der kollabierenden Blase ein Lichtpuls abgegeben. Diese Erscheinung wird Sonolumineszenz genannt (siehe Kapitel 3.1).
Beschreibungen der komplexen Kavitationsprozesse beinhalten also Aspekte der Akustik, Hydrodynamik, Thermodynamik, Optik, Plasmaphysik und Chemie, was die
Komplexität dieses Gebietes veranschaulicht. Seit den ersten Untersuchungen der Kavitation am Ende des 19. Jahrhunderts konnte bis heute die Blasendynamik und die
Effekte der Kavitation nur in Teilen verstanden werden.
2.2 Historischer Abriß
In der Schiffahrt oder aus der Praxis der industriellen Fertigung ist die hydrodynamische Kavitation bekannt und wird oft zum Problem. Sie entsteht z.B. an Schiffspropellern, Turbinen oder Pumpen, wo durch Wirbelströmungen Hohlräume in die Flüssigkeit gerissen werden und Gas in diese Hohlräume diffundiert. Kollabieren diese
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Blasen wieder, so führen die dabei freigesetzten Schockwellen und Flüssigkeitsjets zu
Materialzerstörung (“Erosion“, siehe Kapitel 3.3). Das war auch der Hintergrund, warum schon 1917 Lord Rayleigh Kavitationsschäden an Schiffsschrauben der britischen
Marine untersuchte (Suslick, 1989). Er stellte fest, daß die Implosion von Gasblasen
enorme Turbulenzen, Hitzewellen und Druckstöße auslöst, welche wiederum Vibrationen und Materialschäden an rotierenden Schrauben bewirken. Ihm gelang es zudem,
Näherungsgleichungen aufzustellen, die die Blasendynamik mittels Blasenradius-Zeit
Kurven beschreiben.
1927 wurden zum ersten Mal chemische Effekte untersucht, die durch den extrem hohen Druck und die hohe Temperatur in der kollabierenden Gasblase entstehen können.
Hiermit wurde die Sonochemie (Suslick, 1989) begründet.
1935 fanden Kölner Wissenschaftler heraus, daß eine Fotoplatte von einem mit Ultraschall durchsetzten Wasserbad geschwärzt wird. Für das äußerst schwache Leuchten
der durch Ultraschall erzeugten Gasblasen, das damals mit den Fotoplatten nachgewiesen wurde, setzte sich der Name Sonolumineszenz durch (Kuttruff, 1999 - siehe Abb.
2.1).
Abb. 2.1: Sonolumineszenz in destilliertem, entgasten Wasser in einem piezokeramischen Zylinder. Die Fotografie wurde mit einem Bildverstärker aufgenommen
(Leighton, 1994).
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Die weitere Erforschung der Kavitation ging nur schleppend voran. Da die Blasen an
den in der Flüssigkeit statistisch verteilten Kavitationskeimen entstehen und ihre Dynamik nicht kontrolliert werden konnte, war eine systematische Beobachtung der Kavitation nicht möglich. Zudem gab es keine Beobachtungstechnik, mit deren Hilfe man
die Dynamik der Kavitation mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung beobachten
hätte können. Aus diesen Gründen konnten keine systematischen Untersuchungsmethoden durchgeführt werden, die die Kavitationsphänomene Schritt für Schritt analysiert hätten. Allerdings gab es viele verschiedene Entwicklungen, in denen die Kavitationseffekte bereits technisch genutzt wurden, ohne daß die Gesetzmäßigkeiten der
Blasendynamik besser verstanden waren. So gab es Anfang der 40er Jahre die ersten
Patente für die Ultraschallreinigung (Peters/ESS, 1999), bei der die mechanischen Kavitationseffekte für das Ablösen von Feststoffen und Aufbrechen von Agglomeraten
verantwortlich sind.
Durch die Entwicklung kostengünstiger, leistungsfähiger und zuverlässiger Ultraschallgeneratoren erlebte die Sonochemie während der 80er Jahre eine Renaissance.
In dieser Zeit wurde eine Vielzahl von chemischen Effekten der Kavitation beschrieben (Suslick, 1989; siehe Kapitel 3.5).
1988 gelang es einem Amerikaner eine einzelne Blase im Schallfeld über lange Zeit zu
stabilen Schwingungen anzuregen (Gaitan, 1992). Ferner fand er die experimentellen
Bedingungen, unter denen man die Einzelblase zum Leuchten bringt. Dies motivierte
dazu, die Effekte und Dynamik einer einzelnen, isolierten Blase zu untersuchen, womit
das Forschungsfeld der Single Bubble Sonolumineszenz (SBSL) begründet wurde. Die
Besonderheit hieran ist, daß an der stabilisierten, oszillierenden Einzelblase die postulierten Gesetzmäßigkeiten und theoretischen Annahmen an der tatsächlich beobachteten Blasendynamik geprüft werden können (siehe Kapitel 2.1).
Mit der Entwicklung der Single Bubble Luminescence (SBSL) wurden während der
90er Jahre die experimentellen Methoden zur Untersuchung der Kavitation deutlich
erweitert. Mit Fortschritten bei optischen Technologien und in der Informationsverarbeitung konnten Kavitationsprozesse mit höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung
experimentell untersucht werden. So konnten systematisch einzelne Zustandsparameter
variiert und deren Auswirkungen auf die Prozesse untersucht werden.
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2.3 Stand der Forschung
Die Untersuchungen der Dynamik und Sonolumineszenz einer einzelnen, isolierten
Blase stellt (Single Bubble Sonolumineszenz, SBSL) einen Durchbruch für die Erforschung der Kavitation dar, da: i) die Einzelblasenoszillationen im Ultraschallfeld kontrolliert ablaufen können, ii) die Beobachtung der Kavitationsphänomene an einer isolierten Blase nicht von anderen Blasen beeinflußt wird und damit die einzelnen Prozesse während des Blasenkollaps deutlicher erkennbar werden und iii) weil es mittlerweile
hochtechnische Untersuchungsmethoden gibt, die Beobachtungen mit hoher und zeitlicher Auflösung erlauben (siehe Abschnitt 2.4). Somit konnte von Beginn der 90er Jahre an sukzessive die Blasendynamik im Detail besser verstanden werden. Ähnlich systematisch geht man nun auch bei der Untersuchung von Kavitationsfeldern vor. Dabei
stellt man u. a. fest, daß eine isolierte Blase intensiv und in einem kontinuierlichen
Spektrum leuchtet sowie Temperaturen von mehreren 10.000°K entwickelt. Blasen
eines Kavitationsfeldes leuchten dagegen (Multi Bubble Sonoluminescence, MBSL)
schwächer, das Spektrum ist dabei nicht kontinuierlich, sondern weist Emissionsbanden der jeweiligen Flüssigkeit auf und in den Blasen entstehen Temperaturen von nur
mehreren 1.000°K. Diese und andere detaillierte Vergleiche führten zu verbesserten
theoretischen Modellen der Blasendynamik und damit zu einem besseren Verständnis
der Kavitation.
Im folgenden werden Themen der aktuellen Grundlagenforschung der physikalischen Effekte der Kavitation kurz beschrieben. Im nachfolgenden Kapitel 3 werden
die wissenschaftlichen Grundlagen dieser Themen detaillierter erläutert.
Einzelblasendynamik, bzw. Single Bubble Sonolumineszenz (SBSL).
Für die bisherigen theoretischen Beschreibungen der Blasendynamik, wurde der Blaseninhalt als Kontinuum, d.h. als homogenes Gas, angenommen. Das kontinuierliche
Spektrum der SBSL erinnert an Schwarzkörperstrahlung. Allerdings reicht das Spektrum nicht, wie üblich bei Schwarzkörperstrahlung, stärker in den roten Spektralbereich hinein, sondern ist symmetrisch (Gompf et al., 1997; siehe Kapitel 3.1). Neuere
Rechnungen, die das Spektrum besser simulieren, berücksichtigen die kleine Blasengröße im Modell des Schwarzkörperstrahlers. Aufgrund der kleinen Größe ist die Blase
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auch durchsichtig für die Strahlung, die durch Elementarprozesse (Ionisationen) entstehen. Diese Strahlung mittelt sich bei den bisher bekannten Schwarzkörpern (wie der
Sonne) aus, gelangt so nicht nach außen und trägt darum nicht zum Spektrum bei (Hilgenfeldt et al., 1999). Andere neue numerische Verfahren behandeln den Blaseninhalt
nicht mehr als Kontinuum, sondern als Vielteilchensystem (Molecular Dynamics). Da
hierbei das physikalische Verhalten der einzelnen Teilchen betrachtet wird, kann der
zeitliche Verlauf der Temperatur- und Druckverteilung präziser simuliert werden. So
können neue Erkenntnisse in der anhaltenden Diskussion über die Bildung einer
Schockwelle innerhalb der Blase gewonnen werden (Metten und Lauterborn, 1999).
Experimentell wird die Stabilität und die Intensität der SBSL in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern (wie Temperatur, Druck und Gaskonzentration der Flüssigkeit
und organische Verunreinigungen) untersucht. In jüngster Zeit werden Experimente
aufgestellt, die den Blasenkollaps und die damit verbundenen Kavitationseffekte verstärken (Upscaling). Bei einer Methode wird das anregende Schallsignal durch höhere
Harmonische mit ausgewählter Phase und Amplitude optimiert (Holzfuss et al.,
1998a). Ein weiteres Verfahren schlägt vor, die Ultraschallfrequenz zu erniedrigen, die
die Blase zu Oszillationen antreibt, so daß sich die Blase auf größere Volumina ausdehnen kann und der nachfolgende Kollaps um so heftiger ausfällt. Man hofft dadurch
den Parameterraum der SBSL noch genauer untersuchen und die Gesetzmäßigkeiten
der SBSL noch besser verstehen zu können (Hilgenfeldt und Lohse, 1999).
Mehrblasendynamik, bzw. Multi Bubble Sonoluminescence (MBSL)
In Kapitel 3.2 werden die Kräfte des Ultraschallfeldes auf die Blasen und die Wechselwirkungen zwischen den Blasen beschrieben. Diese Wechselwirkungen sind nichtlinear, so daß sich die Gasblasen im Kavitationsfeld nicht homogen anordnen, sondern
dendrimetrische Figuren bilden. Dies sind dünnfädrig verzweigte Strukturen, ähnlich
den Leuchtmustern, die man bei elektrischen Entladungen beobachten kann (elektrischen Lichtenberg Figuren). In experimentellen Untersuchungen können Kavitationsfeldverteilungen in High-Speed Videoaufnahmen sichtbar gemacht werden. Dieses
Verfahren wird im Abschnitt 2.2 kurz skizziert. In der Praxis werden diese Muster der
dendrimetrischen Blasenverteilung z. B. bei der Ultraschallreinigung sichtbar: wenn zu
reinigende Objekte zu lange beschallt werden und dadurch die Kavitationsfelder lange
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auf die Oberflächen einwirken, sind nach der Behandlung “Eisblumenstrukturen“ in
die Oberfläche eingedrückt.
Mit der inhomogenen Verteilung der Kavitationsfelder sind auch die Wirkungen der
Kavitationseffekte nicht gleichmäßig im flüssigen Medium verteilt. In verfahrenstechnischen Anwendungen der Kavitationseffekte möchte man jedoch eine gleichmäßige
Behandlung von Objekten, bzw. homogen verteilte Reaktionsabläufe. Deshalb besteht
ein hoher Bedarf an fundierten Kenntnissen über die Ausmaße und Dynamik der Kavitationsfeldverteilung. Ein langfristiges Ziel ist es, Simulationsprogramme zur Modellierungen der vielparametrigen Bedingungen für die Kavitationsfeldverteilung zu
entwickeln. Es gibt mehrere Ansätze für die Simulation der Blasenverteilung im flüssigen Medium. Das sogenannte Kontinuumsmodell (siehe Kapitel 3.6) geht von einem
Blasen-Flüssigkeits-Kontinuum aus und betrachtet die Wechselwirkung des Blasenfeldes mit dem Ultraschallfeld. Es werden dabei die Schallfeldamplitude, die Blasengeschwindigkeit und die Blasendichte des Kavitationsfeldes in der Rechnung berücksichtigt. Numerische Rechnungen mit diesem Ansatz geben grobe Einschätzungen der
Blasendichteverteilung und der räumlichen Verteilung des Schalldruckes. Das sogenannte Partikelmodell berücksichtigt die Blasendynamik der einzelnen Blasen und betrachtet sie als einzeln bewegliche Objekte. Die numerischen Rechnungen liefern hierbei die dendrimetrischen Muster des Kavitationsfeldes, wie sie auch experimentell beobachtet werden. Allerdings schließt dieser Ansatz nicht den Einfluß der Blasendynamik auf das Schallfeld ein. Dadurch bleiben Flüssigkeitsströmungen in der Simulation
unberücksichtigt, die durch die Blasenbewegung im Ultraschallfeld oder durch andere
nichtlineare akustische Effekte entstehen (Mettin et al., 1999). Eine Verknüpfung der
beiden Ansätze in einem Simulationsmodell könnte die Ausmaße eines Kavitationsfeldes am besten wiedergeben und wäre die Grundlage für ein entscheidend effizienteres
Design von technisch umgesetzten Kavitationsprozessen (Lauterborn und Günther,
1999).
Asphärische Blasendynamik und Erosion
Wie schon im ersten Teil dieses Kapitels erwähnt wurde, werden die Oszillationen einer Blase in der Nähe von Oberflächen asphärisch. Durch das asphärische Kollabieren
entsteht jeweils ein Flüssigkeitsjet, der die Blase durchzieht. Die Anzahl und Form der
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Schockwellen, die von der kollabierenden Blase abgegeben werden, hängt von dem
Abstand der Blase zur Oberfläche ab.
Abb.2.3.1: Fotografie eines Flüssigkeitsjets, der durch eine kollabierende Blase hindurchtritt. Die Blasenbreite ist ca. 1 mm. (entnommen von L. A. Crum, Applied Physics Laboratory, University of Washington, http://pluto.apl.washington.edu/harlett2/
artgwww/acoustic/medical/litho.html)
Ein detailliertes Verständnis der Dynamik von Blasen in der Nähe von Grenzflächen
ist von großem Interesse, da dies die Quelle von Materialschäden (Erosion) ist. Die
Änderung der Blasenform, die emittierten Schallwellen und die Dynamik des Jets können mit ultraschnellen fotografischen Aufnahmen sichtbar gemacht werden (Lauterborn, 1999; siehe Kapitel 3.3). Gegenstand der Diskussionen ist u. a., ob der Jet oder
die emittierten Schockwellen die Materialschäden verursachen. Einige Untersuchungen
haben gezeigt, daß Materialschädigungen vorliegen, wenn der Abstand der Blase zur
Oberfläche weniger als doppelt so groß ist wie ihr maximaler Radius. Die Flüssigkeitsjets tragen aber nur zur Schädigung bei, wenn der Abstand der Blase zur Oberfläche weniger als ihr maximaler Radius beträgt. Am größten ist die Schädigung, wenn
die Blase im direkten Kontakt mit der Oberfläche ist und Drücke von mehreren GPa
(10 kbar) auf das Oberflächenmaterial einwirken (Philipp und Lauterborn, 1998; Lauterborn, 1999).
Ferner wird die Dynamik von Blasen in der Nähe von elastischen Oberflächen untersucht, um damit die Gewebeverletzungen bei medizinischen Behandlungen einschätzen
zu können, bei denen Kavitation entsteht. Als Gewebephantom wird z.B. Polyacrylamidgel (PAA) verwendet. Die elastischen Eigenschaften von PAA können durch Va14
riation des Wassergehaltes eingestellt werden, so daß verschiedene Arten von Gewebe
simuliert werden können (Brujan et al., 1999).
2.4 Untersuchungsmethoden
Im folgenden werden einige Beispiele von aktuellen experimentellen Untersuchungsmethoden der Kavitation kurz beschrieben. Ergebnisse dieser Untersuchungen sind nicht nur Teil der Grundlagenforschung, sondern können auch der Optimierung technischer Umsetzungen der Kavitation dienen. So können Kenntnisse über die
Schockwellen- und Jetbildung zur Erosionsvermeidung herangezogen werden. Ein
besseres Verständnis der Kavitationsfeldverteilung ermöglicht ein optimiertes Design
der technischen Kavitationsprozesse.
Direkte Betrachtungen der Blasendynamik, wie Lumineszenz, Schockwellen, oszillierender Blasenradius und Jetbildung sowie die Verteilung der Kavitationsfelder dienen dazu, die Kavitationsphänomene im Detail zu erfassen. Aus der detaillierten Erfassung der Phänomene der Kavitation können Schlüsse gezogen werden für die Optimierung von Verfahren, bei denen Kavitation entsteht bzw. technisch genutzt wird. Die
Blasendynamik kann mittels Radius-Zeit Kurven beschrieben werden, die man dadurch
erhält, daß Laserlicht an der Blase gestreut und mit einem Photomultiplier detektiert
wird (Gaitan et al., 1992; Lauterborn et al., 1999). Der Sonolumineszenzpuls kann mit
Hilfe einer ultra-schnellen Photokamera (Streakkamera) aufgenommen werden. Auf
dem resultierenden Bild werden sowohl die Form als auch die Länge des Pulses sichtbar (siehe Kapitel 3.1; Pecha et al., 1998). Mit dieser fotografischen Aufnahme des
Lichtpulses kann die Blasenoszillation zudem mit einer zeitlich und räumlich höheren
Auflösung verfolgt werden als bei der zuvor genannten Methode der Laserlichtstreuung. Parallel wurde eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TC-SPC) entwickelt,
die den zeitlichen Abstand zweier beliebiger Photonen aus ein und demselben Lichtpuls mißt, woraus die Länge des Sonolumineszenzpulses bestimmt werden kann
(Gompf et al., 1997). Die TC-SPC ergibt zwar eine geringere zeitliche Auflösung als
die Streakkamera, kommt dafür aber mit weniger Licht aus (siehe Kapitel 3.1). Die
Aufnahmen des Lichtpulses mit Hilfe der Streakkamera und die TC-SPC wurden im
Rahmen eines vom BMBF geförderten Pilotprojekt zur Untersuchung der Sonolumineszenz entwickelt.
15
Durch ultraschnelle fotografische- oder Videoaufnahmen sowie ultraschnelle Serien
von Hologrammen können die Einzelblasen- und die Mehrblasendynamik visualisiert
werden. Auf diese Weise werden die Prozesse der asphärischen Blasenoszillation, die
Jetbildung und die Verteilung der Kavitationsfelder im Detail erfaßt (Lauterborn,
1999).
Die von der Blase während der SBSL emittierte Schockwelle (siehe Abb. 2.4.1) kann
durch PVDF Nadelhydrophone charakterisiert werden. Alternativ kann die Stoßwelle
dadurch sichtbar gemacht werden, daß sie den Brechungsindex der Flüssigkeit ändert.
Wird die oszillierende Blase stroboskopisch durch einen Kurzpulslaser beleuchtet, so
kann die Änderung des Brechungsindex aufgrund der von der Blase abgegebenen
Stoßwelle mit Hilfe einer Meßeinrichtung (“Schlierenanordnung“) sichtbar gemacht
werden (Holzfuss et al., 1998b) und visualisiert damit die Stoßwelle selbst. Der Druck
der Stoßwelle kann sodann aus deren Geschwindigkeit berechnet werden. Bei Verwendung eines Glasfaser-Sondenhydrophons kann sowohl die Druck- als auch Zugphase des Pulses aufgelöst werden (Staudenraus und Eisenmenger, 1993; Wang et al.,
1999). Bei diesem Hydrophon wird Licht von einer Laserdiode emittiert und durch
eine Glasfaser an den Zielort im Wasser geleitet. Die Intensität des am Glasfaserende
reflektierten Lichtes hängt vom Unterschied der Brechungsindizes zwischen Faser und
dem umgebenden Wasser ab. Da der Brechungsindex von Wasser druckabhängig ist,
gibt die Intensität des reflektierte Lichtes ein Maß für die Änderung des Wasserdrukkes.
Das Ausmaß und die Wirkung der Kavitation hängen insbesondere von den Parametern
des Ultraschallfeldes ab. So können z.B. durch Frequenz, Schalldruck und Schallintensität des eingesetzten Ultraschalls die Kavitationsschwellen, Größe der Blasenradien,
Stärke des Blasenkollaps und räumliche Ausmaße der Kavitation reguliert werden.
Aufgrund einer quantitativen Beschreibung der Ultraschallfelder könnten somit
Kavitationsprozesse optimiert und Sonoreaktoren modelliert werden. Beachtet werden
muß dabei allerdings, daß sowohl das Schallfeld durch die Kavitation modifiziert wird,
als auch zusätzlich noch die ins Schallfeld eintauchenden Meßinstrumente durch die
Kavitation beeinträchtigt werden. Deshalb stellen Schallfeldmessungen noch immer
ein Problem dar, so daß aus ihnen auch keine Schlüsse über die Stärke und die Vertei-
16
lungen der Kavitation gezogen, sondern nur grobe Einschätzungen gemacht werden
können.
Abb.2.4.1: Stoßwelle einer einzelnen, kollabierenden Blase. Die Aufnahmen wurden
in zeitlichen Abständen von 30 ns aufgenommen (Aufnahme von R. Geisler, aus Lauterborn et al., 1999).
Der zeitliche Verlauf des Schalldruckes kann mittels Hydrophonen vermessen werden,
bei denen der Schalldruck in Spannung transformiert wird. Seit Anfang der 90er Jahre
werden zur hochaufgelösten Schalldruckmessung in umfangreichen Maße Glasfaserhydrophone eingesetzt (Staudenraus und Eisenmenger, 1993), dessen Funktionsweise
im vorherigen Absatz bereits skizziert wurde. Ursprünglich wurden sie zur Überwachung der Lithotripsie (Steinzertrümmerung in menschlichem oder tierischem Gewebe) entwickelt und werden inzwischen in zahlreichen, weiteren medizinischen Einsatzbereichen und Verfahrenstechniken eingesetzt.
In einem anderen Verfahren wird ein grobes Maß für die Effizienz von Reaktoren
mittels der Sonolumineszenzstärke der oszillierenden Blasen gegeben. Durch Visualisierung der Sonolumineszenz eines Kavitationsblasenfeldes können Regionen mit
hochenergetisch kollabierenden Blasen von solchen mit nur schwach oszillierenden
unterschieden werden (Holzfuss und Rüggeberg, 1999). Hierbei wird die Sonolumineszenz mit einem Bildverstärker phasenselektiv zeitgemittelt aufgenommen, um so
ein Maß für die Verteilung der Kavitation zu erhalten.
Aus der quantitativen Beschreibung des Ultraschallfeldes und den Kenntnissen über
die Blasendynamik und -verteilung kann die tatsächliche Wirkung der Kavitation in
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den einzelnen technischen Anwendungen nicht direkt abgeleitet werden. Um die Wirkung der Kavitation zu optimieren, ist es darum notwendig, ihre effektive Wirkung im
jeweiligen technischen System messen zu können. Dazu wurden verschiedene dosimetrische Verfahren entwickelt. Für Anwendungen in der Sonochemie basieren die
chemischen Dosimetrieverfahren z.B. darauf, daß die durch die Kavitation bewirkten
Radikalkonzentrationen (insbesondere OH* und H*) gemessen werden. Allerdings ist
dabei zu beachten, daß die Bildung dieser Radikale nicht direkt korreliert werden kann
mit den darauf folgenden Radikalreaktionen der gelösten, organischen Substanzen
(Portenlänger, 1999).
Abhängig von den Parametern des Ultraschalls und der gelösten Substanzen bewirkt
die Kavitation in unterschiedlichem Maße radikalische oder mechanische Effekte. Auf
dieser Grundlage ist ein Dosimeter entwickelt worden, welches das Verhältnis der mechanischen zu den radikalischen Effekten angeben kann. Dieses Dosimeter mißt die
Änderung der Molmassenverteilung von Makromolekülen, die von der Kavitation zersetzt wurden, und kann daraufhin durch ein Simulationsprogramm Rückschlüsse auf
den mechanischen und radikalischen Anteil der Kavitationseffekte geben (Portenlänger, 1999).
Ferner gibt es Dosimeter, die den Energieanteil messen, der durch die Kavitation ins
Schallfeld eingetragen wird. In der Thermistorsonde (Martin und Law, 1980) sind zwei
Thermoelemente zusammengeschweißt, die einen durch Schallwechseldruck und der
Kavitation hervorgerufenen Temperaturanstieg im Schallfeld wahrnehmen können.
Daraus folgt, daß bei bekannter Druckverteilung des Schallfeldes der von der Thermistorsonde gemessene Energieeintrag das Maß für die Stärke der Kavitation wiedergibt.
Die Abmessungen der Thermistorsonde können dabei so klein gestaltet werde, daß sie
in kleine Hohlräume der zu reinigenden Objekte (wie z.B. Bauteile, medizinische Instrumente) passen und so zur Kontrolle der Reinigungswirkung dienen können (Reichl,
1999).
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3 WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN
3.1 Blasendynamik, Schockwellen und Sonolumineszenz
Dr. Ralf Günther (Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut, NMI)
Dr. Bruno Gompf (Universität Stuttgart)
Kavitation und Sonolumineszenz
Kavitationsblasen entstehen immer dann, wenn in einer Flüssigkeit der statische Druck
einen bestimmten Wert, die Kavitationsschwelle, unterschreitet, sei es in der Unterdruckphase eines Schallfeldes oder in Bereichen hoher Strömungsgeschwindigkeiten.
Erhöht sich der Druck wieder, kollabieren diese Hohlräume implosionsartig, wobei sie
eine Druckwelle aussenden und unter bestimmten Bedingungen auch Licht (Sonolumineszenz).
Ein wesentliches Problem aller älteren Untersuchungen zur Dynamik von Kavitationsblasen bestand darin, daß immer ganze Wolken von Blasen an statistisch in der Flüssigkeit verteilten Keimen entstehen. Dies machte vor allem den Vergleich mit Modellrechnungen schwierig, die sich fast immer auf die Untersuchung der Dynamik einzelner Blasen bezogen [1].
Neue Möglichkeiten der Untersuchung ergaben sich, als es Gaitan 1990 gelang, eine
einzige Luftblase im Druckbauch eines stehenden Schallfeldes einzufangen und dort
für Stunden stabil zum Leuchten anzuregen. Dieses Einzelblasen-Sonolumineszenz
(EBSL) genannte Phänomen ist ein ideales Modellsystem, an dem die Prozesse, die
während der Kavitationsoszillation ablaufen, erstmals an einer definierten Einzelblase
studiert werden können. Der experimentelle Aufbau hierfür ist relativ einfach. Ein
Glaskolben wird mit Piezokeramiken resonant in Schwingungen versetzt. Für einen
sphärischen Glaskolben mit 250 ml liegt die Grundmode bei etwa 20 kHz. Im Druckbauch in der Mitte des Kolbens kann dann eine einzelne Gasblase durch die “Bjerkneskräfte“ eingefangen werden.
19
Experimente am EBSL-System ergaben nun eine Fülle von erstaunlichen Eigenschaften: die Länge des emittierten Lichtpulses beträgt nur den Bruchteil einer Nanosekunde, das Spektrum ist im Gegensatz zur bekannten Form der Sonolumineszenz kontinuierlich. Die Intensität der Lichtemission variiert sehr stark mit der Temperatur der
Flüssigkeit und dem Gas in der Blase. Stabile Sonolumineszenz ist nur in Anwesenheit
von Edelgasen möglich.
Kaum eine dieser Eigenschaft konnte zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung befriedigend
erklärt werden, selbst der Grund für die Stabilität der EBSL-Blasen lag im Dunkeln.
Im Laufe der letzten Jahre ist es jedoch gelungen die Ursachen und Mechanismen
weitgehend zu verstehen.
Stabilität der Blasenoszillation
Die Stabilität der Blase bedeutet zum einen Formstabilität, d. h. die Erhaltung der
sphärischen Gestalt: dies ist notwendig, damit die Blase nicht durch zu starke Abweichungen von der Kugelform zerfällt und hängt von der Oberflächenspannung und damit von der Blasengröße ab. Zum andern bedeutet es Stabilität der Größe: d.h. über
einen Zyklus darf die Blase weder wachsen noch schrumpfen: dies hängt von der Diffusion von Gas durch die Blasenwand ab. Bei kleinen Blasen sorgt der Anteil der
Oberflächenspannung am Druck in der Blase dafür, daß die Gaskonzentration im Innern größer ist als im Außenraum der Blase, d.h. kleine Blasen lösen sich durch Diffusion auf. Größere Blasen sind ebenfalls diffusiv instabil: aufgrund der nichtlinearen
Oszillation ist der Radius der Blase während des Zyklus vereinfacht gesagt länger groß
als klein; dementsprechend diffundiert längere Zeit Gas aus statt in die Blase. Die Bilanz fällt aufgrund dieser Asymmetrie positiv aus, d.h. pro Zyklus gewinnt die Blase
etwas Gas durch Diffusion und wird daher durch diese "rektifizierte Diffusion" größer,
um schließlich aufgrund der vorher erwähnten Forminstabilität in kleinere Blasen zu
zerfallen. Da kleine Blasen schrumpfen, große wachsen, muß es also zwar einen
Gleichgewichtsradius (Ro) geben, indem der mittlere Radius sich mit der Zeit nicht
ändert; jede kleinste Abweichung von diesem Wert wird sich jedoch verstärken: das
Gleichgewicht ist instabil.
20
Untersucht man nun den Zusammenhang zwischen Diffusion und Blasenoszillation
genauer[2], so zeigt sich, daß bei sehr geringen Gaskonzentrationen in der Flüssigkeitd.h. weit unter der Sättigungskonzentration - ein stabiles Gleichgewicht entsteht: Der
Grund hierfür liegt in den Eigenschaften der nichtlinearen Oszillation der Blase und ist
vereinfacht darauf zurückzuführen, daß es einen Bereich der Gaskonzentration und des
Antriebsdrucks gibt in dem das Verhältnis von Maximalradius (Rmax) zu Ro als Funktion des Gleichgewichtsradius abnimmt. Falls jetzt die Bedingungen für das Gleichgewicht erfüllt sind, dann wird ein Anwachsen des Gleichgewichtsradius zum Absinken
von Rmax/Ro führen (und damit zu geringerem Gaseintritt in die Blase) ein Schrumpfen
von Ro dagegen zum Anwachsen dieses Verhältnisses und damit zu vermehrtem Gaseintritt. D.h. jede Abweichung vom Gleichgewichtswert wird sofort korrigiert und das
Gleichgewicht ist stabil.
Es zeigt sich, daß die Bedingung für die Stabilität immer dann erfüllt ist, wenn der
Gasgehalt des Wassers zwischen etwa 0,5 -3 mg O2 /l liegt, also deutlich unter der
Sättigungskonzentration. Das Wasser muß also entgast werden. Die Bedingung der
Fromstabilität ergibt eine obere Grenze für die Druckamplitude im Kolben. Oberhalb
eines Antriebsdrucks von etwa 1.5 bar verliert die Blase ihre sphärische Symmetrie
und wird beim Kollaps zerstört.
Theoretische Beschreibung der Blasendynamik
Die theoretische Modellierung der Blasendynamik bildet die Voraussetzung für die
Beschreibung aller beobachtbaren Eigenschaften der SBSL: nur wenn man die genauen
Eigenschaften der Schwingung versteht, kann man Aussagen über die Verhältnisse im
Innern und damit über die Lichtemission machen. Die Blasendynamik ergibt sich prinzipiell aus der Lösung der hydro- und thermodynamischen Erhaltungsgleichungen inner- und außerhalb der Blase, zusammen mit den kinematischen, dynamischen und
thermodynamischen Randbedingungen am Blasenrand.
Die Annahme sphärischer Symmetrie vereinfacht die Struktur der Gleichungen zwar
wesentlich, doch die Lösung dieses Problems erweist sich als recht schwierig, solange
nicht vereinfachende Annahmen möglich sind. Die Dynamik des Blasenrandes läßt
sich dann allerdings, etwa unter der Annahme, daß seine Geschwindigkeit viel kleiner
21
ist als die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit in sehr guter Näherung durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschreiben; diese sogenannten "Blasengleichungen" - z.B. Rayleigh-Plesset, (RP) - wurden teilweise schon im letzten Jahrhundert
hergeleitet. Für den größten Teil der Blasenoszillation reichen diese Modelle um den
experimentell beobachteten Verlauf der Radius-Zeit.-Kurve zu verstehen.
Charakterisierung der Blasendynamik durch Lichtstreuung
In der Unterdruckphase expandieren Kavitationsblasen langsam. In der darauf folgenden Überdruckphase des Schallfeldes kollabieren sie implosionsartig. Diese Veränderung des Blasenradius mit der Zeit läßt sich mit Lichtstreuung verfolgen. Bei diesen
Experimenten wird ein Laserstrahl auf die Blase fokussiert und das an der Blase gestreute Licht mit einem schnellen Photomultiplier detektiert. Die gestreute Lichtintensität hängt dabei in etwa quadratisch vom Blasenradius ab. Die so gewonnenen RadiusZeit-Kurven stimmen recht gut mit den z.B. aus der RP-Gleichung berechneten überein. Abb.3.1.1 zeigt einen solchen Vergleich zwischen Rechnung und Experiment. Für
den oben angegebenen Bereich stabiler Blasenoszillationen findet man Gleichgewichtsradien Ro um 5 µm und Maximalradien Rmax zwischen 30 µm und 70 µm. Beide
Werte hängen stark vom Antriebsdruck und dem Gasgehalt des Wassers ab. Mit steigendem Gasgehalt und steigendem Antriebsdruck nehmen Ro und Rmax zu.
Der Maximalradius hängt außerdem auch von der Temperatur des Wassers ab. Bei
niedrigeren Wassertemperaturen bleibt die Blase bis zu höheren Antriebsdrücken stabil
und erreicht damit auch größere Maximalradien. Aus den gemessenen Radius-ZeitKurven geht auch hervor, daß sowohl die Druckwelle als auch der Lichtblitz in einem
Zeitintervall von wenigen Nanosekunden um das Blasenminimums emittiert werden.
Leider reicht bei normalen Lichtstreuexperimenten die Zeitauflösung des Photomultipliers nicht aus, um diesen eigentlich interessanten Bereich aufzulösen. Über die Vorgänge während dieser Zeit können also einstweilen nur theoretische Modelle Aufschluß geben.
22
exper.
theory
Abb. 3.1.1: Radius-Zeit-Kurven der stabilen Blasenoszillationen mit Werten aus der
RP-Gleichung berechnet und Experiment im Vergleich.
Feldverteilungen im Innen- und Außenraum der Blase
Sobald man zu hohen Blasenrandgeschwindigkeiten kommt, treten bei der theoretischen Beschreibung eine Reihe von Erschwernissen auf. Die Zeitskala für den Durchgang des Radius durch das Minimum wird extrem klein, es treten extreme Drücke in
der Umgebung des Blasenrandes auf; die Dichte, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen im Innenraum der Blase weichen immer stärker von der einfachen Annahme der räumlichen Konstanz ab; die akustische Näherung, die der Herleitung der
Blasengleichungen zugrunde liegt verliert an Gültigkeit; schließlich treten derart hohe
Temperaturen und Drücke auf, daß die Zustandsgleichung des Fluids im Innen- und
Außenraum, sowie Materialparameter wie Wärmeleitfähigkeit und Viskosität, die zur
Beschreibung der Dynamik wichtig sind, nur noch abgeschätzt werden können.
So wundert es nicht, daß über die genauen Verhältnisse in der Blase, während der
Endphase des Kollaps bisher keine Einigkeit herrscht: einige Autoren [3] nehmen an,
23
daß unter der Berücksichtigung der Wärmediffusion und Viskosität, sowie durch die
starke adiabatische Aufheizung in der Kollapsphase, mit entsprechendem Anwachsen
der Schallgeschwindigkeit, die Inhomogenität der Dichte- und Temperaturverteilung
relativ gering bleibt. Die Tatsache, daß nur Edelgase in der Blase verbleiben ist dabei
von entscheidender Bedeutung. Die Temperatur erreicht etwa 50.000 Kelvin für einige
hundert Picosekunden.
Andere nehmen an [4], daß sich in der Blase eine Schockwelle bildet die vom Blasenrand zum Zentrum läuft; eine solche sphärische Implosion führt zu einer extremen
Energiefokussierung auf einen sehr kleinen Bereich, mit Temperaturen von mehreren
Millionen Kelvin (so hoch, daß bereits nach Produkten von Fusionsreaktionen in Deuterium-Blasen gesucht wurde - jedoch ohne Erfolg) und einen größeren Bereich von
etwa 50.000 Kelvin, der für die beobachtbare Emission verantwortlich ist. Diese Tatsache erklärt, warum die Ergebnisse bezüglich der Eigenschaften der Lichtemission unter
beiden Annahmen nicht zu unterscheiden sind.
Abgestrahlte Druckwelle
Normalerweise entstehen in Unterdruckbereichen immer ganze Wolken von Blasen mit
einer breiten Größenverteilung und jede Blase emittiert beim Kollaps eine Druckwelle.
Diese Druckwellen überlagern sich dann zum sogenannten Kavitationsrauschen. Alle
älteren Untersuchungen haben sich auf das von vielen Blasen emittierte Kavitationsrauschen in einem schmalen Frequenzband bis etwa 1 MHz konzentriert. Die Untersuchung der abgestrahlten Druckwelle einer einzelnen Kavitationsblase ist aber wichtig
für den Vergleich mit theoretischen Modellen. Die oben beschriebenen Resonatoren
der Einzelblasen-Sonolumineszenz erlauben es jetzt, auch die abgestrahlte Druckwelle
einer einzelnen gut definierten Kavitationsblase zu charakterisieren.
Die Ausbildung der Druckwelle läßt sich so verstehen: durch den extremen Druck, der
sich im Innern aufbaut, wird die Blase innerhalb sehr kurzer Zeit abgebremst. Dabei
treten extreme Werte der Beschleunigung auf; der Druck der sich in der Umgebung des
Blasenrands in der Flüssigkeit aufbaut, wird nach Durchlaufen des minimalen Radius
als Druckwelle nach außen abgestrahlt.
24
In dieser Phase des Blasenkollapses wird das Laserlicht nicht nur am Blasenrand gestreut, sondern auch am stark komprimierten Wasser in der Umgebung der Blase und
an der emittierten Stoßwelle. Dieser Vorgang kann mit einer Streakkamera mit hoher
zeitlicher und räumlicher Auflösung abgebildet werden. Dabei zeigt sich, daß in der
Anfangsphase die emittierte Stoßwelle sich stark nichtlinear ausbreitet: sie verliert
durch Wärmeleitungs- und Reibungsverluste zusätzlich zur rein geometrischen Dämpfung sehr schnell an Energie. Diese nichtlineare Ausbreitung erlaubt es im Prinzip, auf
den Druck am Blasenrand zurückzurechnen. Der damit einher gehende Energieverlust
führt zu einer starken Abnahme der Amplitude der Nachschwingungen, die für das
SBSL Regime der Blasenoszillation charakteristisch ist.
Das am 1.Physikalischen Institut der Universität Stuttgart entwickelte GlasfaserSondenhydrophon (FOPH) erwies sich als ideales Meßinstrument [5], zur Charakterisierung der abgestrahlten Druckwelle. Bei diesem Hydrophon wird das Licht einer 300
mW Laserdiode in eine 100 µm Stufenindex-Glasfaser eingekoppelt. Das am Faserende reflektierte Licht wird über einen 3dB-Koppler wieder ausgekoppelt und die Intensität mit einer Photodiode gemessen. Die reflektierte Intensität hängt vom Unterschied
der Brechungsindizes zwischen der Faser und dem umgebenden Wasser ab. Der Brechungsindex von Wasser wiederum ist duckabhängig. Eine über das Faserende laufende Druckwelle führt also zu einer entsprechenden Änderung der Lichtintensität an der
Photodiode. Neben seiner hohen räumlich und zeitlichen Auflösung, hat dieses Hydrophon den großen Vorteil, daß es sich leicht absolut kalibrieren läßt. Außerdem ist die
Systemantwort des Hydrophons mit Hilfe einer Schockwelle experimentell bestimmt
und mit Rechnungen der Beugung einer ebenen Druckwelle am Faserende verglichen
worden [6]. Die berechnete und gemessene Systemantwort stimmen sehr gut überein
und erlauben eine zuverlässige Entfaltung der Meßergebnisse.
Im Abstand von 2,5mm von der Blase beträgt die Druckamplitude etwa 4 bar, die
Halbwertsbreite etwa 11 ns [7]. Sowohl die Amplitude als auch die Halbwertsbreite
der emittierten Druckwelle hängen von den Parametern Antriebsdruck und Gaskonzentration ab. So steigt die Halbwertsbreite z.B. von etwa 10 ns bei 1mg O2/l auf über
25 ns bei 2,5 mg O2/l an. Die Halbwertsbreite und die Amplitude der Stoßwelle steigen
auch in etwa linear mit dem Antriebsdruck. Im Gegensatz zur Lichtemission sind sie
aber nahezu unabhängig von der Wassertemperatur, wenn die anderen Parameter konstant gehalten werden. Extrapoliert man die gemessenen Druckwerte unter Berück25
sichtigung nur des radialen Abfalls, kommt man auf Werte um 5.000 bar im Blasenminimum. Dies ist mit Sicherheit nur eine untere Abschätzung, da die Schockausbreitung
in der Anfangsphase stark nichtlinear ist, wie oben gezeigt wurde.
Die Resultate erlauben auch eine Energiebilanz der Kavitationsimplosion aufzustellen.
Dabei zeigt sich, daß nur etwa 0,1% der anfänglichen Blasenenergie in Licht und ungefähr 10% der Energie in die auslaufende Druckwelle gehen, der überwiegende Teil der
Energie beim Kollaps also dissipiert wird.
Theoretisch läßt der Druckpuls sich prinzipiell bereits durch die erwähnten Blasengleichungen beschreiben. Um den Energieverlust und damit das Verhältnis von maximaler
Blasenamplitude und Nachschwingamplitude allerdings in quantitative Übereinstimmung mit dem Experiment zu bringen, sind aufwendigere Modelle notwendig.
Emittiertes Licht
Im Gegensatz zur normalen Vielblasen-SL ist das Leuchten bei der Einzelblasen-SL
um Größenordnungen heller und das Emissionsspektrum zeigt keine einzelnen scharfen Linien. Der spektrale Verlauf, soweit er unterhalb der Absorptionsschwelle des
Wassers beobachtet werden kann, ähnelt dem eines schwarzen Körpers bei Temperaturen oberhalb 104 K. Das Licht wird in sehr kurzen Pulsen emittiert, jeweils genau ein
Lichtblitz in der Kollapsendphase. Weitere wichtige Resultate sind die starke Abhängigkeit der Lichtemission von der Wassertemperatur, sowie von der Art und Konzentration der im Wasser gelösten Gase [8,9]. Die intensivste SL erhält man bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt mit Edelgasen, insbesondere Xenon.
Wir hatten schon erwähnt, daß die Temperaturen im Innern der Blase für einige hundert Picosekunden mehrere zehntausend Kelvin betragen. Das ist zweifelsohne ausreichend um Lichtemission zu ermöglichen. Doch welche konkreten physikalischen Prozesse stehen dahinter, und wie ist der zeitliche Verlauf der Emission?
Im Rahmen des BMBF-Projektes “Sonolumineszenz: Mechanismen und mögliche
Anwendungen” wurde in den letzten Jahren am 1.Physikalischen Institut der Universität Stuttgart die Lichtemission bei der Einzelblasen-SL intensiv untersucht. So konnte
26
mit der Methode der zeitaufgelösten Einzelphotonenzählung die Pulsdauer in einem
weiten Parameterbereich bestimmt werden [10]. Die kürzesten SL-Pulse von etwa 60
ps beobachtet man mit dieser Methode bei sehr kleinen Gaskonzentrationen und einem
Antriebsdruck, bei dem die Blase gerade anfängt zu leuchten. Die längsten Pulse von
etwa 250 ps wurden an der oberen Stabilitätsgrenze sowohl des Antriebsdrucks als
auch der Gaskonzentration gemessen. Interessant ist auch, daß die Pulslänge im Bereich 300-650 nm nicht von der beobachteten Wellenlänge abhängt. Mit Hilfe einer
Streakkamera gelang es auch die SL-Pulse direkt zu messen [11].
Zur Deutung dieser Ergebnisse naheliegend, aufgrund des kontinuierlichen Spektrums
und seiner Form, ist die Annahme, daß es sich bei dem emittierten Licht um Gleichgewichtsstrahlung handelt. Die Ergebnisse oben schließen dies als physikalischen Mechanismus der Lichtemission aber weitgehendst aus, da man dann erwarten würde, daß
die Pulse im Roten deutlich länger sind als im Ultravioletten. Daneben zeigt sich, daß
die abgestrahlte Leistung sehr viel höher als beobachtet wäre. Außerdem demonstriert
eine genauere Analyse der Verhältnisse im Innern der Blase, daß die Absorption von
Photonen im relativ kleinen Volumen der Blase zu gering ist, um ein Gleichgewicht
zwischen Strahlung und Materie herzustellen. D.h. die Blase ist optisch dünn und verhält sich wie ein Volumenstrahler. Da die Temperatur so hoch ist, daß eine zumindest
geringe Ionisierung des Gases im Innern der Blase auftritt, können außerdem Emissionen der freien Elektronen, die im Feld der Ionen starker Beschleunigung unterworfen
sind erwartet werden. Tatsächlich lassen sich mit dieser Hypothese die wesentlichen
experimentellen Ergebnisse, wie Pulsform (s. Abb. 3.1.2), ihre Wellenlängenabhängigkeit und Abhängigkeit vom Antriebsdruck und die abgestrahlte Leistung, erklären.
Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß beim Verständnis der physikalischen Mechanismen und Prozesse, die für die Einzelblasensonolumineszenz verantwortlich sind,
in den Details zwar noch Fragen offen sind; insgesamt ergibt sich jedoch ein konsistentes Bild für die wesentlichen Vorgänge. Zudem können die meisten Eigenschaften
mit Modellen verstanden werden, die vergleichsweise einfach sind.
27
exper.
theory
Abb. 3.1.2: Vergleich der relativen Lichtemission aus Theorie und Experiment.
Literatur
[1] W.Lauterborn, J.Acoust.Soc.Am. 59 (1976) 283.
[2] M.P.Brenner, D. Lohse, D. Oxtoby, T.F. Dupont, PRL 78 (1996) 1158 .
[3] Vuong, V., Szeri, A. Phys. Fluids 8 (1996) 2354.
[4] Moss, W.C. et al, Science276 (1997) 1398.
[5] J.Staudenraus, W.Eisenmenger, Ultrasonics 31 (1993) 267.
[6] Z.Q.Wang, , P.Lauxmann, C.Wurster, M.Köhler, B.Gompf, W.Eisenmenger
J.Appl.Phys, 1999 in press.
[7] Z.Q.Wang, R.Pecha, B.Gompf, W.Eisenmenger Phys.Rev.E. 59 (1999) 1777.
[8] B.P.Barber, C.C.Wu, R.Löfstedt, P.H.Roberts, S.J.Putterman, Phys.Rev.Lett. 72
(1994) 1380.
[9] R.Hiller, K.Weninger, S.J.Putterman, B.P.Barber, Science 266 (1994) 248.
[10] B.Gompf, R.Günther, G.Nick, R.Pecha, W.Eisenmenger, Phys.Rev.Lett. 79
(1997) 1405.
[11] R.Pecha, B.Gompf, G.Nick, Z.Q.Wang, W.Eisenmenger Phys.Rev.Lett. 81 (1998)
717.
28
3.2 Mehrblasendynamik und Kavitationsfeldverteilung
Prof. Dr. Werner Lauterborn (Universität Göttingen)
Akustische Kavitation, gleich ob in einem Reinigungsbad oder mit einer eingetauchten
Sonotrode in einem sonochemischen Gefäß erzeugt, liefert stets eine Vielzahl kleiner
Blasen in der Form von Blasenwolken oder Kavitationsfeldern. Zusätzlich zu der bereits komplexen Dynamik einer einzelnen Blase mit Stoßwellenabstrahlung und Lichtaussendung kommen daher weitere Erscheinungen hinzu, die auf der Wechselwirkung
von Blasen beruhen. Die auffälligsten Erscheinungen sind dabei die Filamentbildung,
d.h. die Gruppierung der Blasen zu verzweigten, baumartigen Strukturen (Abb.3.2.1),
wie sie sehr oft in der Natur angetroffen werden (Dendriten, Wassererosionsstrukturen
an Berghängen, Lungenkanäle, Blitze), sowie die Flüssigkeitsstrahlbildung beim Kollaps durch Blasenwechselwirkung (Abb.3.2.2, s. auch Abschnitt 2.3). Die Erforschung
der Strukturbildungsmechanismen in Kavitationsfeldern, wichtig für die Optimierung
von Reinigungsbädern und sonochemischen Reaktoren, stieß bisher und stößt noch auf
große Schwierigkeiten, so daß erst wenige Ergebnisse vorliegen. Zunehmend wird es
aber möglich, dieses nichtlineare, dynamische System von hohem Komplexitätsgrad zu
modellieren und die Modellgleichungen zu lösen. Dies ist vor allem auf den Fortschritt
in der Numerik durch die immer schneller werdenden Rechner zurückzuführen, wobei
die Rechengeschwindigkeit zur Zeit gerade ausreicht, um bescheidene Ansätze auf ihre
Brauchbarkeit zu testen. Aber auch die Meßtechnik erreicht erst jetzt eine Stufe, die es
erlaubt, die extrem schnellen und auf mikroskopischer Skala ablaufenden Vorgänge
überhaupt erst zeitlich und räumlich aufzulösen.
Wie Abb. 3.2.1 zeigt, treten Kavitationsblasen nicht statistisch gleichverteilt in einer
Flüssigkeit auf, Reinigungswirkung und sonochemische Aktivität z.B. werden also
nicht räumlich homogen sein. Um die Strukturbildung in Kavitationsfeldern zu verstehen und sich damit die Möglichkeit zu eröffnen, sie im gewünschten Sinn beeinflussen
zu können, müssen zunächst die Wechselwirkungen zwischen Blasen und deren Auswirkungen auf die Blasendynamik, aber auch die Rückwirkungen auf das Schallfeld
untersucht werden.
29
Abb. 3.2.1: Filamentstruktur eines Kavitationsfeldes in einem zylindrischen Resonator,
in Achsenrichtung gesehen (Aufnahme: A. Billo).
Abb. 3.2.2: Hochgeschwindigkeitskinematografische Serie mit Flüssigkeitsstrahlbildung durch Blasenwechselwirkung. 58000 Bilder in der Sekunde, Bildgröße 3mm x
7mm.
30
Blasenwechselwirkung
Die Wechselwirkung von Blasen in einem Schallfeld wurde zuerst von Bjerknes [1]
beschrieben. Man unterscheidet zwei Arten von Bjerknes Kräften in einem stehenden
Schallfeld, die primäre und die sekundäre Bjerknes Kraft [2]. Die primäre Bjerkneskraft ist die Schallstrahlungskraft, die durch das (primäre) Schallfeld über den Gradienten des Schalldrucks ausgeübt wird (V1: Volumen der Blase mit einem Radius R1
<< λ, λ: Wellenlänge des Schalls):
FB1 = −V1∇p
(1)
Die sekundäre Bjerkneskraft läßt sich aus der primären berechnen als die Kraft, die das
Schallfeld einer schwingenden Blase auf eine zweite Blase mit dem Volumen V2 ausübt [3]:
FB2 = −
.
.
→
ρ
V
V
e
〈
〉
1 2
12
4πd 2
(2)
→
wobei d der Abstand der beiden Blasen ist und e12 der Einheitsvektor in Richtung der
Verbindungslinie der beiden Blasen von Blase 1 nach Blase 2, 〈.. 〉 bedeutet den Mit.
.
telwert über eine Schallschwingungsperiode. Man erkennt, daß sich bei sgn V1 = sgn V2 ,
d.h. gleichphasig schwingenden Blasen, eine anziehende Kraft ergibt, sonst eine abstoßende.
Damit sind Kräfte gegeben, die eine homogene Blasenverteilung in einem Schallfeld
durch Anziehung und Abstoßung zerstören werden. Wegen der Nichtlinearität der Blasenschwingung und den vielfältigen Resonanzen bis hin zu chaotischen Blasenschwingungen [4,5,6] können die anziehenden und abstoßenden Kräfte nur numerisch berechnet werden und ergeben komplexe Diagramme (siehe [3]), wobei bereits bei geringfügigen Änderungen der Blasengröße, der Schallfrequenz oder des Schallwechseldrucks wiederholte Umschläge von anziehender Kraft in eine abstoßende Kraft und
umgekehrt stattfinden können. Kann das Zwei-Blasen-Problem mit sphärischen Blasen
als teilweise gelöst angesehen werden (es ist sehr viel schwieriger als das ZweiKärper-Problem der Himmelsmechanik), so stehen Untersuchungen zum Drei-Blasen-
31
Problem noch aus. Sie werden ebenfalls sehr viel schwieriger sein als das entsprechende Drei-Körper-Problem der Himmelsmechanik.
Strukturbildung
Um dennoch ein Verständnis für die Strukturbildung der Blasen in Kavitationsfeldern
zu finden, wurden bisher einige spezielle Blasenanordnungen mit vielen Blasen (100150 Blasen) in Schallfeldern verschiedener Intensität berechnet [7]. Das Mehrblasenproblem kann numerisch auf die vielfache Anwendung des Zwei-Blasen-Problems zurückgeführt werden. Dazu müssen noch die Kräfte auf eine einzelne Blase bei der
translatorischen Bewegung durch die Flüssigkeit berücksichtigt werden, also die primäre Bjerkneskraft, die Massenkraft und die Widerstandskraft. Das ergibt größenordnungsmäßig 400 bis 600 nichtlineare Differentialgleichungen erster Ordnung mit teilweise sehr vielen Termen für die Wechselwirkung der jeweiligen Blase mit allen übrigen. Die Gleichungen finden sich in [7]. Um eine Vorstellung davon zu geben, was mit
einer älteren Workstation in vertretbarer Zeit (1 Tag) derzeit erreichbar ist, zeigt Abb.
3.2.3 zwei Rechnungen mit jeweils 150 Blasen der gleichen Größe (5 µm), in einem
Schallfeld der Frequenz 21.66 kHz.
Die beiden Beispiele zeigen zwei verschiedene Situationen mit anziehendem und abstoßendem [8,9] Zentrum. Durch die Nichtlinearität der Blasenschwingung wird bei
sehr hohen Schalldruckamplituden (≥ 1,7 bar) der Schalldruckbauch instabil, es müssen sich also dann andere Strukturen ergeben als bei niedrigeren Schalldruckamplituden. Dies zeigen sowohl Experiment als auch die erste einfache Theorie. Die Filamentstruktur löst sich dann weitgehend auf und das bisher dicht mit Blasen bevölkerte Zentrum wird blasenfrei. Aus diesem Grunde läßt sich auch die Heftigkeit des Kollapses
bei der Einzelblasen-Sonolumineszenz nicht beliebig steigern, da die Blase aus dem
Zentrum hohen Schalldrucks getrieben wird und dadurch einen niedrigeren Schalldruck “sieht“. Die Modellierung von Kavitationsfeldern steht erst am Anfang, wegen
der Bedeutung bei verschiedenen technischen Prozessen wäre eine schnellere Entwicklung auf diesem Gebiet wünschenswert.
32
Abb. 3.2.3: Zwei Beispiele für experimentelle (untere Reihe) und berechnete Kavitationsfelder (obere beiden Reihe) in einem würfelförmigen Behälter der Kantenlänge 6
cm.
33
Literatur
[1] Bjerknes, V.F.J., Fields of Force, Columbia University Press, New York 1906.
[2] Crum, L.A., Bjerknes forces on bubbles in a stationary sound field. J. Acoust. Soc.
Am. 57, (1975) 1363-1370.
[3] Mettin, R., I. Akhatov, U. Parlitz, C.D. Ohl und W. Lauterborn, Bjerknes forces
between small cavitation bubbles in a strong acoustic field. Phys. Rev. E {\bf
56}(1997) 2924-2931.
[4] Lauterborn,W., Numerical investigation of nonlinear oscillations of gas bubbles in
liquids. J. Acoust. Soc. Am. {\bf 59} (1976) 283-293.
[5] Parlitz, U., V. English, C. Scheffczyk und W. Lauterborn, Bifurcation structure of
bubble oscillators. J. Acoust. Soc. Am. {\bf 88} (1990) 1061-1077.
[6] Lauterborn, W. und R. Mettin, Nonlinear bubble dynamics: Response curves and
more. In: Sonochemistry and Sonoluminescence, hrsg. von L.A. Crum, T.J. Mason,
J.L. Reisse und K. Suslick (Kluwer Dordrecht 1999), S. 63-72.
[7] Mettin, R., C.D. Ohl und W. Lauterborn, Particle approach to structure formation in
acoustic cavitation. Siehe [6], l.c., S. 139-144.
[8] Matula, T.J., S. M. Cordy, R.A. Roy and L.A. Crum, Bjerknes force and bubble
levitation under single-bubble sonoluminescence conditions. J. Acoust. Soc. Am. {\bf
102} (1997) 1522-1527.
[9] Akhatov, I., R. Mettin, C.D. Ohl, U. Parlitz und W. Lauterborn, Bjerknes force
threshold for stable single bubble sonoluminescence. Phys. Rev. E {\bf 55} (1997)
3747-3750.
3.3 Jetbildung und Erosion
Prof. Dr. Werner Lauterborn (Universität Göttingen)
Wenn die Flüssigkeitsströmung in der Umgebung einer Blase behindert wird, z.B.
durch eine andere Blase oder eine feste Grenzfläche, kollabiert die Blase auf ganz charakteristische Weise unter Ausbildung eines Flüssigkeitsstrahls. Dabei stülpt sich eine
Seite der Blase ein und verformt sich zu einem dünnen Flüssigkeitsstrahl (Jet), der
durch die Blase hindurchschießt, von innen auf die gegenüberliegende Blasenwand
trifft und diese zu einem langen Stachel verformt (siehe Abbildung 3.2.2 des Ab34
schnitts 3.2). Typische Strahlgeschwindigkeiten liegen zwischen 50 m/s und 150 m/s.
Abbildung 3.3.1 zeigt eine Blase mit einem ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl. Die Blase
wurde in der Nähe einer festen Grenzfläche durch Fokussierung eines Laserpulses erzeugt und nach dem ersten Kollaps und dem Wiederanwachsen im Durchlicht fotografiert.
Abb. 3.3.1: Blase mit einem Flüssigkeitsstrahl von oben durch die Blase hindurch auf
eine feste Grenzfläche unterhalb des Bildes gerichtet. Er ist sichtbar im hellen zentralen Fleck, der sich durch die Durchlichtanordnung ergibt.
Kollabiert die Blase in größerer Nähe zu einer festen Grenzfläche, so erreicht der Jet
die Oberfläche und strömt radial auf der Oberfläche ab. Die Blase wird durch den Jet
zu einem Torus (wie ein Fahrradschlauch) verformt, kollabiert aber weiter, wobei auf
Grund der Instabilität des Torus mehrere Kollapszentren entstehen (Abb. 3.3.2). Sie
sind Ausgangspunkt von Stoßwellen und, wie man aus der mikroskopischen Aufnahme
(Abb. 3.3.3) erkennt, offenbar Ursache für die Schädigung der Oberfläche, denn der
Ring aus kleinen Löchern entspricht in seiner Größe sehr genau der Größe des Torus
bei Aussendung der Stoßwellen. Man erkennt weiterhin, daß der Jet, der in der Mitte
des Torus auf die Oberfläche getroffen ist, nur wenige Löcher hinterläßt. Sie sind viel
kleiner als der Jetdurchmesser, der die Größe des Torusloches hat. Eingehende neuere
Untersuchungen zum Kollaps von Blasen vor Grenzflächen findet man in [1 - 5]. Dort
wird gezeigt, daß die Form des Blasenkollapses und die Schädigung vor allem von
dem dimensionslosen Abstandsparameter γ = s/Rmax abhängt, wobei s der Abstand des
Blasenmittelpunkts von der Grenzfläche bei maximalem Blasenradius Rmax ist.
35
Abb. 3.3.2: Letztes Stadium des Kollapses einer Kavitationsblase auf einer festen
Grenzfläche, aufgenommen mit einer Million Bildern in der Sekunde. Aufsicht von
oben auf die Grenzfläche. Bildgröße 4,2 mm x 4,2 mm. Im mittleren Bild erkennt man
die Aussendung mehrerer Stoßwellen durch die instabil kollabierende Torusblase.
Wegen der Schnelligkeit des Kollapsvorganges kann der Zusammenhang zwischen der
Schädigung einer Oberfläche und der Blasendynamik nicht zeitaufgelöst verfolgt werden, sondern muß durch Vergleich der beobachteten Blasendynamik mit den anschließend beobachteten Schädigungen erschlossen werden. Zwei Ursachen kommen für die
Schädigung in Frage: der sog. Wasserhammerdruck beim Auftreffen des Jets auf die
Grenzfläche und der hohe Innendruck der Blase, wenn sie unmittelbar auf der Oberfläche kollabiert. Eventuell spielt auch die hohe Innentemperatur in der kollabierten Blase
eine Rolle.
Abb. 3.3.3: Schadensbild auf der Aluminiumoberfläche durch den Kollaps von 100
Blasen wie in Abb. 3.3.2.
36
Der Wasserhammerdruck pH beträgt beim Auftreffen eines Wasserzylinders (mit der
Stirnseite) auf eine feste Grenzfläche pH = ρ cv/2, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit, c
die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und v die Jetgeschwindigkeit bedeuten.
Das ergibt bei einer Jetgeschwindigkeit von v = 100 m/s einen Wasserhammerdruck
von etwa 75 MPa (750 bar). Dieser Druck wirkt aber nur kurze Zeit, bei einem
Durchmesser des Jets von etwa 100 µm etwa 30 ns. Danach wirkt der gewönliche
Staudruck ps = ρ v2/2 der Jetströung weiter, der wegen v << c erheblich niedriger liegt,
für v = 100 m/s bei ps = 5 MPa.
Der Blaseninnendruck einer kollabierten Blase kann bisher noch nicht genau gemessen
werden. Abschätzungen aus Hydrofonmessungen in einiger Entfernung von der Blase
zusammen mit der fotografischen Bestimmung der Blasengröße ergeben Kollapsdrükke pK von bis zu pK = 1000 MPa (10 000 bar). Diese Drücke übertreffen den Wasserhammerdruck des Jets erheblich. Wie in den Abbildungen 3.3.2 und 3.3.3 gezeigt, ergibt sich eine Korrelation zwischen Schadensmuster und Kollaps auf der Grenzfläche,
so daß als Schädigungsursache der hohe Blaseninnendruck angesehen werden muß.
Eine Korrelation zwischen Jet und Schädigungsmuster ergibt sich nur für γ < 0.7,
wenn die Blase bereits vor dem Kollaps auf der Wand aufsitzt. Dann erreicht der Jet
ungebremst die Oberfläche und hinterläßt einen Eindruck in der Oberfläche [5].
Die Blasendynamik legt folgendes Bild der Reinigungswirkung durch Kavitationsblasen nahe. Ähnlich wie man mit einem gewöhnlichen Hochdruckreiniger mit einem
scharfen Fluessigkeitsstrahl Schmutz von einer Oberfläche entfernen kann, geschieht
dies durch die vielen winzigen Flüssigkeitsstrahlen kollabierender Blasen in einem
Schallfeld. Die Flüssigkeitsströmung reißt Verschmutzungsteilchen und lockere Anlagerungen mit sich. Durch die radiale Strömung auf der Oberfläche ist die Reichweite
einer einzelnen Blase beachtlich. Beläßt man das zu reinigende Objekt aber zu lange
im Schallfeld, kann es zu Schädigungen kommen, da der wiederholte Angriff die
Oberfläche schwächt und aufrauht, insbesondere bei stark entgaster Flüssigkeit, wenn
die Blase bis auf sehr kleine Radien zusammenfallen kann. Da, wie in Abschnitt 2.2
festgestellt, die Blasenverteilung in der Flüssigkeit wegen der Bjerkneskräfte nicht
homogen gemacht werden kann, ist für eine gleichmäßige Reinigung entweder eine
Bewegung des zu reinigenden Objektes oder eine Schallfeldänderung durch Frequenzänderung oder Intensitätsänderung angebracht.
37
Neben der Reinigung von Oberflächen wird derzeit weltweit der Einsatz der Kavitation
zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung untersucht. Auch die Färbeindustrie
interessiert sich für die Kavitation, z. B. zur Färbung von Leder, da dies ein sehr zeitaufwendiger Vorgang ist. Bei Anwendung von Kavitation ergibt sich eine schnellere
und tiefer eindringende Färbung, die wahrscheinlich auf den Eintrag der Farbe durch
den Jet zurückzuführen ist.
Literatur
[1] Blake, J.R. und D.C. Gibson, Cavitation bubbles near boundaries. Ann. Rev. Fluid
Mech. {\bf 19} (1987) 99-123.
[2] Lauterborn, W. und H. Bolle, Experimental investigations of cavitation bubble
collapse in the neighbourhood of a solid boundary. J. Fluid Mech. {\bf 72} (1975) 391399.
[3] Tomita, Y. und A. Shima, Mechanisms of impulsive pressure generation and damage pit formation by bubble collapse. J. Fluid Mech. {\bf 169} (1986) 535-564.
[4] Vogel, A., W. Lauterborn und R. Timm, Optical and acoustic investigation of the
dynamics of laser-produced cavitation bubbles near a solid boundary. J. Fluid Mech.
{\bf 206} (1989) 229-338.
[5] Philipp, A. und W. Lauterborn, Cavitation erosion by single laser-produced
bubbles. J. Fluid Mech. {\bf 361} (1998) 75-116.
3.4 Kontrastverstärkung in der Ultraschalldiagnostik
Prof. Dr. Detlef Lohse (University of Twente, Niederlande)
Ultraschalldiagnostik hat als nichtinvasive, preiswerte und einfache Methode Eingang
in viele Bereiche der Medizin gefunden. Eine sehr wichtige Anwendung der Ultraschalldiagnostik ist die Doppler-Anemometrie, mit der Fließgeschwindigkeiten gemessen werden können. Typische Situationen, in denen das Dopplersignal für Standardmethoden jedoch zu schwach ist, sind:
38
• Geringe Volumina: Der Restblutfluß durch eine enge Stenose ist schwierig zu detektieren. Erythrozyten streuen den Ultraschall schlecht; ist ihre Konzentration zu
klein, kann das Dopplersignal keine Strömung mehr messen, selbst wenn die Fließgeschwindigkeit sehr hoch ist.
• Schalldämpfung: Falls das zu untersuchende Gefäß hinter anderen Organen oder
Gewebe verborgen ist, wird der rückgestreute Schall oft so sehr abgeschwächt, daß
er nicht mehr vom Hintergrundrauschen unterschieden werden kann.
• Geringe Fließgeschwindigkeit: Im Kapillarsystem und im Venensystem ist die
Fließgeschwindigkeit oft so gering, daß die Unterscheidung von der ebenfalls sehr
langsamen Gewebebewegung Schwierigkeiten macht.
Intravenös injizierte Lösungen von Mikroblasen verstärken in allen drei Fällen den
rückgestreuten Schall, so daß Ultraschall Doppler-Anemometrie wieder möglich wird
[1]. Ein Beispiel hierfür ist in Abbildung 3.4.1 gegeben. Neben der passiven Streuung
des Schalls an den Blasen spielt dabei die Schallanregung der Blasen zu einer aktiven
Schallemission eine entscheidende Rolle. Passives und aktives Signal werden zusammen durch den Transducer detektiert, wodurch Rückschlüsse auf zum Beispiel die
Fließgeschwindigkeit von Blut oder den Gefäßdurchmesser gewonnen werden können.
Ziel der Forschung in der Ultrachalldiagnostik ist die Optimierung dieses Verfahrens.
Die Parameter, die hierzu zur Verfügung stehen, sind dabei:
• die Frequenz und die Amplitude des eingestrahlten Schalls
• die Pulsdauer und -repetitionsfrequenz
• die Blasengröße
• und die Oberflächeneigenschaft der Blase
Viele Randbedingungen schränken jedoch den Bereich, in dem sich diese Parameter
bewegen, ein. Typische Werte sind:
• ƒ D = 1-5 MHz für die Frequenz des Schalls. Einerseits ermöglicht diese relativ hohe Frequenz eine gute Ortsauflösung von etwa 0.2-1 mm, andererseits sind noch
höhere Frequenzen nicht möglich, weil die Schallabsorption in Flüssigkeiten typischerweise ab 10 MHz massiv einsetzt. Typische Schallamplituden sind im Bereich
Pa = 1-10 bar.
• Die Pulsdauer ist typischerweise 1-10 Wellenlängen, die Pulsrepetitionsfrequenz im
kHz-Bereich.
39
• Die Blasen haben typischerweise einen Durchmesser von 1-10 µm. Zum einen liegt
hier die Resonanzfrequenz der Blasen (s.u.), zum anderen können Blasen dieser
Größe auch kleinere Kapillare einfach passieren; größere Blasen bedeuten ein Embolierisiko.
Abb. 3.4.1: Echokardiographischer TEE-Scan vor (links) und nach (rechts) Injektion
von LevovistR. Rechts ist der Thrombus sehr viel besser zu erkennen (Aus Ref. [12],
Seite 91).
Wie reagieren Blasen auf Ultraschall?
Durch Schall P(t) = Pa cos(2π ƒ D t) angetriebene Blasen ändern ihr Volumen periodisch: Ist der Schalldruck groß, werden sie zusammengedrückt, ist er klein, dehnen
sie sich aus. Diese Blasendynamik wird sehr gut durch die Rayleigh-Plesset-Gleichung
[2, 3] beschrieben, einer gewöhnlichen Differentialgleichung für den Blasenradius
R(t), die aus hydrodynamischen Grundgleichungen folgt. Neben Schallamplitude und
Frequenz gehen die Materialeigenschaften der Flüssigkeit (Oberflächenspannung ζ
Viskosität, Dichte ρ l, Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten) und des gelösten Gases
(Polytropenexponent κg und Zustandsgleichung) sowie der Außendruck (meistens P0 =
bar) ein.
40
Im linearen Fall (schwache Antriebsamplituden Pa << P0) geht die Rayleigh-PlessetGleichung in die Differentialgleichung eines getriebenen Oszillators über: Sei R0 der
Radius einer ungetriebenen Blase im Gleichgewicht und x(t) = R(t)/R0-1 die relative
(kleine) Auslenkung aus dem Gleichgewicht, dann gilt für diese kleine Amplitude:
..
.
x + 2γ x + 4π 2 f 02 x = P(t ) / ρ 0 R02
(1)
Hierbei wird die Dämpfungskonstante γ durch die Viskosität bestimmt und
f0 =
1
2π
3κ g P0
ρ0R
2
0
+
4ζ
ρ l R03
(2)
ist die Eigenfrequenz des Oszillators. Es ist nun ein großer Glücksfall, daß die Eigenfrequenz ƒ 0 der Mikroblasen mit einem Durchmesser von 1-5 µm genau in dem Bereich 1-5 MHz liegt, in dem die handelsüblichen Ultraschall-Geräte arbeiten. Mithin
schwingen die Mikroblasen für diese Antriebsfrequenzen am besten, oder, genauer
ausgedrückt, haben sie dort den größten Streuquerschnitt, der Größenordnungen höher
liegen kann als ihr geometrischer Querschnitt πR02 (siehe Abbildung 3.4.2).
Abb. 3.4.2: Streuquerschnitt von Gasblasen als Funktion der Frequenz für drei Blasenradien R0 = 1µm, 2µm und 6 µm (nach Ref. [13]).
41
Auch wenn sich die Grundidee der Ultraschallverstärkung schon in dieser linearen Näherung verstehen läßt, ist für ein quantitatives Verständnis die volle nichtlineare Rayleigh-Plesset-Gleichung nötig. Sie enthält einen Term, der die durch die Antriebsschwingung stimmulierte akustische Emission der Blase berücksichtigt. Dieser Term
wird für starken Antriebsdruck sogar dominant, d.h., die Blase emittiert aktiv Schall
[4].
Ultraschallkontrastmittel
In die Blutbahn injizierte Mikroblasen können im akustischen Feld zu größeren Blasen
clustern, was zu einer Embolie führen könnte. Um das zu vermeiden, werden Luftblasen injiziert, die mit einer dünnen Proteinschale überzogen sind, was ein Clustering
verhindert. Das erste dieser sogenannten Ultraschallkontrastmittel war AlbunexR (registrierter Handelsname der Firma Molecular Biosystems, San Diego, USA), das aus
dem menschlichen Protein Albumin besteht. Die Größenverteilung der AlbunexR ist in
Abbildung 3.4.3 wiedergegeben. Die etwa 20 nm dicke Albuminschicht an der GasFluid-Grenzfläche verändert das Schwingverhalten der Blase drastisch [5, 6]: Die Blase wird starr und emittiert mithin wenig Schall. Gerät die so präperierte Blase jedoch in
ein starkes Schallfeld, platzt die Hülle auf, und eine Luftblase wird freigesetzt, die das
Schallsignal genau am gewünschten Ort liefert. Die Schallamplitude ist dabei meist so
groß, daß die freigesetzen Luftblasen schnell forminstabil werden [7] und in noch kleinere Blasen zerfallen, die sich dann auflösen.
Inzwischen gibt es noch weitere Ultraschallkontrastmittel, teils noch im Erprobungsstadium, teils bereits im klinischen Gebrauch. Zwei sehr bekannte sind EchovistR
(SHU 454) und LevovistR (SHU 508A) der Firma Schering, Berlin, die beide aus
Galaktose bestehen. Im Vergleich zu AlbunexR ist bei LevovistR nun jedoch die Schale
sehr viel elastischer, so daß die Blase besser schwingen kann. LevovistR-Mikroblasen
sind zudem so stabil, daß sie physiologische Druckvariationen und die im Blutkreislauf
auftretenden Scherspannungen sehr gut überstehen; sie können im gesamten peripheren Kreislauf nachgewiesen werden.
42
Abb. 3.4.3: Blasengrößenverteilung von AlbumexR (nach Ref. [14], Seite 61).
Künftige Entwicklungen
Eine weitere Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Ultraschallkontrastmitteln wird sicher Ziel künftiger Forschungsanstrengungen sein. Andere aktuelle Forschungsrichtungen sind:
• “Harmonic Imaging“: Die Nichtlinearität der Rayleigh-Plesset-Gleichung ist der
Grund, daß nicht nur Schall mit der gleichen Freuquenz ƒ D von der Blase emittiert
wird, sondern daß auch höhere Harmonische mit ƒ = n ƒ D angeregt werden, wobei
n = 2, 3, 4, ... . Diesen Effekt für die klinische Ultraschalldiagnostik auszunutzen,
ist eine der aktuellen Forschungsrichtungen [7, 8, 9]. Der Vorteil liegt hierbei in einer potentiell noch größeren Trennschärfe von Signal und Hintergrund. Eine Komplikation besteht jedoch darin, daß die Intensität in den höheren Harmonischen sehr
sensitiv von den Parametern abhängt. Abbildung 3.4.4 (aus Ref. [7]) zeigt als Beispiel die theoretisch erwartete Intensität in der 2. Harmonischen als Funktion von
Blasengröße und Antriebsdruck für ƒ D = 3 MHz.
43
• Thermisches Risiko: Harmonische oberhalb von 10 MHz werden vom Fluid (i. A.
Blut) voll absorbiert und können daher nicht diagnostisch genutzt werden. Die in
diese Harmonische gestreute Energie führt zu einer lokalen (und in kleinen Volumina somit letztendlich auch zu einer globalen) Erwärmung des Fluids, ein Effekt,
der erst jüngst untersucht wurde [10].
• Nichtsphärische Blasen: Die Schwingungen und die Schallabstrahlung nichtsphärischer Blasen in starken akustischen Feldern ist z.Zt. noch völlig unerforschtes
Gebiet. Solche Blasen sind jedoch zumindest während des Knackens der AlbunexRHülle zu erwarten.
• Transducer Optimierung: Das bisherige Augenmerk galt im wesentlichen allein
der Blasendynamik und Ultraschallkontrastmitteln. Um eine optimale Trennschärfe
zu erreichen, wird es jedoch nötig sein, auch die Funktionen handelsüblicher
Transducer zu erweitern. Gedacht sei hier z.B. an die Möglichkeit, Signale verschiedener Amplituden und Frequenzen kurz hintereinander auszusenden, beispielsweise, um mit dem ersten Puls die AlbunexR-Blase zu zerstören und mit dem
zweiten Puls die Blase zu detektieren. Wichtig sind auch Meßmöglichkeiten bei
frequenzverschobenen Harmonischen, weil die nichtlinearen Effekte der RayleighPlesset-Dynamik zu einer teilweise beträchtlichen Frequenzverschiebung der Harmonischen führen [4].
• Lokale Applikationen von Wirkstoffen: Ultraschall und Mikroblasen werden seit
kurzem dazu genutzt, gezielt und von außen kontrolliert medizinische Wirkstoffe
zu verabreichen [11].
• Blasen-Blasen-Wechselwirkung: Die theoretische Behandlung geht zur Zeit von
einzelnen Blasen aus. Realitätsnäher ist es jedoch, die Blasen-BlasenWechselwirkungen mit zu berücksichtigen, auch das eine Aufgabe künftiger Untersuchungen.
44
Abb. 3.4.4: Absolute Intensität der 2. Harmonischen im Abstand von rN = 1 cm als
Funktion von Blasenradius R0 und Antriebsamplitude Pa (nach Ref. [7]). Man erkennt
eine sehr starke Abhängigkeit von beiden Parametern R0 und Pa. Auch spiegelt sich in
diesem Bild die Resonanzstruktur aus Abbildung 3.4.2 wider.
Zusammenfassung
Die Bedeutung der Ultraschalldiagnostik wird wegen ihrer Einfachheit, ihres nichtinvasiven Charakters, ihrer Akzeptanz beim Patienten und ihres geringen Preises zukünftig noch weiter steigen. Das Verfahren durch Entwicklung von Ultraschallkonstrastmitteln, angepaßter Transducer und eines Verständnisses der Blasendynamik
weiter zu optimieren wird Aufgabe künftiger Forschung sein.
Literatur
[1] See the articles in Advances in echo imaging using contrast enhancement, edited by
Nanda, N. C. and Schlief, R., 1993, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
[2] Brennen, C. E., Cavitation and Bubble Dynamics, 1995, Oxford University Press,
Oxford.
[3] Leighton, T. G., 1996, The acoustic bubble, Academic Press, London.
[4] Hilgenfeldt, S., Lohse, D. und Zomack, M., 1998, Eur. Phys. J. B 4, 247.
[5] de Jong, N. und Hoff, L, 1994, Ultrasonics 31, 175.
45
[6] Frinking, P. J. A. und de Jong, N., 1998, Ultrasound in Med. and Bio. 24, 523.
[7] Grossmann, S., Hilgenfeldt, S., Lohse, D. und Zomack, M., 1997, J. Acoust. Soc.
Am. 102, 1223.
[8] de Jong, N., Cornet, R. und Lancee, C. T., 1994, Ultrasonics 32, 447.
[9] de Jong, N., Cornet, R. und Lancee, C. T., 1994, Ultrasonics 32, 455.
[10] Hilgenfeldt, S., Lohse, D und Zomack, M., 1999, J. Acoust. Soc. Am., submitted
[11] Frinking, P. J. A. et al., 1998, Ultrasonics 36, 709.
[12] Schlief, R., Schürmann, R., Balzer, T., Zomack, M. und Niendorf, H.-P., 1993,
Advances in echo imaging using contrast enhancement, edited by Nanda, N. C. und
Schlief, R., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 71.
[13] de.Jong, N. et al., 1991, Ultrasonics 29, 324.
[14] Wiencek, J. G. und Feinstein, S. B., 1993, Advances in echo imaging using contrast enhancement, edited by Nanda, N. C. und Schlief, R, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 57.
3.5 Sonochemische Verfahrenstechnik
Dr. Dietmar Peters (Universität Rostock)
Grundlage der chemischen Wirkungen von Ultraschall in Flüssigkeiten ist das bereits
beschriebene Phänomen der Ultraschallkavitation. Die physikalischen Effekte im Innern, am Rande und in der Nähe der kollabierenden Kavitationsblase bewirken im wesentlichen zwei Gruppen von chemischen Effekten: radikalische und mechanische Effekte. Neben diesen Effekten seien weitere Ultraschalleffekte hier nur summarisch genannt: Erwärmung der Flüssigkeit (Absorption der akustischen Energie unter Bildung
von Wärme), Emission von Schall, der insbesondere bei 20 kHz im hörbaren Frequenzbereich liegt (Kavitationsrauschen), Emission von Licht (Sonoluminescence, vgl.
Kapitel 3.1). Es sei allerdings darauf hingewiesen, daß es auch Anwendungen von Ultraschall gibt, die nicht auf der Kavitation beruhen, sondern die direkte Effekte des
Schalls selbst benutzen (z.B. Atomisierung, Agglomeration von Partikeln in Gasen,
Trocknung, Hyperthermie).
46
Radikalische Effekte
Eine Kavitationsblase nimmt im Verlauf ihrer Entstehung und ihres Wachstums Energie auf. Wenn die Blase ihren Resonanzradius erreicht (ca. 168 mm bei 20 kHz und
luftgefüllten Blasen), erfolgt in Bruchteilen der Schwingungsperiode eine besonders
große Energieaufnahme, die Blase wächst besonders stark und kollabiert dann. Bei 20
kHz beträgt die Schwingungsperiode ca. 50 ms, wobei der Kollaps nur einen Bruchteil
dieser Zeit dauert. Der extrem schnelle Kollaps der Kavitationsblase führt zur Kompression des Dampfes oder Gases im Inneren der Blase. Bei 20 kHz schrumpft die Blase dabei auf einen sogenannten hot spot mit einem Radius von unter 1 mm und einer
heißen Flüßigkeitshülle von ca. 200 nm. Diese Kompression führt zu einem dramatischen Druck- und Temperaturanstieg im Blaseninneren, da nur ein Teil der freiwerdenden Wärme abgeleitet werden kann. Die in die Flüssigkeit eingestrahlte akustische
Energie wird durch das Kavitationsereignis und den Blasenkollaps um den Faktor 106
konzentriert. Unter der Annahme, daß der Kollaps adiabatisch verläuft, ergibt sich die
erreichte Temperatur Tmax am Ende des Kollapses aus dem Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases cp/cv und dem Blasenvolumen V nach der Beziehung:
cp
−1
 Vo  cv
T max = To ⋅ 

 Vmax 
Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß die maximal erreichbare Temperatur mit zunehmender Frequenz abnehmen sollte, da die Blasengröße mit steigender Frequenz
sinkt. Das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist jedoch nicht allein ausschlaggebend, sondern es spielen noch weitere Faktoren eine Rolle. So ist die Temperatur im Blaseninneren nicht an jeder Stelle gleich, sondern es existiert ein Temperaturgradient. Je geringer die Wärmeleitfähigkeit des Gases im Blaseninneren ist, desto
größer ist die erreichte Temperatur. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, daß der
Blasenkollaps nur für hohe Frequenzen (oberhalb von ca. 300 kHz) als adiabatisch anzusehen ist. Bei niederen Frequenzen wird der Temperaturanstieg auf Grund der längeren Kollapsdauer vermindert, d.h. der Kollaps verläuft über einer längere Zeit isotherm. Mit steigender Frequenz sollte diese Tendenz abnehmen, da die Blasen zunehmend kleiner werden und damit der Kollaps schneller erfolgt. Bis zu einer Frequenz
von ca. 300 kHz sollte die maximale Temperatur, die im Blaseninneren erreicht wird
zunehmen. Die Folge dieser Effekte ist, daß im Bereich von 300 kHz die Temperatur
im Blaseninneren ein Maximum erreicht und somit auch die Radikalbildung.
47
Mechanische Effekte
Der Kollaps hat aber nicht nur im Inneren der Blase dramatische Effekte, sondern auch
im Umfeld der kollabierenden Blase. Der Kollaps führt zur Entstehung von Schockwellen, die konzentrisch nach außen laufen und deren Druckstoß einige tausend bar
erreichen kann (vgl. Kapitel 3.1.). Erfolgt der Kollaps nicht frei in der Flüssigkeit,
sondern in der Nähe einer Grenzfläche, so erfolgt der Kollaps nicht symmetrisch. In
Folge des gestörten Kollapses wird die Blase deformiert und es kann zur Ausbildung
eines Flüssigkeitsjets kommen (vgl. Kapitel 3.3.). Darüber hinaus bewirkt der Kollaps
einen verstärkten Flüssigkeitsfluß (microstreaming) in der Nähe der Blase. Schockwellen und microstreaming können einen starken Scherstreß in der Flüssigkeit verursachen.
Die Abnahme der Blasengröße mit zunehmender Frequenz führt dazu, daß die Dauer
des Kollapses abnimmt. Dies führt dazu, daß die mechanischen Wirkungen durch den
Kollaps geringer werden, da er auf Grund der kürzeren Dauer an Heftigkeit abnimmt.
Deshalb findet man starke mechanische Wirkungen im Frequenzbereich von 20-60
kHz. Oberhalb von 100 kHz nehmen sie vergleichsweise stark ab.
Radikalische und mechanische chemische Wirkungen
Eine sonochemische Reaktionsführung kann die folgenden Vorteile bieten: Verringerung der Reaktionszeit und/oder Erhöhung der Ausbeute, Anwendung milderer Reaktionsbedingungen (z.B. Raumtemperatur, niedrigsiedende Lösungsmittel, Umsetzung
thermolabiler Reaktanten), kürzere Induktionszeiten, verbesserte Selektivität, Zugang
zu ungewöhnlichen Produkten oder interessanten Materialien. Diese Vorteile beruhen
auf den chemischen Wirkungen des Ultraschalls. Wenn man die Kavitationsblase aus
chemischer Sicht als Mikroreaktor betrachtet, so kann man die in der nachfolgenden
Tabelle aufgeführten Reaktionszentren in und an der kollabierenden Blase definieren.
Dabei sind die chemischen Wirkungen in Bezug auf radikalische und mechanische Effekte in homogenen und heterogenen Reaktionen unterschiedlich.
48
Homogene Reaktionen
• ionische Reaktionsschritte werden nicht durch Ultraschall beeinflußt, sondern nur
solche über Radikale oder Radikalionen
• die primäre Radikalbildung durch Ultraschall ist gering (meist in der Größenordnung von ~10-4-10-5 mol/min)
• sonolytisch gebildete Radikale sind in der Grenzschicht um die Kavitationsblase
konzentriert
• Aktivierung durch Ultraschall ist nur dann synthetisch interessant, wenn eine Startreaktion für eine Radikalkette ausgelöst wird bzw. nur ein geringe Radikalzahl im
Verhältnis zum Molekül nötig ist (z.B. radikalischer Kettenbruch bei Makromolekülen)
• sekundäre Radikalreaktionen sind nicht oder nur wenig beeinflußt
• bei 20 kHz - 100 kHz: - starke mechanische Effekte
• bei 200 - 1000 kHz:
nur geringe Radikalbildung
- vermehrte Radikalbildung
-
Maximum der Radikalbildung im Bereich von 300-600
kHz
-
nur geringe mechanische Wirkungen
Heterogene Reaktionen
Man unterscheidet hier zwischen flüssig/fest und flüssig/flüssig Systemen. Heterogene
chemische Reaktionen unter Beteiligung von Feststoffen, Metallen oder festen Oberflächen (katalytisch oder nichtkatalytisch) sind im allgemeinen aus verschiedenen
Gründen problematisch:
• geringe Oberfläche
• Oxidschichten oder Verunreinigungen bedecken die Oberfläche
• Reaktanten können nicht in tiefere Schichten eindringen
• Reaktanten/Produkt müssen zur und von der Oberfläche diffundieren
• Reaktionsprodukte können sich auf der Oberfläche absetzen und so die Weiterreaktion verhindern
Flüssig-Flüssig Reaktionen mit den Reaktanten in verschiedenen Phasen sind generell
durch einen geringen Stoff- und Wärmeaustausch gekennzeichnet. Eine Intensivierung
erfolgt durch intensives Rühren oder Anwendung von Phasentransferkatalysatoren.
49
Die Anwendung von Ultraschall und hier insbesondere dessen mechanische Effekte
können diese Probleme heterogener Reaktionen überwinden helfen:
Effekte auf Feststoffoberflächen
• plastische Verformung weicher Feststoffe/Metalle, Aufbrechen harter Oxidschichten auf weichen Metallen
• Ablösen der Oxidschichten auf harten Metallen
• Erosion und Aufbrechen der Oberflächenstruktur (Oberflächenvergrößerung, tieferes Eindringen von Reaktanten), Permeabilisation von Membranen
• Entfernen von Oberflächenverunreinigungen, Ablösen einer Produktschicht
• Verringerung der Induktionsperiode
Transport von und zu Feststoffoberflächen
• verbesserter Masse- und Wärmetransfer
• schnellerer Abtransport von Produkten, kontinuierlicher Antransport von Edukten
Effekte auf Partikelansammlungen
• Partikelgröße > Blasengröße: Verringerung der Partikelgröße und Dispersion der
zerkleinerten Partikel
• Partikelgröße < Blasengröße: Beschleunigung kleiner Partikel und Verschmelzen
beim Zusammenstoß
Effekte auf flüssig/flüssig Grenzflächen
• Intensives Homogenisieren und Emulsionsbildung (micromxing)
• verbesserter Masse- und Wärmetransfer zwischen den Phasen
Ein wichtiges Kriterium der chemischen Wirkung von Ultraschall ist die sonochemischen Ausbeute. Man kann folgende Gruppen definieren: die energetische Ausbeute
als Quotient aus der Menge des gebildeten Produkts und der eingesetzten Energie, die
stoffliche Ausbeute als Quotient aus der Menge an real gebildetem Produkt und der
theoretisch möglichen Produktmenge sowie den sonochemischen Effekt als Quotient
aus der konventionellen stofflichen Ausbeute (meist unter Rühren) und der sonochemischen stofflichen Ausbeute. Jede Gruppe ist für eine wirtschaftliche Bewertung eines
sonochemischen Prozesses von Bedeutung.
50
Rektionszentrum
sehr heiße Gasphase
im Blaseninneren
Chemische Effekte
Radikaleffekte
• Hochtemperaturpyrolyse leichtflüchtiger Substanzen
oder des Flüssigkeitsdampfes
• Sonolyse von Molekülen unter Radikalbildung
• Radikalreaktionen
Flüssigkeitsschale
um die Blase
Radikaleffekte
• Druck- und Temperaturgradient, Diffusion von Radikalen in die Flüssigkeitsschale
• Radikalreaktionen mit wenigflüchtigen Substanzen
• radikalischer Abbau von Makromolekülen
umgebende
Radikalreaktionen
Flüssigkeit
Auslösen von Radikalketten
Reaktion von gelösten Reaktanten mit im Blaseninneren gebildeten Molekülen
Mechanische Effekte
Intensive Vermischung von Reaktanten (micromixing)
Bildung von Emulsionen nicht-mischbarer Flüssigkeiten
Erosion und Reinigung von Feststoffoberflächen
Entfernen von abgelagerten Produktschichten
Oberflächenvergrößerung, Verringerung der Partikelgröße
mechanischer Abbau von Makromolekülen
Verringerung von Diffusionsschichten
beschleunigter Wärme- und Partikeltransport
Störung der Solvatationsschicht von gelösten Molekülen
Tabelle 2.5.1: Chemische Reaktionszentren einer kollabierenden Kavitationsblase
51
In Bezug auf ein scale-up sind Laborresultate eine Entscheidungsgrundlage, aber es
gilt folgendes zu beachten. Die Bestimmung des sonochemischen Effekts hängt von
der nicht-sonochemischen (meist gerührten) Referenzreaktion ab. Die Mixerleistung P
kann als Produkt von Pumpkapazität Q (makroskopische Umwälzung der Flüssigkeit,
in [kg/s]) und dem Gradient der Fluidgeschwindigkeit H (Maß für den Scherstreß, in
[J/kg]) angesehen werden: P = Q
•
H . Im Labor Maßstab werden meist Q-Rührer
(Magnetrührer) verwendet und seltener H-Rührer (UltraTurrax-Rührer, Propellerrührer). Bei Reaktion in homogen Lösungen findet man kaum Unterschiede zwischen Qund H- Rührern, aber bei heterogen Reaktionen sind H-Rührer effektiver, da sie
Scherkräfte erzeugen. Dies bedeutet man muß sicherstellen, daß man auch effektiv
gerührt hat. Dies mag trivial klingen, aber in der bisher veröffentlichten wissenschaftlichen Literatur kann man nicht immer sicher sein, daß dies so war.
Einkopplung von Ultraschall, Sonoreaktoren
Ultraschallsender sind schwingungsfähige Systeme, die mechanische oder elektrische
Energie in hochfrequente Schallwellen umwandeln. Es werden überwiegend drei verschiedene Klassen von Ultraschallsendern verwendet: Gasgetriebene, flüssigkeitsgetriebene oder elektromechanisch getriebene Sender. Technische Verfahren nutzen
meist magnetorestiktive oder am häufigsten piezoelektrische Wandler. Im ersten Fall
wird der Effekt genutzt, daß einige Stoffe bei Längenänderung ihre magnetischen Eigenschaften ändern. Dem Vorteil magnetorestiktiver Wandler - ihrer mechanische Robustheit - steht ein schlechter Wirkungsgrad als Nachteil gegenüber. Piezoelektrische
Materialien (Kristalle und Keramiken) unterliegen im elektrischen Feld Deformationen, es werden also elektrische in mechanische Schwingungen umgewandelt. Die
Umwandlung ist dabei sehr effektiv und piezoelektrische Wandler besitzen deshalb
gute Wirkungsgrade. Sie sind allerdings mechanisch weniger stabil.
Zur Einleitung in die Flüssigkeit werden die Wandler mit mitschwingenden Massen
ausgestattet. Wandler bei chemischen Anwendungen haben entweder die Form eines
Zylinders mit Schwingungsrichtung in der Längsachse, die in das betreffende Medium
eingetaucht werden oder sie werden an Behälterwände angekoppelt, z.B. als schwingende kreisförmige Platte am Boden oder den Wänden eines sonochemischen Reaktors. Die Verbindung eines schwingenden Systems mit Wandungen ist problematisch,
52
da ein Luftspalt infolge Unebenheiten bereits zu extremen Verlusten in der Energieübertragung führen würde. Aus diesem Grunde wird der Wandler meist angeklebt, fest
verschraubt oder dicht geschweißt. Das Schallfeld im Reaktor ist jedoch extrem von
der Geometrie abhängig, so daß eine gute Berechnung und Anpassung der Behältergeometrie erforderlich ist (vgl. Kapitel 3.6).
Hochfrequenter Ultraschall wird meist über die beschriebene Bauart Wandler / mitschwingende Masse / Kopplung mit der Wandung in die Flüssigkeit eingeleitet. Dabei
treten meist nur geringe Probleme auf, da die Energiedichten meist verhältnismäßig
gering sind (< 10 W/cm2). Besonders kritisch ist aber die Einkopplung von niedrigfrequenten Ultraschall (20 kHz) hoher Energiedichte (bis zu 1000 W/cm2), da die Amplitude des Wandlers durch seine mechanischen Eigenschaften begrenzt ist. Eine Erhöhung der Amplitude erreicht man hier durch Ankopplung eines Resonators (Sonotrode, Stufenhorn, Kegelhorn usw.) an den Wandler. Moderne Sonotroden sind
meist mit einer automatischen Konstanthaltung der Amplitude ausgerüstet. Dabei wird
bei Veränderungen im Reaktionssystem automatisch die Energieaufnahme nachgeregelt. Deshalb ist auch die Leistungsanzeige an solchen Systemen kein Maß für die in
die Flüssigkeit abgestrahlte Energie, sondern nur ein Maß für die Leistung, die nötig ist
um die Amplitude konstant zu halten. Ist man an der Leistung im Reaktionssystem interessiert, so ist nur eine indirekte kalorimetrische Messung (bei aller Problematik solcher Messungen, insbesondere bei Sonotroden hoher Energiedichte) möglich bzw. man
mißt direkt den akustischen Druck (z.B. mittels eines Hydrophones). Es gibt aber neben geometrischen Maßnahmen noch weitere Methoden zur Erhöhung der Amplitude
in der Flüssigkeit: Fokussierung des Schalls, Inerferenzeffekte durch geeignete Positionierung mehrerer Wandler, Erzeugung von stehenden Wellen (lokale hohe Maxima,
aber auch Auslöschungszonen).
Je nach Anwendungszweck gibt es verschiedene Formen von Reaktoren, nämlich diskontinuierliche Reaktoren, bei denen zumeist der (die) Sender am Boden oder den
Wänden des Reaktionsgefäßes angebracht ist (sind) oder kontinuierliche Reaktoren,
die entweder als Durchfluß- oder Kreislaufreaktor betrieben werden Im ersten Fall
wird das Reaktionsmedium an dem(n) betreffenden Sender(n) einmalig vorbei geleitet
und im zweiten Fall ist der eigentliche Sonoreaktor mit einem konventionellen Reaktor
verbunden. Dies erlaubt die mehrmalige Kreislauffahrweise, die Kopplung verschiedener Module oder gestattet Vor- oder Nachreaktionen im angeschlossenem Reaktor.
53
Diskontinuierliche Reaktoren (speziell konstruiert oder nachgerüstete Rührkessel, Reinigungsbäder) eignen sich für Homogenisierungen sowie Reaktionen und Prozesse, die
nur eine geringe oder mittlere Energiedichte verlangen bzw. erfordern (z.B. Reinigung
von Teilen ohne deren Beschädigung). Für heterogen Reaktionen müssen solche Reaktoren modifiziert werden um die Feststoffe in der Kavitationszone zu halten.
Bei Verwendung hoher Ultraschallfrequenzen werden zumeist Durchflußreaktoren
(allein oder in Reihe mehrerer Module) verwendet, da die Eindringtiefe der Schallwellen mit steigender Frequenz stark abnimmt. Eine häufig verwendete Bauweise ist
hierbei die Anordnung von mehreren Wandlern in einem kleinen Volumenbereich des
Flüssigkeitsstromes. Diese Anordnung gewährt eine wirkungsvolle Erhöhung der
Schallenergiedichte im bestrahlten Bereich. Allerdings setzen Durchflußreaktoren Prozesse voraus, die nur eine geringe Verweilzeit in der kavitationszone erfordern. Ist eine
höhere Energiedichte bei niederen Frequenzen im Medium nötig können mehreren Sonotroden in Reihe oder als trilaterale Anordnung geschaltet werden.
Ein praktisches Problem ist das Auftreten von Erosionserscheinungen am Material des
Ultraschallschwingers bzw. Ultraschallhorns. Diese Materialerosion tritt insbesondere
bei niederen Frequenzen (20 kHz) und/oder hoher Intensität auf. Dies führt zu einer
Verringerung der Standzeit. Darüber hinaus kann das Auftreten von Metallpartikeln
des Horns zu Problemen bei der Prozeßführung oder der Produktreinheit führen. Ein
Ausweg ist die Einkopplung des Ultraschalls über ein Kopplungsmedium. Allerdings
führt dies zu Verlusten und damit einer Reduzierung der im Medium zur Verfügung
stehenden Energiedichte. Eine weitere Methode wären die schon erwähnten Methoden
der Amplitudenerhöhung (Fokussierung etc.).
3.6 Modellierung von Schallfeldern in Kavitationsblasenfeldern
Prof. Dr. Frerich J. Keil (Technische Universität Hamburg-Harburg)
Ultraschall wird seit mehr als fünfzig Jahren in der chemischen Synthese angewandt.
Obwohl sehr viel Arbeit in die Untersuchung der chemischen Effekte des Ultraschalls
investiert wurde und die Sonochemie in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, wurden nur wenige Arbeiten in Richtung des Designs und der
Maßstabsvergrößerung von Sonoreaktoren vorgenommen. Sonochemische Effekte sind
54
an das Auftreten von Kavitation gebunden. Ultraschall breitet sich durch ein Zweiphasenmedium aus Flüssigkeit und Kavitationsblasen aus, die durch eine Folge von Kompressions- und Verdünnungswellen entstehen. Kavitationsblasen entstehen nur, wenn
der lokale Energieeintrag eine bestimmte Schwelle überschreitet. Sehr kleine Kavitationsblasen werden schnell wieder in der Flüssigkeit gelöst, dagegen haben große Blasen
eine lange Lebensdauer. Sie oszillieren radial mit der Schallwelle und verursachen keine sonochemischen Effekte. Diese ergeben sich nur aus mittelgroßen Blasen, die während einiger akustischer Wellen existieren und langsam wachsen, bis sie kollabieren.
Der Kollaps führt lokal zu Drücken von einigen tausend bar und Temperaturen von
etwa 5000 K.
Das Design sonochemischer Reaktoren mit homogener Phase läßt sich in zwei Teilaufgaben zerlegen:
• Es ist eine Beziehung zwischen Ausbeute, Selektivität und Kavitation herzustellen.
• Der elektronische Mechanismus sonochemischer Reaktionen ist zu erklären.
Der zweite Punkt liefert eine Erklärung der chemischen Vorgänge bei der Kavitation
und steckt noch völlig in den Anfängen. Aufklärung können nur quantenchemische
Rechnungen und spektroskopische Untersuchungen ergeben. Der Autor hat sich zunächst mit einem Mitarbeiter mit dem ersten Problem befaßt. Da sonochemische Reaktionen an das Auftreten von Kavitationsblasen gebunden ist, steigt der Umsatz einer
Reaktion mit der Zahl der Kavitationsereignisse im Reaktionsvolumen. Es führen jedoch nicht alle Kavitationsereignisse zu sonochemischen Reaktionen. Kennt man die
Schallwellenamplituden und die Energiedichteverteilung im Reaktionsvolumen, so
kann man zwischen verschiedenen Reaktorgeometrien Vergleiche hinsichtlich der
Häufigkeit der Kavitationsereignisse anstellen. Parameter sind im wesentlichen die
Frequenz und Amplitude des Schallanregers sowie die Geometrie des Reaktors. Ausbeuten sonochemischer Reaktionen lassen sich nur vergleichen, wenn die oben angegebenen Parameter übereinstimmen. Dies wurde häufig nicht beachtet. Vor allem ist
auch der tatsächlich in das Reaktionsvolumen eingebrachte Energieeintrag heranzuziehen.
Es wurde zunächst ein Algorithmus zur Berechnung dreidimensionaler Schallfelder in
inhomogenen Medien mit beliebigen Randbedingungen entwickelt, mit dem sich die
55
Energiedichteverteilung im Reaktorvolumen errechnen läßt. Man erkennt daraus den
Volumenanteil des Gesamtreaktorvolumens, in dem die Energiedichte einen bestimmten Wert überschreitet.
Damit kann auch der Volumenanteil errechnet werden, in dem Kavitation auftreten
kann, sofern man die Kavitationsschranke kennt. Die Kavitationsschranke ist die Mindestenergiedichte, bei der Kavitation auftreten kann. Mit Hilfe der Berechnungen können verschiedene Reaktoren bzgl. ihrer Kavitationsvolumina verglichen werden.
Der Ausgangspunkt der Modellierung ist die dreidimensionale homogene Wellengleichung
1 ∂ 2 p(r, t )
∆p(r, t ) = 2
cliq ∂t 2
(1)
Dabei ist p(r,t) der Druck als Funktion des Ortes r und der Zeit t, cliq die Schallgeschwindigkeit in einer homogenen einphasigen Flüssigkeit. Diese Gleichung ist um
einen Dämpfungsterm zu erweitern:
∂ 2 p(r, t )
∂p(r, t ) α ′ 2 + ω 2
′
+
α
=
∆p(r, t )
2
∂t
∂t 2
k2
(2)
Der Term α‘ = α ⋅ c steht für die Dämpfungsrate, ω für die Kreisfrequenz und k für
den Wellenvektor. Der zweite Term auf der linken Seite von Gl. (2) beschreibt die
Dämpfung.
Die Wellenparameter, nämlich der Dämpfungskoeffizient α‘ und die Phasengeschwindigkeit c können sich als Funktion der Dichte der Kavitationsblasen in der Frequenz
erheblich ändern. Zum Beispiel beträgt die Schallgeschwindigkeit im Wasser etwa
1500 m/s, in der Luft etwa 340 m/s und in blasenhaltiger Flüssigkeit u. U. nur 20 m/s.
Der Blasenanteil in der Flüssigkeit β ergibt sich aus
β (r, t ) =
∞
4π
R 3 (r, Ro , t ) f (r, Ro )dRo
∫
3 o
(3)
R(r,R0,t) ist der augenblickliche Blasenradius zur Zeit t an der Position r, wobei R0 der
Gleichgewichtsblasenradius ist. Der Term f(r,R0)dR0 steht für die Zahl der Blasen pro
56
Volumeneinheit mit dem Gleichgewichtsradius zwischen R0 und R0 + dR0. Der Wellenvektor der Mischung ergibt sich als:
∞
R f (r, R )
ω2
2
k mix (r ) = 2 + 4πω ∫ 2 o 2 o
dRo
cliq
o ω o − ω + 2ibω
(4)
Dabei beschreibt ω0 die Resonanzfrequenz der Blasen, und b ist eine Dämpfungskonstante.
Die Differentialgleichung (2) muß für verschiedene Randbedingungen gelöst werden.
Die Randbedingungen hängen von den Wänden des Reaktionsgefäßes und der Oberfläche der Flüssigkeit ab. Für die Oberfläche der Flüssigkeit wird meist eine schallweiche Randbedingung eingesetzt:
p(r, t ) = 0 ,
(5)
während die Wände als schallhart modelliert werden:
∂p (r, t )
=0
∂n
(6)
Dabei ist n der Normalenvektor am Rand. Die Druckverteilung an der Oberfläche des
Schallgebers wird durch ein Helmholtz-Integral beschrieben:
iρω
p(r, t ) = −
2π
ik r − r ′
e
− iωt
∫∫S ′ U o (r ′) r − r ′ dS ′e
(7)
Es werden zwei harmonische Randbedingungen eingesetzt:
p1 (r, t ) = po (r )sin (ωt )
p 2 (r, t ) = po (r )cos(ωt )
(8)
(9)
Die Modellierung ist noch zu verfeinern und an eigenen Messungen experimentell zu
überprüfen. Dazu werden in einem vom BMBF geförderten Projekt (Förderkennzeichen 03D0071A und B, siehe Kapitel 5.2) Messungen an einem Phasentransferkatalysesystem ausgeführt werden.
57
In den nachfolgenden Bildern (3.6.1-3.6.5) sind einige typische Simulationsergebnisse
angegeben.
3.6.1)
3.6.2)
Wasseroberfläche
Schallanreger
3.6.3)
ideal-schallharte
Wände
3.6.4)
Schallanreger
Schallanreger
Schallanreger
Schallerzeuger
58
1,0
0,8
0,6
reactor
volume
fraction
0,4
0,2
0,0
0,0E+00
1,0E+04
2,0E+04
3,0E+04
4,0E+04
5,0E+04
6,0E+04
3
E/V[J/m ]
undamped case, primary transducer amplitude
damped, transducer amplitude increased by a factor of 1.5
damped, transducer amplitude increased by a factor of 3
damped, primary transducer amplitude
damped, transducer amplitude increased by a factor of 2
damped, boundary amplitude increased by a factor of 5
Abb. 3.6.5: Reaktorvolumenanteil als Funktion der Energiedichte.
Zahlreiche weitere Resultate sind in den Publikationen von Dähnke und Keil [1-8] enthalten
Literatur
[1]Keil, F.J. und Dähnke, S, 1996, Chem.-Ing.-Techn. 6, 419-422
[2]Keil, F.J. und Dähnke, S., 1997, Periodica Polytechnica Ser. Chem. Eng. 41, 41-55
[3] Keil, F.J. und Dähnke, S., 1997, Hung. J. Ind. Chem. 25, 71-80
[4] Dähnke, S. und Keil, F.J., 1998, Chem.-Ing.-Techn. 70, 1300-1303
[5] Dähnke, S. und Keil, F.J., 1998, Ind. Eng. Chem. Res. 37, 848-864
[6] Dähnke, S. und Keil, F.J., 1999, Chem. Eng. Sci.,in press
[7] Dähnke, S.und Keil, F.J., 1998, Chem. Eng. Technol. 21, 873-877
[8] Dähnke, S., Swamy, K.M. und Keil, F.J., 1999, Ultrasonics/Sonochemistry, in
press
59
4. TECHNISCHE ANWENDUNGEN
Im folgenden werden technische Umsetzungen der Kavitation erörtert, die in erster
Linie die mechanischen Effekte der Kavitation nutzen. Bei der Aufbereitung von Abwasser, Klärschlamm und Sedimenten spielen sowohl mechanische als auch chemische
Kavitationseffekte eine Rolle und werden deshalb diskutiert. Technische Anwendungen der reinen Sonochemie werden von der DECHEMA e.V. dokumentiert (siehe Kapitel 1.1).
Kavitation kann technisch durch Ultraschall, Laserlicht und Strömungstechnik induziert und reguliert werden. Wegen der einfacheren Handhabung des Ultraschalls und
dessen guter Durchdringung von Geweben, werden medizinische Anwendungen der
Kavitation bisher in den meisten Fällen mittels Ultraschall gesteuert. Viele Anwendungsbereiche findet die Kavitation auch in der Verfahrenstechnik, wo ihre Vorteile in
erster Linie in der Umweltfreundlichkeit der technischen Anwendungen liegen. Auch
hier wird die Kavitation zum größten Teil durch Ultraschall induziert. Im Vergleich
zur Medizintechnik werden in der Verfahrenstechnik, wie z. B. bei der Wasseraufbereitung oder in der industriellen Chemie, in den meisten Fällen deutlich größere Volumina durch die Kavitation bearbeitet. Wird die Kavitation durch Ultraschall erzeugt, so
wird hierzu elektrische Energie durch den Ultraschallwandler in mechanische transformiert und in die Flüssigkeit abgegeben. Der Wirkungsgrad der durch Ultraschall
erzeugten Kavitation ist also deutlich geringer gegenüber Verfahren, wo Energie direkt
in das Medium gespeist wird. Die durch Strömungsmechanik induzierte Kavitation
scheint darum in der Verfahrenstechnik in vielen Bereichen eine wirtschaftlich günstigere Alternative zu sein.
60
4.1 Medizintechnik
4.1.1 Marktpotentiale und Stellenwert der Anwendungsbereiche
Kontrastmittel
Die Ultraschalldiagnostik wird seit über 30 Jahren praktiziert. Durch technische Verbesserungen hat das Verfahren immer größere Bedeutung gewonnen. In den nächsten
Jahren wird ein weiteres starkes Wachstum zu Lasten der Röntgendiagnose prognostiziert. Gründe dafür sind wohl in erster Linie, daß die Ultraschalldiagnostik eine relativ
kostengünstige Methode ist und den Patienten weniger belastet. Zudem haben sowohl
die stark verbesserten Auswerte- und Darstellungstechniken (Imaging) in Echtzeit als
auch die 3D-Darstellungsmöglichkeiten zu Fortschritten in der Ultraschalldiagnose
beigetragen. Ultraschallechtzeitdarstellungen ermöglichen beispielsweise die Überwachung der minimal-invasiven Chirurgie mit Ultraschall.
Schon aus der Röntgentechnologie sind Kontrastmittel bekannt, die bei der Diagnose
von bestimmten Organen die Auflösung und Darstellung erhöhen oder überhaupt erst
ermöglichen. In der Ultraschalldiagnostik werden Kontrastmittel dort notwendig, wo
Ultraschall zu stark vom Gewebe absorbiert wird oder das darzustellende Objekt zu
wenig Schall reflektiert, um bei der Ultraschallmessung gut auflösbare Echos abzugeben. Ultraschallkontrastmittel bestehen im wesentlichen aus Gasbläschen, die in Hüllen verpackt sind. Durch Ultraschall werden diese Hüllen im Zielgewebe aufgebrochen. Die freigesetzten Blasen oszillieren im Ultraschallfeld (Kavitation), so daß die
von den Blasen abgegebenen Schallwellen den passiv rückgestreuten Schall verstärken
und stärkere Kontraste erzielt werden. Zu den klinisch relevanten Vorteilen des Einsatzes von Ultraschallkontrastmitteln gehören damit genauere Abgrenzungen des Gewebes, eine besser aufgelöste Gewebestruktur und starke Kontraste. Durch verschiedene
Methoden der Signalverarbeitung in der Ultraschalldiagnostik mit Kontrastmitteln
kann die Empfindlichkeit weiter gesteigert und damit eine breitere Anwendung ermöglicht werden. Eine der bedeutsamsten Anwendungen, die durch eine Empfindlichkeitssteigerung möglich werden, ist eine den Patienten schonende, nicht-invasive Darstellung des Blutflusses in den Herzkranzgefäßen zur Herzinfarkterkennung. Diese ist
61
bisher nur mit radioaktiven Präparaten möglich und würde insofern einen interessanten
Markt darstellen.
Die wirtschaftliche Bedeutung dieses Verfahrens wird deutlich, wenn man bedenkt,
daß heute etwa jede dritte D-Mark, die deutsche Ärzte in die bildgebende Diagnostik
investieren, in die Ultraschalldiagnostik geht. Der Markt für bildgebende Ultraschalldiagnose-Systeme wurde 1997 auf rund $ 2,7 Mrd. geschätzt. Hauptmarkt für Anwender und Hersteller sind die Vereinigten Staaten; Advanced Technology Laboratories
(ATL) und Hewlett-Packard sind mit rund 15% Weltmarktführer. In Europa führt Siemens den Markt mit 25% an, mit ca. 7,5% Weltanteil rangiert das Unternehmen auf
Platz 5. 1997 konnte für Geräte zur Ultraschalldiagnostik ein Zuwachs um 9% auf 363
Mio. DM verbucht werden (Inland plus 4% auf 363 Mio. DM). Der Umsatzzuwachs
geht vor allem zu Lasten der Röntgenverfahren.1
Momentan sind hauptsächlich die deutsche Schering AG, das italienische Unternehmen Bracco, und die amerikanischen Firmen Nycomed, DuPont und Mallinckrodt auf
dem Gebiet der Ultraschallkontrastmittel aktiv.
Die Markteinführung der ersten Ultraschallkontrastmittel durch Schering erfolgte im
Jahr 1991. Nach eigenen Angaben konnte bisher noch kein nennenswerter Umsatz erzielt werden. Langfristig wird von Schering jedoch ein Marktvolumen in der Größenordnung von 100 Mio. DM für Ultraschllkontrastmittel prognostiziert.
Wirkstoffreisetzung
Eine Möglichkeit zur lokalen Freisetzung oder Aktivierung von Wirkstoffen ist immer
dann wünschenswert, wenn eine räumlich lokalisierte Einheit – wie ein spezifisches
Organ oder auch ein Tumor – behandelt werden soll, aufgrund der Art des Wirkstoffes
jedoch mit unerwünschten Nebenwirkungen bei systemischer Anwendung gerechnet
werden muß. Des weiteren bieten Verfahren zur kontrollierten Wirkstoffreisetzung
auch die Möglichkeit der Anpassung der Medikamentenkonzentration im Blut an die
jeweilige Stoffwechselsituation. Dies ist z.B. bei der Gabe von Insulin, Antiarrhythmi-
1
ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V., Frankfurt)
62
ka, Nitraten oder Beta-Blockern, Hormonen oder auch Magensäure-Inhibitoren notwendig bzw. von Vorteil.
Ultraschall kann die Durchlässigkeit der Membran von Zellen vorübergehend erhöhen.
Der Vorgang ist transienter Natur, die Vitalität der Zellen ist nur gering beeinträchtigt.
Im Reagenzglas kann man auf diese Weise gezielt Substanzen in Zellen transportieren,
wenn sie im Medium gelöst vorliegen. Besonders wirksam sind Wirkstoffe, die keine
Bindung an einen Rezeptor an der Zelloberfläche haben und ohne Ultraschall nicht in
das Zellinnere gelangen können. Wenn diese sehr toxisch wirksam sind, kann ihre
Wirkung auf Zellen durch Ultraschall um Größenordnungen verstärkt werden. Auf ein
umschriebenes Zielgebiet auf ein Organ im Körper gerichtet kann Ultraschall die Permeabilität der Zellmembranen regional beeinflussen. Bei intravenöser Gabe einer
pharmakologisch wirksamen Substanz kommt es somit regional zu ihrem Transfer in
das Gewebe.
Bei der Wirkstoffreisetzung mittels Ultraschall werden Suspensionen von wirkstoffhaltigen Mikropartikeln in die Blutbahn injiziert. Fokussierter Ultraschall bewirkt, daß
im Zielgewebe an den Mikropartikeln Kavitation auftritt, welche den Wirkstoff aus
den Mikropartikeln freisetzt. Ein interessantes Anwendungsfeld ist hierbei speziell die
Tumorbekämpfung. Tumore sind stärker mit Gefäßen durchsetzt, was zu einer vermehrten Blutzufuhr führt. Damit reichern Tumore eine größere Menge wirkstoffhaltiger Mikropartikel an.
Als alternative Methode wurde in der Tumortherapie auch mit an Antikörper gekoppelten Wirkstoffen experimentiert. Doch sind solche Antikörper in der Herstellung
relativ teuer und für die meisten Tumore müssen Antikörper speziell entwickelt werden. Damit ist die ultraschallinduzierte Wirkstoffreisetzung gegenüber an Antikörpern
gebundenen Wirkstoffen wirtschaftlich günstiger. Zudem zirkuliert der Wirkstoff bei
der Verwendung von Antikörpern bereits vor dem Erreichen des Zielgebietes frei im
Blut, wenn er sich auch erst im Zielgewebe spezifisch an die Zellen anlagert. Damit
könnten Nebenwirkungen eintreten, die bei der Ultraschallmethode vermieden werden.
Ein entscheidender Nachteil der Ultraschallbehandlung zur Tumortherapie im Vergleich zum Einsatz von Antikörpern liegt allerdings darin, daß mit ihr keine automatische Behandlung von Metastasen erfolgt.
63
Für Therapien, die eine kontinuierliche, andauernde und verzögerte Behandlung erfordern, sind verschiedene Methoden zur kontrollierten Wirkstoffreisetzung aus Mikropartikeln entwickelt worden. Dabei werden neben Ultraschall auch Temperaturänderungen und elektrische oder magnetische Felder experimentell eingesetzt (Kost et al.,
1992). Parallel werden auch zeitliche Kontrollmechanismen der Wirkstoffreisetzung
entwickelt, die auf einer direkten Rückkopplung von Stoffwechselparametern auf die
Mikropartikel beruhen. Das heißt, über die physiologischen Parameter wie pH-Wert,
Antikörperbindungen und Glukosekonzentration des Zielgebietes wird die Wirkstoffreisetzung gesteuert. Auch wenn die letzteren Verfahren deutlich mehr Aufwand für
das Design der Mikropartikel erfordern und hierfür auch noch wesentlich mehr Entwicklungsarbeit zu leisten ist, werden sie den extern getriggerten Verfahren wegen der
viel einfacheren Handhabung während der Behandlung langfristig deutlich überlegen
sein. Ultraschall-getriggerte Systeme dürften hier höchstens als Übergangslösung
Chancen haben, während sie sich auch auf lange Sicht dort durchsetzen könnten, wo
keine direkte Steuerung der Wirkstoffreisetzung durch physiologische Parameter möglich ist.
Trotzdem stößt die Methode der ultraschallgesteuerten Wirkstoffreisetzung auf wenig
Interesse bei der deutschen Industrie: Mikrokapseln ohne Gasraum, in denen der Wirkstoff in der Polymermatrix gebunden ist, können nur bei hohen Ultraschallintensitäten
zerstört werden, um den Wirkstoff freizusetzen. Auf der anderen Seite ist es schwierig,
Mikrokapseln mit einem wirkstoffhaltigen Gasraum definiert herzustellen. Ein weiterer
Problempunkt ist, daß die Wechselwirkung des Ultraschalls mit den Mikrokapseln
auch von dem jeweiligen Patienten abhängt. Je nach Gewicht und Physiologie des Patienten müßten die Parameter der Ultraschallbestrahlung spezifisch eingestellt werden.
Auf der anderen Seite berichten Wissenschaftler aus medizinisch-wissenschaftlichen
Instituten, daß zur Lösung dieser Problemstellungen viele Erfahrungen aus der Entwicklung der Ultraschallkontrastmittel herangezogen werden könnten. In diesem Forschungsbereich gebe es umfassende Untersuchungsergebnisse über die Wechselwirkung von Ultraschall und gasgefüllten Polymermikrokapseln (Frinking et al., 1998).
Wirkstoffe können auch aus in den Körper implantierten Depots freigesetzt werden.
Am aussichtsreichsten sind langfristig Wirkstoffdepots, die ihre Wirkstoffe durch In
teraktion mit entsprechenden Stoffwechselprodukten gezielt abgeben (wie z.B. ein
Glukose-gesteuertes Insulindepot).
64
Sonophorese
Unter Sonophorese (oder auch Phonophorese genannt) versteht man die Erhöhung der
Transportrate von Substanzen durch die Haut unter Einwirkung von Ultraschall. Anhand von Messungen bei verschiedenen Ultraschallfrequenzen geht man davon aus,
daß Kavitation diesen Transportmechanismus im wesentlichen bewirkt. Außer zur Applikation von Medikamenten läßt sich die Sonophorese prinzipiell auch zur Extraktion
von Körperflüssigkeiten durch die Haut für diagnostische Zwecke einsetzen.
Der Einsatz der Sonophorese in der Diagnostik weist erhebliche Probleme auf. So
werden die Ergebnisse z.B. durch Schweiß und andere körpereigene Stoffe verfälscht,
und es bestehen Infektionsrisiken. Zudem gibt es viele alternative nicht-invasive Diagnoseverfahren, die auf der Messung von Körperflüssigkeiten beruhen. Für die Messung des Blutzuckerspiegels werden z.B. bereits elektrophoretisch arbeitende Geräte
und Infrarot-spektroskopische Methoden entwickelt.
Die Unterstützung der Medikamentenapplikation durch die Haut (transkutan) mittels
Ultraschall wäre prinzipiell dort von Vorteil, wo Medikamente kontinuierlich verabreicht werden müssen und eine orale Gabe nicht möglich ist. Dies gilt z.B. für die Versorgung von Diabetikern mit Insulin oder auch für die routinemäßigen Heparingaben
zur Thromboseprophylaxe bei bettlägerigen Patienten. Insbesondere könnte Sonophorese aber für örtliche Behandlungen verwendet werden, da Wirkstoffe auf diese Weise
um ein vielfaches schneller in lokale Zielgewebe diffundieren, als wenn sie über das
Kreislaufsystem in Zielorgane gelangen. Die Hauptvorteile der transkutanen Wirkstoffapplikation bestünden in einer geringeren Belastung der Patienten gegenüber Injektionen sowie evtl. in einer gleichmäßigeren Dosierung der Wirkstoffe. Zu beachten ist
allerdings, daß die Diffusionsrate der lokal, transkutan angewendeten Medikamente
stark mit physiologischen Faktoren und Umwelteinflüssen variiert. Eine Behandlung
müßte also auf die physiologischen Parameter der Haut, wie z.B. Feuchtigkeit, Dicke,
Durchblutung und Stoffwechselaktivität spezifisch abgestimmt werden, was einen erhöhten Aufwand für die individuellen Therapien bedeutet. Zudem dürfte der Sonophorese für die lokale Therapie höchstens eine Übergangsrolle zukommen, da die kontrollierte Wirkstoffreisetzung aus in den Körper eingebrachten Depots das für den Patienten weniger belastende Verfahren darstellt. Die Substitution oraler Medikation durch
dieses Verfahren wird sicher – unabhängig von der Machbarkeit – wenig sinnvoll sein.
65
Das Verfahren läßt sich allerdings ebenso anwenden, um den Transport von Substanzen durch Zellmembranen zu verbessern. So kann es z.B. auf dem Gebiet der Gentechnik eingesetzt werden, um DNA-Plasmide in Zellen einzubringen (Wyber et al., 1997).
Die Vorteile beim sonophoretischen DNA-Eintrag in Zellen liegen in der Schnelligkeit
und der relativ geringen Kosten des Verfahrens. Zudem ist die Sonophorese den chemischen und den Vektor-Verfahren (d.h. über Liposomen und Retroviren) dadurch
überlegen, daß sie für die verschiedensten Zelltypen anwendbar ist.
Die Sonophorese ist bei der amerikanischen Behörde für Ernährung und Gesundheit
nicht als Behandlungsmethode zur transkutanen Medikamentenapplikation anerkannt
worden. Trotzdem wird die Sonophorese in vielen Arztpraxen schon angewendet. Der
Effekt, den die Sonophorese bei diesen Behandlungen hat, ist nicht eindeutig festgelegt. Forschung in den USA soll optimale Parameter und effiziente Anwendungsmethoden der Sonophorese zur Therapie finden und gleichzeitig auch deutlich herausstellen, wann Ultraschall auf den Erfolg einer transkutanen Medikamentenapplikation
keinen Einfluß hat (Byl, 1995).
Wegen der alternativen Methode, der Wirkstoffdepots, und der aufwendigen Optimierung für die individuelle Behandlung, sind deutsche Unternehmen nicht daran interessiert, sonophoretische Methoden zur Medikamentengabe zu entwickeln. Ein weiterer
Grund dafür ist, daß die Hersteller von Verbandmaterialien i.a. kein Interesse an der
Herstellung von Pflaster-Wirkstoff-Kombinationen haben, da hierfür die strengeren
und bürokratisch aufwendigeren Richtlinien für die Zulassung von Medikamenten
gelten würden. Analoge Probleme wären bei sonophoretischen Verbandmaterialien zu
erwarten.
Tumorbekämpfung
Der Erfolg der Ultraschallanwendung zur Therapie von Nierensteinen (Stoßwellenlithotripsie) hat dazu beigetragen, das Konzept einer nichtinvasiven Behandlung von
Tumorleiden durch Ultraschall zu entwickeln und wissenschaftlich zu prüfen. Während
der Ultraschallbestrahlung von Tumoren wird die Schallenergie durch Absorption im
Gewebe in Wärme überführt (Hyperthermie). Das so erhitzte Tumorgewebe verkocht,
bzw. bei sehr hohen Temperaturen, verkohlt (Huber et al., 1996), was eine Hemmung
66
des Tumorwachstums bewirkt. Abbildung 4.4.1 zeigt auf, daß mit steigender Intensität
des eingesetzten Schockpulses mechanische Wechselwirkungen des Ultraschalls mit
dem Gewebe eine größere Rolle spielen. Zu den mechanischen Wirkungen des Ultraschalls gehören der sog. Strahldruck, akustische Strömungen (gerichtete Strömungen
im Schallfeld) und Kavitation. Bis jetzt sind die einzelnen Wirkungsmechanismen des
Ultraschalls auf das Gewebe bei verschiedenen Intensitäten nicht voll verstanden.
Wohl wurde bereits nachgewiesen, daß Kavitation die therapeutische Wirkung erhöht
(Huber et al. 1994, Huber et al., 1999). Trotzdem versucht man bisher Kavitation
möglichst zu vermeiden, da dieser Effekt während der Behandlung schwieriger zu
steuern und zu überwachen ist. Würde dieses Problem (z.B. durch die definierte Einbringung von Kavitationskeimen oder die erhöhte Kenntnis über die Kavitationsfeldverteilung) gelöst, ließen sich durch gezielt induzierte Kavitation eventuell zusätzliche
therapeutische Effekte erreichen.
Ultraschall
Tumortherapie
Sonographie
• Thermische und
Kavitationswechselwirkungen müssen ausge-schlossen
werden
kleine Amplitude,
lange Einwirkzeit
• Nur thermische Wechselwirkung wird therapeutisch genutzt
• Kavitation unerwünscht
hohe Amplitude,
kurze Einwirkzeit
• Thermische Wechselwirkung
geringer
• Mechanische Wechselwirkung
höher
• Kavitation könnte therapeutisch genutzt werden
(Radikalentstehung und
Schockwellenformation)
Abb. 4.1.1: Die biologischen Wechselwirkungen und Anwendungsmöglichkeiten des
Ultraschalls in Diagnose und Behandlung von Tumoren (entlehnt aus Huber et al.,
1996).
Generell ist der Vorteil der nichtinvasiven Ultraschallbehandlung von Tumoren gegenüber alternativen Methoden erheblich: Ultraschall weist eine hohe Eindringtiefe in den
Körper auf, so daß auch tiefer gelegene Tumore behandelt werden können. Auch ist es
möglich, Ultraschalltherapien häufig zu wiederholen, was bei Strahlentherapien nur
67
bedingt möglich ist. Außerdem ist die Ultraschallbestrahlung des Tumors mit hoher
Präzision unter maximaler Schonung des den Tumor umgebenden Gewebes möglich.
Die besonderen Vorteile der Ultraschallbehandlung gegenüber der Mikrowellenhyperthermie liegen in der besseren Eindringfähigkeit, der homogeneren Temperaturverteilung und der stärkeren Fokussierungsmöglichkeit des Ultraschalls.
Es gibt verschiedene Ansätze für Ultraschall-Tumortherapien und alle konnten bereits
in Tierversuchen erfolgreich getestet werden. Leider hat Ultraschall jedoch bisher seine Rolle bei der Tumorbehandlung in der Praxis noch nicht gefunden. Das liegt hauptsächlich daran, daß bis jetzt die therapeutische Wirkung des Ultraschalls während der
Beschallung schwer zu kontrollieren ist. Mit der Entwicklung von MRT (Magnetresonanzthermometrie) und ultraschallgesteuerten Überwachungsvefahren zeichnet sich
eine Wende ab, da mit Hilfe dieser Methoden die Wirkung des Ultraschalls während
der Behandlung kontrolliert werden kann. (Huber et al., 1994a; Huber et al., 1996).
Dabei könnte die Ultraschalltherapie auch in synergetischen Kombinationen mit anderen Methoden eingesetzt werden, um Behandlungen effizienter zu machen. Hochenergetische gepulste Ultraschallwellen können das Tumorwachstum hemmen, so daß
gleichzeitig eingesetzte andere Behandlungsmethoden (z.B. radioaktive Bestrahlung,
Operation) das Tumorgewebe wirksamer zerstören können.
Zerstörung von Steinen und anderen Ablagerungen
Bei rund einem Drittel der bundesdeutschen Bevölkerung über 65 Jahren werden arterielle Verschlußkrankheiten diagnostiziert. 70 % der Patienten haben arteriosklerotische Ablagerungen in hirnversorgenden Gefäßen oder leiden unter koronaren Herzkrankheiten – der häufigsten Todesursache bei Organerkrankungen. Die Behandlung
mit Ultraschallstoßwellen findet immer stärkere Beachtung als Therapie von Thrombosen (Rosenschein und Budde-Schwartzman, 1997) und zur Entfernung von arteriosklerotischen Ablagerungen (Hamm et al., 1997; Rosenschein et al., 1999), da sie schonender und nicht so zeitaufwendig ist als die bisher bekannten Verfahren. Da bei der
endoluminalen Rekanalisation die Wirkung des Ultraschalls in gleicher Weise genutzt
wird wie bei der Zertrümmerung von Nierensteinen, besteht eine Innovation darin, den
68
Ultraschallgenerator in der extrem kleinen Form eines Katheters zu bauen. Damit wird
es ermöglicht, die Ultraschallquelle exakt an die gewünschte Stelle zu bringen.
Die Ultraschall basierte endoluminale Rekanalisation hat einen wesentlichen Vorteil
gegenüber den bisher eingesetzten Technologien, die auf fräsend oder bohrend abtragenden Systemen basieren. Bei der Ultraschallmethode besteht keine Gefahr mehr, die
Gefäße mechanisch zu verletzen, was auch den Effekt hat, daß die Genesungszeit des
Patienten verkürzt wird. Per Ultraschall werden selektiv die Ablagerungen zu Resonanzschwingungen angeregt und dadurch abgelöst. Die Kavitation, die während der
Behandlung entsteht, trägt unterstützend zum Abbauprozeß bei. Gegenüber den elastischen Gefäßwänden bleibt Ultraschall ohne jede Wirkung. Daher müssen bei einem
operativen Eingriff auch keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich eventueller Verletzungen getroffen werden.
In den USA gibt es bereits Ultraschallgeräte zur endoluminalen Rekanalisation. Bei
diesen Geräten wird der Ultraschall jedoch noch außerhalb des Körpers erzeugt und
durch einen Titandraht an den Zielort im Körper geführt. In Deutschland ist ein Prototyp für die Ultraschall basierte endoluminale Rekanalisation entwickelt worden, der
auf einem hocheffizienten Ultraschallkatheter basiert, der die von ihm ausgesandten
Ultraschallwellen im Körperinnern des Patienten erzeugt und die arteriellen Ablagerungen oder Thromben in wenigen Minuten schonend entfernt.
4.1.2 Stand der Technik
Kontrastmittel
Das Prinzip der Signalverstärkung mittels Kontrastmitteln bei der Ultraschalldiagnose
basiert darauf, daß in der Blutbahn freigesetzte Gasblasen auch in sonst nicht sichtbaren Regionen im Ultraschallfeld ein Echosignal abgeben. Die Blasen werden von außen in den Körper eingebracht, so daß der eingestrahlte Ultraschall die Kavitationsschwelle nicht zu überschreiten braucht und die Blasen in einem physiologisch verträglichen Bereich zu Oszillationen angeregt werden können. Die somit stabil oszillierenden Blasen emittieren Schall. Das detektierte Echo setzt sich somit zusammen aus
69
dem an den Blasen passiv gestreuten Schall und aus dem Schall, der von den im Ultraschallfeld oszillierenden Blasen aktiv ausgesendet wird (Hilgenfeldt et al., 1998). Die
ersten wissenschaftlichen Versuche zur Verstärkung des Blutechos in der Ultraschalldiagnose gehen auf das Jahr 1968 zurück. Diese Versuche basierten auf der Herstellung kleiner Luftblasen in Lösungen durch kräftiges Schütteln, welche allerdings
schlecht reproduzierbar waren. Im Laufe der 90er Jahre (1991 und 1996) kamen zwei
Ultraschallkontrastmittel der Schering AG auf den Markt. “Echovist®“ und “Levovist®“ fungieren als Echosignalverstärker für Ultraschall, indem sie kleine Gasblasen
im Blutstrom erzeugen. Echovist® besteht aus Galaktose-Mikropartikeln, die vor der
Injektion mit einer Lösung aus Galaktose in Wasser gemischt werden. Nach der Injektion lösen sich die Mikropartikel im Blut rasch auf und hinterlassen dabei kleine Luftblasen, die an der Oberfläche der Blutzellen adsorbiert werden. Der Nachteil bei Echovist® ist, daß die erzeugten Luftblasen im Lungenkreislauf nicht stabil sind und daher
nur zur Abbildung des venösen Blutkreislaufs und der rechten Herzkammer geeignet
sind. Im Gegensatz dazu werden bei Levovist® die gebildeten Luftblasen durch die
Zugabe von Palmitinsäure stabilisiert, so daß sie den Lungenkreislauf passieren können und so eine Kontrastverstärkung im gesamten Kreislaufsystem ermöglichen.
Zur Zeit entwickelt Schering zwei weitere Kontrastmittel. “SH U 563“ ist ein Kontrastmittel, das aus bioabbaubaren Polymer-Mikrokugeln besteht, die kleiner als die
Mikroblasen von Levovist® sind. Bei Bestrahlung mit Ultraschall werden diese Polymerblasen zerstört und senden dabei ein spezifisches Signal aus, das auch bei sehr geringer Konzentration der Blasen (wie z.B. in Kapillargefäßen) noch detektiert werden
kann. “AF0150“ besteht aus Mikroblasen, die eine Mischung aus gasförmigen Perfluorverbindungen und einem physiologischen Gas enthalten. Der Vorteil hierbei ist, daß
aufgrund der geringen Löslichkeit des Gases eine höhere Stabilität der Blase und damit
eine längere Verweildauer im Blut erreicht werden kann. Dieses Produkt soll bei der
Untersuchung der Herzfunktion sowie zur Detektion kompakter Tumoren eingesetzt
werden.
Ein weiteres Ziel ist es, neben der anatomischen Darstellung auch physiologische Vorgänge mit einem bildgebenden Verfahren sichtbar zu machen. Zu diesem Zweck muß
der Grad der Kontrastverstärkung weiter gesteigert werden. Eine Methode hierzu ist
das Harmonic Imaging, bei welchem die Empfindlichkeit der Signaldetektion gesteigert wird. Die Blasen, die von außen in den Körper eingebracht werden, oszillieren
70
stabil im Ultraschallfeld und emittieren Schall. Danach wird nicht das Echosignal der
Blasen der eingestrahlten Frequenz detektiert, sondern die zweite Harmonische des
von den Blasen emittierten Schalls. Der Vorteil in diesem Modus ist, daß das von den
Blasen erzeugte Signal weniger durch Gewebeechos gestört wird. Aufgrund der Entwicklung des Harmonic Imaging bei Ultraschallkontrasmitteln (Contrast Harmonic
Imaging, CHI) wurde auch ein Konzept zur Detektion der Harmonischen des Ultraschallechos bei der Sonographie entwickelt (Tissue Harmonic Imaging, THI). Hierbei
werden die nichtlinearen Effekte ausgenutzt, die auftreten, wenn der Ultraschall durch
Gewebe mit variierenden akustischen Parametern propagiert. Dabei werden Harmonische der eingestrahlten Frequenz generiert und als Signal detektiert. Durch das somit
verbesserte Signal-Rauschverhältnis werden Gefäßstrukturen, Fetusherzstrukturen,
gynäkologische Anatomie und Tumore in stärkeren Kontrasten besser definiert (Haerten et al., 1999). Da im Gegensatz zur CHI (Contrast Harmonic Imaging) bei der THI
die komplexere Wechselwirkung von Gasblasen im Schallfeld nicht berücksichtigt zu
werden braucht, hat sich diese Erneuerung bei der Geräteentwicklung sehr viel
schneller durchgesetzt und wird schon seit einem Jahr in der Praxis eingesetzt. Jedoch
erhält man allein durch das CHI die Möglichkeit, den Blutfluß in Organen (z.B. im
Herzkranzgefäßen) abzubilden und zu messen. Hierbei hilft die sogenannte PulsInversions-Methode (PI), eine Methode, die nichtlineare Blaseneigenschaften im Zeitbreich ausnutzt (Kombination der Echos normaler und invertierter Sendepulse) und
eine sehr gute räumliche Bildauflösung erlaubt. Erst seit ca. einem Jahr gibt es Prototypen von Geräten, die CHI von Herzkranzgefäßen mit gut aufgelösten Bildern darstellen können. Die Untersuchung von Herzkranzgefäßen ist zur Vorhersage von
Herzinfarkten wichtig und ist bis heute nur durch den Patienten belastenden, nuklearmedizinische Verfahren möglich. Daneben wird CHI in einigen Forschungszentren
auch bereits zur Differenzierung von (z.B. Leber-)Tumoren eingesetzt.
Wirkstoffreisetzung
Die Wirkstoffreisetzung mittels Mikrokapseln basiert darauf, daß der Wirkstoff in einer Polymermatrix eingebunden ist, die in der Größe von Erythrozyten (rote Blutkörperchen) sind und vom Blutstrom an jeden Ort im Körper transportiert werden können.
Die Möglichkeiten den Wirkstoff in die Matrix einzubinden hängen davon ab, wie der
Wirkstoff freigesetzt werden soll. Der Wirkstoff kann durch Diffusion freigesetzt wer71
den, wenn er in einer Polymermatrix gleich verteilt eingebettet oder in ein Wirkstoffreservoir von einem Polymerfilm eingeschlossen ist. Die Wirkstoffreisetzung aus der
Mikrokapsel kann auch durch Lösungsmittel aktiviert werden, die auf einem Anschwellen der Polymermatrix oder einem osmotischen Effekt beruht. Chemische Aktivierungen basieren auf dem Abbau der Polymere, die ein Wirkstoffreservoir umschließen oder der Abspaltung der Wirkstoffe, die an die Polymermatrix selbst gebunden
sind. Diese chemische Aktivierung kann mittels Ultraschall gesteuert werden. In in
vitro Messungen stieg die Wirkstoffreisetzung mit Erhöhung der Ultraschallintensität
an, während Änderungen der Temperatur oder Mischen keinen Effekt zeigten (Frinking et al., 1998). Der genaue Mechanismus der Ultraschalleinwirkung auf die Mikrokapseln ist nicht bekannt. Es konnte jedoch nachgewiesen werden, daß Kavitation
beim Polymerabbau oder Bindungsbruch eine Rolle spielen muß. In vivo Messungen
an Ratten bestätigten die erhöhte Wirkstoffreisetzung durch Ultraschall. Von klinischen Tests der ultraschallgesteuerten Wirkstoffreisetzung ist allerdings noch nichts
bekannt.
Sonophorese
Unter Sonophorese (bzw. Phonophorese) versteht man die Erhöhung der Transportrate
von Substanzen durch die Haut unter Einwirkung von Ultraschall. Die Untersuchung
dieses Effektes hat in den achtziger Jahren begonnen, die Ergebnisse der Studien waren aber lange Zeit nicht eindeutig. Inzwischen werden Tierexperimente an Ratten
durchgeführt (z.B. zur transkutanen Applikation von Insulin).
Es wurden verschiedene Mechanismen zur Erklärung der Sonophorese diskutiert, darunter die Kavitation, thermische Effekte und die Induzierung von Konvektion. Laboruntersuchungen ergeben starke Anhaltspunkte für den folgenden Mechanismus: Die
Einstrahlung von Ultraschall läßt in den Keratinozyten des Stratum Corneum (der
obersten Hautschicht) vorhandene Luftbläschen wachsen und oszillieren, d.h. es wird
Kavitation induziert. Diese Oszillationen führen dazu, daß die Lipiddoppelschicht im
Stratum Corneum desorganisiert wird. Gleichzeitig könnten die Oszillationen der Kavitationsblasen dazu führen, daß Wasser in die desorganisierten Lipidregionen eindringt. So können sich wassergefüllte Kanäle in den interzellulären Lipidschichten bilden, worauf die Transportrate durch diese Schichten (und damit durch die Haut) deut72
lich erhöht wird. Für die Rolle der Kavitation bei der Sonophorese spricht insbesondere die Tatsache, daß der Übergang zu niederfrequenterem Ultraschall (von 1 MHz nach
20 kHz) den Transportprozeß sowohl quantitativ als auch qualitativ (Möglichkeit zum
Transport größerer Proteine) deutlich verbessert (Mitragotri et al., 1996).
Die meisten Sonophoresestudien zeigten, daß Ultraschall die Diffusionsrate von Wirkstoffen auf subkutanem Level (durch einzelne Hautschichten) erhöht. Nicht nachgewiesen ist, ob Ultraschall auch die Diffusionsrate bis zum transkutanen Niveau (unter
die Haut) wirklich erhöht, da in vielen Studien keine Erhöhung des Wirkstoffdurchsatzes bis zum Muskelgewebe beobachtet werden konnte (Byl, 1995).
Ultraschall kann die transkutane Applikation von Medikamenten nur dann fördern,
wenn das verabreichte Medikament Ultraschall in genügendem Maße leiten kann. So
zeigten experimentelle Studien, daß Ultraschall in der Applikation von Corticosteroiden einen diffusionsverstärkenden Effekt hat. Dagegen zeigt eine Ultraschallbehandlung bei der Applikation von Hydrocortison einen diffusionsvermindernden Effekt,
was auf eine zu schwache Ultraschallleitfähigkeit des Hydrocortisons zurückgeführt
wird. Entzündungshemmende Wirkstoffe werden am häufigsten für Sonophoresestudien gebraucht (Byl, 1995).
Auch für die Sonophorese von DNA in Zellen wurde nachgewiesen, daß ein vermehrter DNA-Eintrag in die Zellen mit einem Anstieg der Kavitationsereignisse verbunden
ist (Wyber et al., 1997). Allerdings steigt auch die Zellsterberate mit den Kavitationsereignissen. Darum werden Intensität und Länge des Ultraschallpulses so optimiert,
daß sowohl der DNA-Eintrag erhöht wird, als auch die Zellsterberate niedrig bleibt
(z.B. ergab ein Ultraschallpuls von 2.0 Watt und 30s eine 20 fach erhöhte DNAAufnahme der Zellen). Die DNA scheint für die hier gewählten Ultraschallparameter
keine Schädigungen bei der Sonophorese zu erleiden. Bisher wurde ein positiver Effekt für die DNA-Aufnahme durch Sonophorese an Pflanzenzellen, Pflanzenblättern
und Keimlingen nachgewiesen. Ferner wurde mit Schockwellen eines Lithotripters
eine erhöhte DNA-Aufnahme in tierischen Zellen bewirkt. Auch hier soll Kavitation
für die erhöhte DNA-Aufnahme verantwortlich sein. Es wurde darum vorgeschlagen
zu untersuchen, inwiefern man die Lithotripsie in der Gentherapie einsetzten kann
(Delius et al., 1995).
73
Tumorbekämpfung
Die Konzepte der extrakorporalen Stoßwellenlithotripsie von Nierensteinen wurden
dazu genutzt, nichtinvasive Behandlungen von Tumorleiden mittels Ultraschall zu
entwickeln. Erste Vorschläge dazu gab es bereits in den 50er und 60er Jahren. Aufgrund fehlender Überwachungsmethoden, wie z. B. das Schnittbildverfahren eines ist,
gab es jedoch zu jener Zeit noch keine Möglichkeit das Zielgewebe vor der Therapie
zu lokalisieren, bzw. den Therapieeffekt zu beobachten. Dadurch wurden weitere Entwicklungen in der Ultraschalltherapie von Tumoren aufgehalten bis geeignete Bildgebungsverfahren vorhanden waren. Heute werden Verfahren entwickelt, bei denen der
Ultraschalltransducer für den therapeutischen Eingriff direkt an einen Kernspintomographen zur Verifikation, bzw. Korrektur der Behandlung gekoppelt wird (Huber et al.,
1996).
Bei der Ultraschallbestrahlung von Tumoren kann im wesentlichen zwischen zwei Behandlungseffekten unterschieden werden. Eine thermische Wirkung entsteht durch die
Absorption der Schallenergie im Gewebe. Mechanische Effekte im Gewebe werden
verursacht durch die Jetbildung transienter Kavitation, die Ausbildung von Schalldruck
und durch gerichtete akustische Strömungen (Huber et al., 1996). Alle diese Mechanismen, die zur Erhitzung oder zum Zerreißen des Gewebes führen, zerstören die Gefäßstruktur des Gewebes, was letztendlich zur Abnahme des Tumorwachstums führt.
In Abbildung 4.1.2 wird die Wirkung des Ultraschalls auf die Gefäßstrukturs des Tumors gezeigt.
Die Wärmeproduktion hängt von den Parametern des Ultraschalls und den schallspezifischen Gewebeeigenschaften ab. Die Temperatur steigt mit wachsender Ultraschallfrequenz, Schallintensität und Einstrahldauer. Bei einer Temperaturerhöhung zwischen
42 - 45°C spricht man von der klassischen Tumorhyperthermie. Für diesen Bereich
liegen schon Daten von über 100 Patienten vor, bei denen Tumorwachstum in Hirn,
Brust, Extremitäten, Prostata und Becken durch die Ultraschallbehandlung vermindert
werden konnte. Bei Ultraschallbehandlungen, die Temperaturen über 45°C (meist 6080°C) erzeugen und Proteine denaturieren lassen, wird von der “Ultraschallchirurgie“
gesprochen. Bei der Ultraschallchirurgie wird im Vergleich zur Hyperthermie Ultraschall mit wesentlich höherer Energie und kürzerer Einstrahldauer verwendet. Dadurch
ist eine bessere und präzisere Fokussierung auf das zu therapierende Gewebe möglich.
74
Zudem spielt im Gegensatz zur Hyperthermie bei der Ultraschallchirurgie durch die
kurze Schalleinstrahlzeit ein Wärmeabtransport infolge Wärmeabstrahlung und Abfluß
mit dem Blut eine geringe Rolle.
a)
b)
Abb. 4.1.2: Prostatatumor vor (a) und nach (b) der Ultraschallbehandlung. Prostatatu-
morzellen waren in die Oberschenkel einer “Kopenhagen Ratte“ eingepflanzt worden.
Diese Körperstelle wurde für die Behandlung mit 2000 hoch energetischen Schockpulsen bei 19 kV beschallt. (entnommen aus Debus et al., 1991)
Die klinische Anwendung von hochenergetischem Ultraschall zur Tumorbehandlung
erfolgte z. B. zur Behandlung der Prostata. Hier konnte in bestimmten Studien bereits
eine Verkleinerung der Prostata und konsekutiv eine klinische Besserung erreicht werden (Huber et al., 1996). Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Deutschen
Krebsforschungszentrum und der Siemens AG Medizintechnik wurde in den letzten
3½ Jahren eine Therapieeinheit entwickelt mit welcher eine Ultraschalltherapie von
Brusttumoren unter kernspintomographischer Kontrolle ermöglicht werden soll. Der
Prototyp dieser Anlage und das Therapieverfahren wurden am DKFZ in in vivo Experimenten an Schafen (Schafeuter) erfolgreich getestet. Zur Zeit werden vom DKFZ,
der Siemens AG und der französischen Firma EDAP/TMS (Lyon) erste klinische Studien zur Behandlung von Brusttumoren vorbereitet.
Anfang der 90er Jahre war der Nachweis gelungen, daß Kavitation durch therapeutischen Ultraschall in Weichteilgeweben entsteht und Schäden verursacht. Transiente
Kavitation verursacht durch die Jetbildung und die lokal hohen Drücke eine große mechanische Beanspruchung des Gewebes, was zum Zerreißen von Zellwandstrukturen
75
führen kann. Neben dieser mechanischen Wirkung induzieren die durch Kavitation
erzeugten Radikale chemische Reaktionen. Die biologische Signifikanz dieser Radikalbildung verglichen mit der mechanischen Wirkung ist noch unklar (Debus et al.,
1999). Deutlich ist aber, daß durch die Kavitation die Wirkung im Zielvolumen erhöht
wird. Da es aber schwierig ist, die Kavitationsbildung während der Behandlung zu
steuern und zu überwachen, wird im allgemeinen versucht, die Wahrscheinlichkeit für
die Kavitationsbildung gering zu halten und die besser steuerbaren, thermischen Wirkungen des Ultraschalls zu nutzen.
Lithotripsie
Seit ca. 15 Jahren stellt die Lithotripsie eine erfolgreiche und den Patienten schonende
Behandlung von Nierensteinleiden dar. Aktuelle Untersuchungen haben die Optimierung der physikalischen Parameter für effizientere Behandlungen zum Ziel. Parallel
wird geforscht, welche Nebeneffekte die erzeugten Schockwellen auf das Gewebe hat.
Bei der Analyse der Mechanismen der Steinzertrümmerung unterscheidet man zwischen zwei Effekten. Einem direkten Effekt, der auf dem Durchgang der Schockwelle
durch den Stein beruht. Die Reflektionen dieser Schallwellen an den Steinenden verursachen Scherkräfte innerhalb des Steines. Wenn die Scherkräfte stärker als die Zugfestigkeit des Steines werden, brechen Außenteile des Steines ab. Ein zweiter, indirekter
Effekt wird durch die umgebende Flüssigkeit vermittelt und führt zur Kavitation
(Coleman und Saunders, 1993). Durch in vitro Experimente wurde aufgezeigt, daß die
Mikrojets der transienten Kavitation Schädigungen am Stein verursachen und zur Zerkleinerung des Steins beitragen (Crum, 1988). Überraschenderweise zerbrechen die
Steine auch parallel zur Schockwellenausbreitung. Dieses Phänomen kann daher rühren, daß der Fokusbereich der Schockwelle größer ist als der Steinumfang und die
Schockwelle sich im Wasser viel langsamer ausbreitet als im Stein. Infolgedessen übt
die Schockwelle, die durch das Wasser führt, einen Druck auf den Steinumfang aus, so
daß dieser paralle zur Ausbreitungsrichtung zerquetscht wird. So kann in der Lithotripsie abgewogen werden, ob man Schockwellenpulse mit hoher Druckamplitude und
kleinem Fokus verwendet, so daß Kavitation entsteht, welche die Steinzertrümmerung
unterstützt. Oder ob man aufgrund der möglichen Nebeneffekte der Kavitation auf das
Gewebe, eher Schockwellenpulse mit kleiner Druckamplitude und breitem Fokus ein76
setzt, so daß die Steine zwar zerquetscht werden, die Kavitation aber unterdrückt wird
(Eisenmenger, 1998).
Anfang der 90er Jahre konnte durch in vivo Messungen in Ratten nachgewiesen werden, daß durch die Lithotripsie Kavitation erzeugt wird (Huber et al., 1994b). Ferner
haben Imaging-Technologien gezeigt, daß temporäre morphologische Veränderungen,
Durchblutungsstörungen und Ödeme in Nieren auftreten, die mit Lithotripsie behandelt
wurden. Bisher konnten allerdings noch keine anhaltenden Nebenwirkungen durch in
vivo Behandlungen dokumentiert werden. In vitro Experimente zur Einschätzung der
Gewebeschädigungen durch Lithotripsie sind nicht sehr aussagekräftig, da die durch
den Ultraschall erzeugten biologischen Effekte viel ausgeprägter sind, wenn die behandelten Zellen sich in einer Suspension befinden. Es scheint als enthielten tierische
Zellen in vivo weniger Kavitationskeime oder als würden die Auswirkungen der Kavitation durch das umgebende Gewebe begrenzt (Coleman und Saunders, 1993).
Der Grund, warum Lithotripsie selektiv arteriosklerotische Ablagerungen entfernen
kann, liegt darin, daß die gesunden Elastin- und kollagenreichen Arterienwände bei der
Ultraschallbehandlung weitgehend unbeeinflußt bleiben und nur die spröden, verhärteten Ablagerungen dem oben genannten Effekten unterliegen.
4.1.3 Aussichten, Entwicklungshemmnisse und F&E-Bedarf
Das Interesse der deutschen Industrie an Produktentwicklungen im Bereich Sonophorese und ultraschallregulierter Wirkstoffreisetzung scheint sehr gering zu sein, da alternative Methoden zur Medikamentenapplikation einfacher zu handhaben sind. Der
Einsatz von Ultraschall zur Therapie von Tumoren wird von der Siemens AG mit Interesse verfolgt und eigene Prototypen sind in der Entwicklung. Die Ultraschallbehandlung arteriosklerotischer Ablagerungen ist in den USA schon länger in der Praxis.
In Deutschland wird das Verfahren von einer mittelständigen Firma (Angiomed) deutlich verbessert und es wird erwartet, damit eine gute Position auf dem internationalen
Markt zu erhalten. Deutsche Produkte im Ultraschallkontrastmittelbereich sind bereits
auf dem Markt. Weitere Ultraschallkontrastmittel sind noch in der Entwicklungsphase.
Es sind hier jedoch vorerst keine weiteren Investitionen seitens der Industrie geplant,
77
weil der Umsatz der ersten Produkte bislang geringer ausfällt als erwartet. Gründe
hierfür sind die nötigen Anpassungen von Ultraschallgeräten an die Kontrastmittel und
die latenten Akzeptanzprobleme seitens der Ärzte, sich auf die neuen, zunächst komplizierteren Methoden dieser Ultraschalluntersuchung einzulassen.
Da die Ultraschalluntersuchungen bei Verwendung von Kontrastmitteln unter anderen
physikalischen Parametern ablaufen als gewöhnliche, müssen die Geräte spezifisch
angepaßt werden. Nur vereinzelt besitzen Geräte bereits eine Software, die eine unkomplizierte Bedienung der Ultraschallgeräte bei der Diagnose mittels Kontrastmittel
ermöglicht. Da die Diagnosemethoden mittels Kontrastmittel kompliziert sind und sich
noch kaum Standardverfahren in der diagnostischen Anwendung etabliert haben, müssen die Ärzte in der Ultraschalldiagnose mit Kontrastmittel geschult werden. Ferner ist
die Entwicklung elektrischer Filter zur selektiven Signaldetektion nötig, um ein erheblich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis für die Diagnose erhalten zu können. Auch
die dazugehörigen Imaging-Vefahren, vor allem für das harmonic imaging, waren bis
vor etwa einem Jahr nur als Prototypen in Forschungslabors zu finden. Inzwischen
wird von fast allen Geräteherstellern THI und CHI in den Spitzenmodellen angeboten.
Siemens und ATL bieten auch bereits Geräte mit Puls-Inversions Methode (PI) kommerziell an. Darum ist zu erwarten, daß sich ein gesteigerter Umsatz für Kontrastmittel
dann einstellt, wenn diese Gerätegeneration mit Kontrastmittel-spezifischer Software
(vereinfachter Bedienung) und die damit gegebenen neuen diagnostischen Möglichkeiten eine weitere Verbreitung finden.
Bei der Lithotripsie und der ultraschallgesteuerten Tumortherapie verstärkt die Kavitation den gewünschten Therapieeffekt. Allerdings ist die Kavitation nicht steuerbar, da
die komplexen Gesetzmäßigkeiten der Kavitationsfeldverteilung noch größtenteils unbekannt sind. So ist es sehr aufwendig, den optimalen Parameterbereich für den gewünschten Kavitationseffekt zu finden. Wegen der Schwierigkeit, das Kavitationsfeld
zu beherrschen und der unzureichenden Kenntnis der Nebenwirkungen wird in der
Praxis bisher versucht, die Entstehung von Kavitation soweit wie möglich zu unterbinden und nur die thermische und mechanische Wirkung des Ultraschalls zu nutzen.
In allen medizinischen Bereichen, in denen Kavitation während der Diagnose- oder
Therapieverfahren entsteht oder eingesetzt wird, ist der Bedarf nach Kenntnissen der
Kavitationswirkung auf biologisches Gewebe groß. Nur wenn man sukzessive die
78
Wirkung der Kavitation auf Gewebe charakterisiert hat, kann eingeschätzt werden,
welche Effekte oder Nebenwirkungen in den jeweiligen medizinischen Anwendungen
durch die Kavitation hervorgerufen werden. Ein besseres Verständnis der Kavitationsfeldverteilung würde es zudem ermöglichen, in welchem Ausmaß Kavitation wäh-
rend einer Ultraschalltherapie entstehen kann.
Zudem ist die Blasendynamik bisher im Frequenzbereich von 20 kHz bis ca. 1 MHz im
homogenen Schallfeld am besten verstanden. In den medizinischen Anwendungen
werden allerdings Ultraschallfrequenzen von 1 - 3 MHz verwendet, die Schallausbreitung verläuft dabei nichtlinear. Darum sind Untersuchungen der Blasendynamik im
MHz-Bereich und bei nichtlinearer Schallausbreitung nötig, um einen optimalen
Einsatz (Erzeugung, Aufrechterhaltung, Steuerung) oder auch Vermeidung der Kavitation in der Medizin zu erreichen.
79
4.2 Nachhaltige Verfahrenstechnik
4.2.1 Marktpotentiale und Stellenwert der Anwendungsbereiche
Reinigung
Durch den Einsatz von Ultraschall in der Reinigung können im effektivem Maße kleinste Partikel von den Oberflächen gelöst werden. Die Reinigung von dünnen Kerben,
Kanälen und Bohrungen in Werkstücken kann meist erst durch den Einsatz der Ultraschallbestrahlung die heutigen Reinheitsansprüche erfüllen. Zudem werden durch die
Ultraschallreinigung neben der besseren Reinigungswirkung, auch kürzere Verweilzeiten im Reinigungsbad und ein geringerer Chemieeinsatz möglich. Dabei wird der
Reinigungseffekt in erster Linie durch die Kavitation bewirkt. Durch die Kraft der
Schockwellen und Flüssigkeitsjets der in der Nähe der Oberflächen kollabierenden
Blasen können kleinste Partikel von den Oberflächen gelöst werden.
Die Ultraschallreinigung wurde Anfang der fünfziger Jahre industriell eingeführt und
war für 25 Jahre das größte Anwendungsgebiet für Ultraschall. Die primären Anwendungsgebiete für dieses Verfahren lagen zunächst in Marktnischen wie in der optischen, medizinischen und Elektronik-Industrie; typische Beispiele sind die Reinigung
chirurgischer Instrumente, optischer Linsen und Filter oder von gedruckten elektronischen Schaltungen. Aber auch bei der Reinigung von Brunnen und Rohrleitungen findet die Ultraschalltechnik immer breiteren Einsatz. Im Konsumentenbereich werden
heute Schmuck, Brillen und hochwertige Schreibgeräte gereinigt.
Der Markt ist geprägt von vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen mit
langjähriger Tradition, die neben der Reinigungstechnik häufig auch Peripheriegeräte
und Zusatzprodukte anbieten. International sind deutsche Unternehmen führend - sie
bestimmen weitgehend Markt und Technologie. Die Exportquote beträgt weit über
50%. USA, Brasilien und Japan gehören zu den wichtigsten Auslandsmärkten. Der
Umsatz der gesamten Branche der Oberflächentechnik steigerte sich um 20% von 1,6
Mrd. DM in 1997 auf über 2 Mrd. DM in 1998. 17% des Umsatzes, d.h. 340 Mio. DM
machte dabei die Vorbehandlung aus. Mit geschätzten 40% (136 Mio. DM) nimmt die
80
Reinigungstechnik (Waschen, Entfetten) neben Beizen, Phosphatieren und Strahlen die
wichtigste Position ein. Nach Aussagen von Herstellern wird die Ultraschallreinigung
in Zukunft weiter stark an Bedeutung gewinnen. Gründe hierfür sind die wachsenden
Qualitätsanforderungen, schnellere Zykluszeiten sowie Kosteneinsparungen durch geringeren Chemieeinsatz und somit auch eine Verminderung der Entsorgungskosten.
Aber auch beim Entfernen von Partikeln und Restschmutz im µm- und nm-Bereich hat
sich diese Technik bewährt. Unterstützt wird der Trend insbesondere durch die Forderung nach immer kürzeren Verweilzeiten im Reinigungsbad.
Eine spezielle Bedeutung kommt der durch Ultraschall erzeugten Kavitation auch in
der Sterilisation von medizinischen Geräten zu. So ergibt sich ein effizienter synergetischer Effekt, wenn Ultraschall bei Frequenzen unter 1 MHz mit dem Einsatz von Antibiotika zur Abtötung der Bakterien eingesetzt wird. Bei häufigen Sterilisationen können die Bakterien eine Immunität gegen die eingesetzten Antibiotika entwickeln. Die
Kavitation wirkt dieser Immunität entgegen, da sie die Membranen der Bakterien für
die Antikörper durchlässig macht und kann so die Sterilisation um zwei Größenordnungen verbessern.
Wie viele neue Technologien soll die Ultraschallreinigung zukünftig auch in Haushaltsprodukten eingesetzt und somit ein breiter Markt erschlossen werden. In erste Linie bieten sich hierfür vor allem Waschmaschinen für Textilien an; es existieren aber
auch Überlegungen für den Einsatz von Ultraschall in Geschirrspülmaschinen. Wie bei
der industriellen Teilereinigung erwartet man sich von der Ultraschallwaschmaschine
kürzere Waschprogramme, eine bessere und schonendere Reinigungswirkung, und eine
geringere Umweltbelastung durch den reduzierten Einsatz von Reinigungsmitteln und
Enthärtern.
Der Markt für Waschmaschinen und Geschirrspülmaschinen alleine in Deutschland ist
immens2. 1997 lag der Umsatz in der Haushaltswaschmaschinenbranche in Deutschland bei 2.999.130 TDM. In der EU dominieren die deutschen Hersteller den Markt
deutlich.
Seit einigen Jahren wird auch intensiv auf dem Gebiet der Wäschepflege mit Ultraschall für industrielle Reinigungsverfahren geforscht. Mögliche Einsatzfelder sind Ul2
Statistische Bundesamt, Wiesbaden; IHK
81
traschallwaschanlagen für Großkrankenhäuser, Hotelketten und Arbeitskleidungsreinigungservice sowie auch industrielle Anwendungen wie das Reinigen von Filtern, Absorptionsmedien und Altpapieren.
Abbau von Schadstoffen und Entkeimung
Der Einsatz der Kavitation in der Wasseraufbereitung bewirkt im wesentlichen eine
Effizienzsteigerung herkömmlicher Methoden, was eine Anpassung an die steigenden
Umweltanforderungen ermöglicht. Kavitation hat dabei die Funktion, Schadstoffe in
nicht toxische Substanzen umzusetzen, Agglomerate und Substanzcluster zu zerlegen,
biologische Materialien zu zersetzen (Sterilisation/Desinfektion) oder hydrophobe
Substanzen in wasserlösliche umzusetzen. Die Substanzen, die so in die Wasserphase
überführt wurden, können dann besser dem mikrobiellen Abbau zugeführt werden oder
durch andere physikalische oder chemische Methoden weiter abgebaut werden. Die
Effizienzsteigerung in der Desinfektion von Wasser durch die Kombination von Ultraschall mit Bakteriziden wird dadurch bewirkt, daß die Aufnahmefähigkeit der Bakterien für die Bakteriziden durch die Kavitation wesentlich erhöht wird.
Bei der Wasseraufbereitung sind im allgemeinen sehr große Wassermengen zu verarbeiten, so daß der hohe Energieaufwand für den Ultraschall den Kostenaufwand deutlich erhöht. Deshalb scheint der großtechnische Einsatz von Ultraschall in der Umsetzung organischer Substanzen in Abwässern unrentabel zu sein. Der für die Praxis der
kommunalen Wasseraufbereitung bisher erfolgreichste Anwendungsbereich von Kavitation ist die Inaktivierung von Plankton, welches den Aufbereitungsprozeß überstanden hat und zu einer Verstopfung der Filter führen kann. Für eine effiziente
Planktoninaktivierung ist bereits ein kleiner Energieaufwand ausreichend. Aber auch
im Abbau von Biomaterialien besteht ein Kosten-Nutzen Vorteil für den Einsatz von
Ultraschall. Die Zellwände der Bakterienzellen werden durch die auftretenden Kräfte
beim Kollabieren der Kavitationsblasen mechanisch zerrissen. Hierfür sind bereits
deutlich geringere Schallintensitäten ausreichend als für den Bruch von kovalenten
Bindungen in organischen Substanzen.
Ein Kosten-Nutzen Vorteil in der ultraschallgestützten Wasseraufbereitung ergibt sich
ferner, wenn nur geringe Mengen von Wasser aufbereitet werden müssen. Firmen für
82
Haushaltsgeräte denken z.B. darüber nach, kleine Wasseraufbereitungsapparate an
Haushaltsgeräte zu koppeln, in denen Trinkwasser verwendet wird (z.B. Kaffeemaschine). Für diese kleinen Wasseraufbereitungssysteme gibt es einen großen Markt im
asiatischen und afrikanischen Raum.
Ferner kann eine deutliche Effizienzsteigerung in der Desinfektion von Wasser durch
die Kombination von Kavitation und Bakterioziden (wie z.B. Chlor oder Antikörper)
bewirkt werden. So werden z.B. durch den herkömmlichen Einsatz von Chlor zur
Desinfektion Mikroorganismen auf Dauer immun gegen normale Konzentrationen an
Chlor im Wasser. Als Folge werden höhere, für den Menschen ungesunde Chlorkonzentrationen zur Desinfektion eingesetzt. Ebenso werden Bakterien bei wiederholten
Desinfektionen durch Antibiotika resistent gegen diese. Durch die Behandlung der
Bakterien mit niedrigfrequentem Ultraschall werden deren Zellmembranen durchlässig
für die Bacteriziden wodurch die Bakterien getötet werden. Durch diese synergetische
Kombination von Ultraschall und Bacteriziden können so die Instrumente bis auf
100% sterilisiert werden (Mason, 1999).
Bei der alternativen UV-Behandlung von Wasser wird oftmals nur die DNA der Mikroorganismen geschädigt. Die daher rührenden Mutationen können die überlebenden
Mikroorganismen in neue Stämme mit noch unbekannten Eigenschaften überführen.
Darüber hinaus wird das UV-Licht zudem von suspendierten, festen Partikeln
(Trübstoffen) in stärkerem Maße absorbiert als Ultraschall (Phull et al., 1999).
Kombination von Ultraschallbehandlung und biologischen Abbau (am Beispiel
der Klärschlammaufbereitung)
Bei der biologischen Reinigung kommunalen Abwassers entstehen große Mengen an
Klärschlamm. In Deutschland fallen pro Tag schätzungsweise rund 500.000 Tonnen
Schlamm an3. Zudem darf in Zukunft in Deutschland der Klärschlamm nicht mehr in
Müllgruben deponiert, sondern muß aufwendig getrocknet und verbrannt werden. Deshalb wird angestrebt, die verbleibenden Mengen an Klärschlamm und deren Restgehalt
an organischen Substanzen deutlich zu reduzieren.
3
Prof. Dr.-Ing. C. Schuster, Steinbeis-Transferzentrum Umweltverfahrenstechnik und Wasserwirtschaft,
59872 Meschede, Telefon 0291/51318
83
In der EU wird 50% des kommunalen Klärschlamms durch anaerobe biologische Behandlung aufgearbeitet. Bei anaeroben Prozessen werden organische Substanzen durch
Bakterien unter Ausschluß von Sauerstoff reduziert und so genanntes Faulgas
(Methan) freigesetzt. Die Freisetzung von Faulgas stabilisiert den Schlamm, das heißt
weitere chemische Reaktionen werden damit unterbunden. Zudem kann das Faulgas zu
Verbrennungsprozessen energetisch genutzt werden. Mit dem anaeroben Schlammabbauprozeß können in einem Zeitraum von 20 oder mehr Tagen 25% bis 60% des organischen Materials umgesetzt werden. Während der letzten 20 Jahre wurden die verschiedensten Methoden untersucht, um diesen Prozeß effizienter zu gestalten. So wurde z.B. der Einfluß von Phasentrennmethoden, thermischen Behandlungen und die Zugabe von Säuren oder Basen auf die Prozeßbeschleunigung untersucht. Im allgemeinen
waren diese Methoden jedoch sowohl hinsichtlich ihrer technischen Realisierung als
auch hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit nicht erfolgreich. Laboruntersuchungen zeigen, daß eine Vorbehandlung des Klärschlamms mit niederfrequentem Ultraschall die
Klärschlammreduktion effektiv fördert. Die durch den Ultraschall erzeugten Scherkräfte und die Kavitation sorgen einerseits für eine bessere, gleichmäßigere Massenverteilung und andererseits für einen Aufschluß von Zellmaterial, dessen Inhaltsstoffe
dem folgenden anaeroben Stoffabbau damit besser verfügbar ist. Folglich verringert
sich mit dem Anstieg der Rate der anaeroben Umsetzung die Prozeßzeit in der Anlage
für den biologischen Abbau (Fermenter) und der Restanteil organischer Substanzen im
Klärschlamm. In Pilotanlagen konnte die anaerobe Klärschlammaufbereitung mittels
der Ultraschallvorbehandlung unter Gleichhaltung des Umsetzungsgrades von 16 auf 4
Tage verkürzt werden (Nickel, 1999). Gleichzeitig kann durch die Ultraschallbehandlung die Produktion von Faulgas um 50% bis 100% erhöht werden (Grüning und Orth,
1999).
Alternative Verfahren zur Klärschlammaufbereitung sind z.B. Hochtemperatur- oder
enzymatische Prozesse. Beide Prozesse haben gegenüber den Verfahren, die die Kavitation nutzen, größere Nachteile. So fallen beim Hochtemperaturverfahren eine Reihe
von Prozessen an, die nicht regulierbar sind und eine Reihe von giftigen Substanzen
hervorbringen. Enzymatische Prozesse sind sehr teuer und damit im Vergleich zur Ultraschallbehandlung wirtschaftlich ungünstiger im scale-up. Ein rentables Verfahren
zum Aufbrechen von Substanz - und Zellagglomeraten ist das mechanische Zermahlen
des Schlamms in Kugelmühlen. Diese haben technische Nachteile, da die Maschinen
dünnere Spalten besitzen, welche aufgrund des grobkörnigen Sandes häufig verstopfen
84
(Friedrich et al., 1999). Ähnliche Probleme weisen die ebenfalls mechanisch arbeitenden Hochdruckhomogenisatoren auf, deren Betriebssicherheit zudem niedriger ist.
Reinigung und Demineralisierung von Sedimenten
Schadstoff-Separationstechniken für Sedimente finden Anwendung bei der Behandlung von Bodenfraktionen aus Sandfängen, Kläranlagen, Baggergut aus Hafenbecken
und Abwasserkanälen und Straßenläufen. Konventionelle, mechanische Waschmethoden ergeben eine gereinigte Sandfraktion und eine kontaminierte Bodenfraktion. Wegen fehlender etablierter Behandlungsprozesse, die wirtschaftlich tragbar sind, wird
der kontaminierte Anteil der Bodenfraktion der gereinigten Sedimente nach einem
Entwässerungsprozeß als Sondermüll deponiert. In Hamburg fallen z.B. pro Jahr ca.
60.000 t verunreinigter Sedimente an. Insbesondere der Anteil der hochkontaminierten
Bodenfraktionen und Feinstteile, läßt die Kosten der Entsorgung ansteigen (500,- und
700,- DM pro Tonne). In Hamburg wurde die erste Anlage errichtet, die diese Sedimentrückstände erfolgreich und wirtschaftlich aufbereitet. Ein Teil des Aufbereitungsprozesses nutzt die Kavitation, die hier allerdings nicht durch Ultraschall, sondern
mittels hydrodynamischer Strömungsmechanik, erzeugt wird. Im Vergleich zum Ultraschall verbraucht die hierfür entwickelten Strömungsmaschine weitaus weniger Energie, was den hohen Kosten-Nutzen Vorteil dieses Aufbereitungsprozesses erklärt
(Kupczik, 1993; Fulfs et al., 1999). Durch die hydrodynamisch erzeugte Kavitation
werden Stoffgruppen mit den nachfolgend aufgezählten Schadstoffen umgesetzt:
• Biogene Feststoffe
• Mineralöle (Benzin, Diesel, Heizöl, Hydrauliköle u.v.a.m.)
• PAK´s (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) u.a. Teeröle
• BTEX (monozyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)
• PCB´s (polychlorierte Biphenyle)
• EOX (extrahierbare Organo-Halogene) und
• Pestizide
Mineralien absorbieren diese organischen Substanzen an ihrer Oberfläche oder werden
von organischen Agglomeraten eingeschlossen. Abhängig vom Bindungszustand können sich bis zu 95% der Mineralien in der organischen Fraktion anreichern, die dann
85
durch die Kavitation aufgebrochen werden und über ein Sedimentverfahren voneinander getrennt werden. Die gereinigten Grobsand- und mineralhaltigen Bodenfraktionen
können u.a. als Baustoff wiederverwendet werden. Die getrennten organischen Suspensionen werden weiter (biologisch) aufbereitet oder als Zusatzbrennstoff in Verbrennnungsprozessen genutzt. Die Aufbereitungskosten für das Verfahren liegen bei
einschichtigem 8-Stunden-Betrieb zwischen 160,- und 180,- DM pro Tonne.
Die Strömungskavitation kann überall dort für Trennverfahren genutzt werden, wo
Mineralien aus organischen Clustern gelöst werden sollen. So kann ein derartiger
Trennprozeß z.B. auch aus Bodenfraktionen der Erzaufbereitung die Ausbeute der
Erzgewinnung um 50% steigern. Ein anderes Beispiel ist die Gewinnung von Öl und
Barrit durch die Abtrennung von Sand aus dem Bohrschlamm von Ölbohrungen, der
sonst komplett zurück in den Boden gepumpt wird.
Mischverfahren
Die Einstrahlung von Ultraschall im Frequenzbereich um 20 kHz in Flüssigkeiten induziert ab einer bestimmten Leistungsdichte Mischungsvorgänge auf der mikroskopischen Skala, die – bei allerdings höherem Energiebedarf – den Ergebnissen der besten
mechanischen Rührwerke vergleichbar sind. In Durchflußreaktoren läßt sich durch
Beschallung ein sehr effizientes Mischungsverhalten erreichen (Monnier et al., 1998),
so z.B. die Emulgation zweier flüssiger Phasen, die Suspension einer festen Phase in
einer Flüssigkeit oder die Zerstäubung einer flüssigen in eine gasförmige Phase. Andererseits ist auch die Trennung von Phasen mittels Ultraschall möglich, wie z. B. das
Entgasen einer Flüssigkeit (Shoh, 1988) oder die Abscheidung der festen Phase aus
Suspensionen (Komarov et al., 1998).
Bei der Herstellung stabiler Emulsionen lassen sich durch Ultraschall gegenüber herkömmlichen Verfahren die sonst benötigten Emulgatoren ganz oder teilweise einsparen. Dies führt einerseits unmittelbar zu einer Kostenersparnis, bietet aber auch einen
unmittelbaren Vorteil in solchen Fällen, in denen die fertige Emulsion aus irgendwelchen Gründen keine Additive enthalten darf. Ein mögliches interessantes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Kohle-Öl-Mischungen – es ist bekannt, daß man
Öl mit einer Beimischung von bis zu 40% Kohlepulver nach einer gewissen Modifika86
tion der Anlagen mit herkömmlichen Brennern verbrennen kann. Allerdings ist hier
nach dem Stand der Technik ein ständiges Schütteln der Mischung notwendig, um ein
Absetzen der Kohleteilchen zu verhindern, wohingegen man nach Zugabe eines geringen Wasseranteils und Ultraschallbehandlung eine stabile Emulsion erhält (Shoh,
1988).
Auch die Herstellung von Suspensionen wird durch Ultraschall verbessert, da sich
durch das Aufbrechen von Partikelansammlungen eine gleichmäßigere Verteilung der
Teilchen in der Flüssigkeit ergibt. Anwendungen liegen z.B. in der gleichmäßigeren
Beschichtung von Trägermaterialien mit Pigmenten oder auch bei der Herstellung von
Magnetspeicherbändern oder –platten (Shoh, 1988).
Aufgrund des höheren Energiebedarfs dürfte der Ultraschall die herkömmlichen Rührsysteme nicht verdrängen können. Er stellt allerdings eine interessante Option zum Erzielen einer möglichst homogenen Durchmischung in Durchflußreaktoren dar, in denen
sich die herkömmlichen mechanischen Rührsysteme nur schlecht anwenden lassen. Als
die interessantesten Gebiete erscheinen im Moment die Herstellung stabiler Emulsionen ohne Zusatzstoffe, die Herstellung feinstverteilter Suspensionen sowie evtl. der
Einsatz als Mischungssystem in Durchflußreaktoren.
Textilveredlung
Prozeßunterstützend wirkt Ultraschall auch in der Textilveredlung. Man vermutet, daß
Kavitation chemische und mechanische Effekte in Färbe- und Bleichmittel bewirkt,
wodurch die Textilbehandlungsprozesse effizienter werden. In Laboruntersuchungen
wurde eine gleichmäßigere und tiefere Anfärbung von Textilfasern, wie Wolle, Polyamid, Baumwolle und Cellulosefasern erzielt als in Referenzfärbungen ohne Ultraschall. Dadurch kann der Einsatz von Ultraschall zu einer Einsparung von Salzen und
Egalisierungsmitteln bzw. Textilhilfsmitteln führen sowie ein Beitrag zum Niedrigtemperaturfärben sein. Durch Einsatz von Ultraschall wurde bisher ebenfalls eine Verbesserung des Wascheffektes in der Rohwollwäsche sowie eine stärkere Aufhellung in
der oxidativen Bleiche von Wolle erzielt. Bei diesen Prozessen wurden signifikante
Veränderungen der Faser- und Materialeigenschaften bisher für die Textilfasern Wolle,
Polyester und Lyocell nicht nachgewiesen (K. Schäfer, 1999).
87
In den 50er und 60 Jahren wurden schon untersucht, wie man Ultraschall in der industriellen Lederbearbeitung einsetzten könnte. Es wurde herausgefunden, daß die ultraschallerzeugte Kavitation die Prozesse zur Enthaarung, Entfettung, Gerben und Färben
beschleunigt. Allerdings wurde der industrielle Einsatzes von Ultraschall in diesen
Prozessen zu dieser Zeit als unrentabel betrachtet. Durch die erheblichen Fortschritte,
die in den letzten Jahren in der Ultraschalltechnik gemacht wurden und aufgrund der
strengeren Umweltgesetzgebung, wird heute wieder erwogen, die Prozesse zur Lederbearbeitung durch Ultraschall, bzw. Kavitation, zu unterstützen. Man erwartet, daß der
Einsatz von Ultraschall in den industriellen Verfahren zur Lederbearbeitung neben den
umweltschonenden Aspekten, Kosteneinsparungen durch die Verkürzung von Prozeßzeiten, Chemikalien und Energie bringt (Jifeng Ding und Jianping Xie, 1999).
4.2.2 Stand der Technik
Reinigung
Bei der Ultraschallreinigung entstehen durch die eingebrachte Energie an den zu reinigenden Oberflächen Kavitationsblasen. Beim Kollaps der Blasen wird die Verunreinigung an der Materialoberfläche durch die ausgesendeten Schockwellen und die Jetbildung der kollabierenden Blasen abgelöst. Vor allem bei dünnen Kerben und kleinen
Bohrungen ist der Einsatz von Ultraschall hilfreich. In das Reinigungsbad werden Ultraschallschwinger eingebaut oder hineingehängt. Für die Auslegung der Ultraschallbäder können die mechanischen Dimensionierungen von Wandler und Wanne berechnet und optimiert werden. Zur Beurteilung der Reinigungswirkung in den Bädern werden in den meisten Fällen Schallfeldberechnungen genutzt, die die räumlichen Zonen
definieren, in denen Kavitation auftreten kann. In Kapitel 2.4 wurde bereits erläutert,
warum diese Einschätzungen der Kavitationsfeldverteilung nicht zuverlässig sind. Die
Optimierung der Ultraschallbäder ist darum ein langwieriges Verfahren, das darauf
basiert, nach Erfahrungswerten verschiedene Parameter zu variieren.
Durch ein neu entwickeltes Under-water-strip Verfahren, das die Kavitation technisch
nutzt, können Turbinen- und Düsenschaufeln von den Resten von Klebstoff- und
88
Dichtungsmaterialien befreit werden4. Dieser Reinigungsprozeß dauert herkömmlich
bis zu 24 Stunden und wird durch dieses, neue Verfahren auf wenige Minuten reduziert. Die zu reinigenden Bauteile werden vorzugsweise in kaltem Wasser mit einem
Wasserstrahl von 4000 bar Druck bestrahlt. Der Wasserstrahl dringt durch das Wasser
und führt Gasblasen bis zur Werkstoffoberfläche mit. Die Wucht des Wasserstrahles
wird hierdurch gemindert. Durch die mitgeführten Gasblasen entsteht an der zu reinigenden Oberfläche Kavitation, die die Dicht- und Klebemasse effektiv und gezielt entfernt, ohne daß das Material in Mitleidenschaft gezogen wird. Dieses Verfahren kann
auf viele weitere Anwendungen übertragen werden, bei dem es darauf ankommt, Bauteile an definierten Stellen zu reinigen.
Die Anpassung der Ultraschalltechnologie an die Haushaltswaschmaschinen stellt eine
komplexe Problemstellung dar und ist noch in der ersten Entwicklungsphase. Die Herausforderung der Produktentwicklung ist, eine einfache Bedienung der komplexen
Technologien zu erreichen. Darüber hinaus sind aber noch umfangreiche Forschungsarbeiten nötig, da die Wirkung des Ultraschalls auf die unterschiedlichen Textilien
weitestgehend unbekannt ist und die Modellierung eines gleichmäßig verteilten Kavitationsfeldes nicht möglich scheint.
Ein erfolgreiches Ultraschalltextilwaschverfahren für industrielle Großanlagen, das in
den letzten Jahren am Instituto de Acústica (CSIC) in Madrid entwickelt wurde (Gallego-Juarez et al., 1996), wird z.Z. am Fraunhofer Technology Center in Miami in einem
Pilotversuch getestet. Bei dieser Pilotstudie wird völlig vom konventionellen Trommelwaschen abgewichen und ein kontinuierliches Gegenstromwaschverfahren eingesetzt.
In mehreren Experimenten konnte gezeigt werden, daß schnelle und gründliche Reinigung von verschiedensten Textilien bei hohen Verschmutzungsgraden erreicht werden
kann. Waschversuche wurden z.B. mit blutbefleckten Operationsleintüchern, öligen
Industriesauggeweben und verkrusteten Wasserfiltermatten durchgeführt. Eine vergleichende Studie mit konventionellen Trommelwaschverfahren brachte hervor, daß durch
den Ultraschalleinsatz Wasser-, Waschmittel- und Energieeinsparungen von mehr als
50% erreicht werden können. Gewebeuntersuchungen zeigten, daß die Ultraschallrei-
4
Steinbeis-Transferzentrum für Verfahrensentwicklung, Hans-Böckler-Straße 14,
72770 Reutlingen, Telefon: 07121/56 52-10
89
nigung trotz überlegener Waschleistung textilschonender war als die Vergleichswaschung.
Abbau von Schadstoffen und Entkeimung
Es wurde schon für eine Reihe von Substanzen gezeigt, daß sie durch Kavitation abgebaut werden können. Diese umfassen Verbindungen der chlorierten Lösungsmittel,
Aromaten, Kohlenwasserstoffe, Pestizide, Phenole und Polymere. Die Reaktionsmechanismen, die dabei durch die ultraschallerzeugte Kavitation ausgelöst werden, hängen einerseits von der Ultraschallfrequenz ab, wobei generell sonochemische Reaktionen nur im Frequenzbereich zwischen 20 und 1000 kHz ablaufen können. Andererseits
hängen die Reaktionsmechanismen von den jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Substanzen ab. Allgemein ist die Umsetzung der flüchtigen und hydrophoben Substanzen effizienter als die der hydrophilen, da diese in die Blasen hinein
diffundieren, wo höhere Radikalkonzentrationen vorliegen als in der umgebenden
Wasserphase.
• Flüchtige Substanzen dringen in die Gasphase der Kavitationsblasen ein und werden
dort durch radikalische Oxidationsprozesse abgebaut. Da die Umsetzung der Substanzen somit allein von der Anzahl der Kavitationsereignisse abhängt, steigt hierbei
die Reaktionsrate mit der Ultraschallfrequenz an.
• Hydrophobe Substanzen reichern sich in der hydrophoben Grenzschicht der Kavitationsblasen an, die gekennzeichnet ist durch eine relativ hohe Konzentration an OHRadikalen und H2O2. Folglich unterlaufen die hydrophoben Substanzen auch hier
radikalische Reaktionen und werden damit in wasserlösliche Substanzen umgesetzt.
Untersuchungen haben gezeigt, daß Reaktionsraten bei Umsetzungen durch OHRadikale in der Blasengrenzschicht ein Maximum bei Ultraschallfrequenzen von
200 kHz erreichen. Dieses Maximum kann dadurch erklärt werden, daß einerseits
die Radikalentstehung mit kleiner werdenden Frequenzen anwächst und andererseits
mit steigenden Frequenzen Radikale vermehrt in die Blasengrenzschicht gelangen.
• Hydrophile Schadstoffe verteilen sich gleichmäßig in der Flüssigkeit und werden
ebenfalls durch Reaktionen mit Radikalen oder H2O2 abgebaut. Da innerhalb der
Blasen mehr Radikale und H2O2 entstehen als von dort in die umgebende Flüssigkeit diffundieren können, sind die Reaktionen der flüchtigen Stoffen innerhalb der
Blasen weitaus effizienter als die der hydrophilen in der wässrigen Lösung.
90
• Makromoleküle und Partikel werden durch die hydromechanischen Kräfte zersetzt,
die beim Kollaps der Kavitationsblasen frei werden. Dabei steigen die Reaktionsraten mit kleineren Ultraschallfrequenzen an. Die Reaktionsraten bei niedrigen Ultraschallfrequenzen steigen zudem mit der Größe der Makromoleküle bzw. Partikel an.
Untersuchungen zeigten effektivste Umsetzungen im Frequenzbereich von ca. 35
kHz bis ca. 260 kHz.
(Neis und Tiehm, 1999)
Bei den bisherigen Untersuchungen wurde das sonochemische Reaktionsverhalten der
einzeln untersuchten Substanzen in Laborversuchen analysiert. Die Einflüsse anderer
gelöster organischer Substanzen auf die einzelnen Abbaureaktionen wurde bisher noch
nicht untersucht. So sind mögliche Nebenreaktionen noch nicht genügend in Betracht
gezogen worden (Neis und Tiehm, 1999).
Wie bereits erwähnt wurde (siehe Kapitel 4.2.1), ist das Kosten-Nutzen Verhältnis bei
der Anwendung der Kavitation in der Wasseraufbereitung im scale-up bisher bei der
Inaktivierung von Plankton und Mikroorganismen am günstigsten. Die Ultraschallparameter für die Inaktivierung von Plankton wurden bereits in einem vom BMBF geförderten Verbundprojekt (Förderkennzeichen 02WT9364/2) optimiert und die Bedingungen für das scale-up untersucht. Mit einer akustisch aktiven Fläche von 2 m2
konnte ein Volumen von 2 m3 behandelt werden (möglicher Durchfluß 300 m3/h). Für
eine effiziente Planktoninaktivierung war ein Energieaufwand von 0,05 kWh/m3 ausreichend.
Für die Desinfektion von Wasser kann Chlor oft die Mikroorganismen nicht erreichen,
da diese inmitten von Agglomeraten oder ausgeflockten Substanzen eingebunden sind.
Da Kavitation solche Agglomerate und Feststoffe aufbrechen, Zellwände aufreißen
und die Durchlässigkeiten von Zellmembranen erhöhen kann, ermöglicht eine Ultraschallvorbehandlung, daß das Chlor effektiver alle noch lebenden Mikroorganismen
erreicht und abtötet. Eine Ultraschallnachbehandlung entgast das Wasser, so daß der
Chlorgehalt nach der Desinfektion weiter verringert werden kann (Phull et al., 1999).
Zum Vergleich: 1 ppm Chlorzusatz tötet nach 20 Minuten 86% der Bakterien ab, Ultraschall alleine tötet 49% der Bakterien ab, während eine kombinierte UltraschallChlor Behandlung die Reduktionsrate auf 100% ansteigen läßt. Für den medizinischen
Bereich gibt es erfolgreiche Versuche, die den synergetischen Effekt von Ultraschall91
bestrahlungen in Verbindung mit dem Einsatz von Antibiotika zur Sterilisation aufzeigen. Dabei wurde die Wirkung von Ultraschall (67 kHz, Pitt et al., 1997, S. 5) kombiniert mit dem Antibiotikum Gentamicin auf verschiedene Bakterienstämme getestet.
Anhand des Wachstumsverhaltens der Bakterienstämme wurde beobachtet, wie die
Ultraschallbehandlung verhinderte, daß die Bakterien auf Dauer gegen die Antibiotika
immun werden (Mason, 1999).
Die Ultraschallfrequenzbereiche, in denen die verschiedenen, von der Kavitation hervorgerufenen Effekte ablaufen, können wie folgt, grob eingeteilt werden: Im Bereich
von 20 bis 400 kHz verursachen eher mechanische Kräfte die Zerlegung von Makromolekülen oder den Aufbruch von Agglomeraten (weshalb dieser Ultraschallbereich
für die Desinfektion eingesetzt wird). Im Frequenzbereich von 500 kHz bis 1.6 MHz
sind radikalische und thermische Reaktionen verantwortlich für die Umsetzung toxischer Substanzen (Portenlänger, 1999).
Da Ultraschall mit Frequenzen unterhalb von 1 MHz schädigend auf Mikroorganismen
wirkt, wird dieser als Vorbehandlung von Abwässern eingesetzt. Ultraschall mit Frequenzen über 1 MHz ist geeignet für die Ultraschallbehandlung direkt im Bioreaktor
zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit, d.h. z.B. zum Aufschluß von Agglomeraten oder
Umsetzung hydrophober Substanzen für den mikrobiellen Abbau.
Kombination von Ultraschallbehandlung und biologischen Abbau (am Beispiel
der Klärschlammaufbereitung)
Nach heutigem Kenntnisstand vollzieht sich der biologische anaerobe Abbau organischer Substanzen bis zu den Endprodukten Wasser, Methan und Kohlendioxid in vier
Phasen. Den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt stellt die Hydrolyse von organischen Feststoffen dar. Deshalb wurde ein Verfahren zur Klärschlammaufbereitung
entwickelt, bei dem Zellmaterial im Klärschlamm mittels niederfrequentem Ultraschall
aufgeschlossen wird und die so freigesetzten organischen Stoffe den folgenden anaeroben Abbau deutlich beschleunigen. Kurzzeitige Ultraschallbehandlung bewirkt dabei zunächst eine Zerstörung der Schlammflockenstruktur. Durch die allmähliche Erhöhung der Behandlungsdauer wird die Freisetzung organischen Materials sukzessive
gesteigert und dem biologischen anaeroben Abbau verfügbar.
92
Bisher wurde die ultraschallunterstützte Klärschlammaufbereitung nur in Modellanlagen untersucht. Weitere Untersuchungen zielen auf Optimierungen des Prozesses und
den Einfluß des Ultraschalls auf weitere, verschiedene Schadstoffe und Feststoffagglomerate. Für bestehende Kläranlagen könnte allerdings jetzt schon eine Verringerung
der Klärschlammenge um 13% durch Ultraschallvorbehandlungen bei gleicher Verweilzeit im Faulturm erreicht werden. Für neue Kläranlagen könnte der Einsatz des
Ultraschallverfahrens den Schlammdurchsatz so erhöhen, daß der Bau eines um den
Faktor 4 kleineren Faulturms möglich wird (Schneider, 1999).
Ferner wurden dabei verschiedene Strategien verfolgt, um organische Schadstoff durch
Ultraschall dem biologischen Abbau verfügbar zu machen:
• Ultraschallbehandlungen während des anaeroben Prozesses werden mit Ultraschallfrequenzen von ca. 3 MHz durchgeführt. Bei diesen Frequenzen sorgt die Kavitation
für eine bessere Überführung hydrophober Substanzagglomerate ( z.B. feste polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) in die wäßrige Lösung. Auf der anderen
Seite ist die Kavitation bei solch hochfrequentem Ultraschall nicht stark genug, um
die Bakterien zu zerstören, die den anaeroben Abbau durchführen (Tiehm, 1999).
• Ultraschallvorbehandlungen, außerhalb des Fermenters für den biologischen Abbau,
können bei niedrigen Ultraschallfrequenzen durchgeführt werden. Im Frequenzbereich von 41 kHz bis 1 MHz laufen sonochemische Prozesse ab, die hydrophobe
Substanzen in wasserlösliche umsetzen. Diese wasserlöslichen Produkte der sonochemischen Reaktionen können danach in anaeroben Prozessen von den Bakterien
besser abgebaut werden (Tiehm, 1999).
• Das Aufbrechen von Zellstoffklumpen oder anderen Feststoffagglomeraten durch
Ultraschall (bzw. Kavitation) kann auch die Entwässerung des Klärschlamms erheblich fördern. Durch die Entwässerung wird die Klärschlammenge nicht nur vermindert, sondern auch nachfolgende Verbrennungs- oder Sedimentationsprozesse
verbessert (Friedrich et al., 1999).
93
Reinigen von belasteten Sedimenten
Der in Hamburg in einer Zusammenarbeit des Ingenieurbüros Kupczik und dem Forschungszentrum Geesthacht entwickelte Aufreinigungsprozeß von Sedimenten besteht
im wesentlichen aus drei Phasen. In einem Konverter werden zunächst Grob- und
Sperrstoffe, Überkorn, Abfälle und Faserstoffe abgeschieden. Die derart homogenisierte Suspension enthält jetzt nur noch mineralische und organische Fraktionen. In
dem nachfolgenden Prozeß werden dann mittels der Strömungskavitation die Mineralien von den organischen Clustern gelöst und durch einen Sedimentationsprozeß voneinander getrennt. In der dritten Phase werden die organischen Fraktionen durch anaerobe
Prozesse weiter abgebaut.
Die Aufbereitung der mineralhaltigen organischen Suspension mittels der Kavitation
erfolgt in Wirbeltrennern. Hier wird die Suspension durch starke Pumpen über Lochplatten geleitet, so daß starke Beschleunigungsdifferenzen innerhalb der Suspension
vorliegen. Durch die so entstehende Kavitation werden die an den Oberflächen der
Mineralien haftenden Schadstoffe abgetrennt. In einer Modellanlage wurde zur Prüfung dieses Verfahrens Baggergut eines norddeutschen küstennahen Hafens aufbereitet. Die Untersuchung ergab, daß die verbleibende Schadstoffbelastung nach Durchlauf
des Baggerguts in dieser Modellanlage so weit erniedrigt werden konnte, daß die gereinigten Sedimente für den “uneingeschränkten Einbau“, d.h. zum Beispiel für Kinderspielplätze, geeignet sind (Fulfs et al., 1999). Bisher ist es möglich, Stofftrennungen
mit Partikelgrößen kleiner als 6 µm zu realisieren. Diese Anlage zur Demineralisierung
von Hafensedimenten ist bisher als Modellanlage getestet. Es wird angestrebt, die oben
beschriebene Sedimentreinigung mit einem 10t/h Durchsatz zu fahren.
Zur Zeit laufen Forschungsarbeiten für die Trennung von organischen Sonderschadstoffen (z.B. PAK) aus Sedimenten. Ferner bestehen Ideen, den Prozeß der Strömungskavitation umzusetzen in der Gewinnung von Öl und Erz aus den abfallenden
Sedimenten der Öl-, bzw. Erzgewinnung.
94
Mischverfahren
So verschieden wie die beobachteten Effekte des Ultraschalleinsatzes in Mischungsprozessen sind, so deutlich unterscheiden sich auch die zugrundeliegenden Mechanismen. Dabei muß auch beachtet werden, daß einige der Mischeffekte nicht auf Kavitation zurückzuführen sind. So erfolgt die Abscheidung der festen Phase aus einer Flüssigkeit mit Hilfe von stehenden Ultraschallwellen. Für die Zerstäubung von Flüssigkeiten ist sowohl die kavitationsinduzierte Jetbildung als auch das Auftreten induzierter Instabilitäten in Oberflächenwellen in der Diskussion. Hier spricht die Frequenzabhängigkeit des Effektes (Zunahme des Massentransfers mit Anstieg der Frequenz) eher
für die zweite Erklärung (Monnier et al., 1998).
Für die Bildung von Suspensionen scheint dagegen die Kavitation (über den Prozeß
der Erosion der Festkörperoberfläche und damit der mechanischen Zerkleinerung der
festen Phase) verantwortlich zu sein. Die Bildung von Emulsionen wird auf die auftretenden Scherkräfte zurückgeführt, die die größeren Tropfen in der Flüssigkeit deformieren und schließlich zerreißen (Rooney, 1988).
Textilveredlung
Die wesentlichen Effekte des Ultraschalls in Textilveredlungsprozessen werden vor
allem durch physikalische Phänomene wie Desaggregation von Farbstoffagglomeraten
(siehe Abb. 4.2.2.1), Entgasen und beschleunigte Diffusion hervorgerufen. Bisherige
Ultraschalluntersuchungen wurden nur bei niederen Frequenzen durchgeführt, so daß
noch nicht bewiesen ist, daß Kavitation diese physikalischen Effekt hervorruft.
Bei Ultraschallbehandlungen in oxidativen Bleichen von Textilien werden sonochemische Reaktionen für die Effekte verantwortlich gemacht. Durch Kavitation kann die
Bildung von Sauerstoffaktivspezies (z.B. O2-, O2H-) aus wäßrigen Lösungen von Wasserstoffperoxid während Textilbehandlungsprozessen gefördert werden, die die Bleiche von Textilien begünstigen können (K. Schäfer, 1999).
95
a)
b)
Substrat:
Polyamid 6.6, Flocke
Farbstoff:
Supranolmarine R (2 %, owf)
Färben:
60 °C, 60 min
Ultraschallquelle:
35 kHz Ultraschallbad (Transsonic T 470/H)
Abb. 4.2.2.1: Textilfärbung (a) vor und (b) nach einer Ultraschallbehandlung. Es ist
deutlich zu sehen, daß die Ultraschallbehandlung eine gleichmäßigere Verteilung der
Farbstoffe bewirkt (Photos erhalten von Dr. K. Schäfer, DWI Aachen).
4.2.3 Aussichten, Entwicklungshemmnisse und F&E-Bedarf
Die Ultraschallreinigung hat von den Verfahrenstechniken, in denen Kavitation technisch umgesetzt wird, das größte Marktpotential. Die anderen verfahrenstechnischen
Anwendungen der Kavitation ermöglichen nachhaltige Verfahren und umweltrelevante
Problemlösungen zur Aufbereitung von Klärschlamm, Abwasser und Sedimenten.
Wie auch in den medizinisch-technischen Anwendungen der Kavitation wird in der
Verfahrenstechnik bei allen Anwendungen als größter Forschungsbedarf das Finden
eines optimalen Parameterbereiches genannt. Bisher konnten noch keine umfassenden
Beschreibungen für die Kavitationsfeldverteilung aufgestellt werden und die quantitativen Untersuchungen der Kavitationswirkungen sind bislang sehr unvollständig. Deshalb können Parametereinstellungen für die technischen Anwendungen der Kavitation
nicht berechnet, d.h. simuliert werden. Bei ultraschallgesteuerten Kavitationsprozessen
müssen für jede Anwendung die Parameter Frequenz, Intensität und Konzentrationen
in langwierigen Erprobungen immer neu gefunden werden. Für die Kavitationsprozes96
se, die durch Strömungsmechanik induziert werden, müssen vor allem die optimalen
Druckbereiche abgestimmt werden. Eine anwendungsübergreifende Datenbank, die
die chemischen und physikalischen Parameter sowie visuelle Beschreibungen über die
Entstehungs- und Verteilungsprozesse von Kavitationsstreamern enthält, könnte einem
Informations- und Erfahrungsaustausch zwischen den einzelnen Anwendungsfeldern
dienen.
In der Ultraschallreinigung müssen ebenfalls in langwierigen Verfahren die optimalen
Parameterbereiche gefunden werden, bei denen sowohl die Reinigungswirkung maximiert als auch Erosionsschädigungen an den Oberflächen vermieden werden. Darüber
hinaus besteht noch das Problem, daß die Objekte nicht gleichmäßig gereinigt werden.
Entsprechend besteht in der Textilveredlung die Schwierigkeit, Materialien homogen
zu färben bzw. zu bleichen. Bisher gibt es nur ingenieurtechnische Ansätze, um die
Prozesse zu verbessern, wie z.B. durch Umwälzen des Objektes. Andere Ansätze beschreiben eine ausgedehntere Kavitationsfeldverteilung, wenn Ultraschall verschiedener Frequenzen eingesetzt wird. Eine deutliche Optimierung der Prozesse und Verkürzung von Entwicklungszeiten wäre darum gegeben, wenn die Grundlagen der Kavitationsfeldverteilung besser verstanden würden und man systematischer Methoden
zur homogenen Behandlung von Objekten entwickeln könnte.
In der Ultraschallreinigungstechnik besteht zudem der Bedarf, mehr über die Jetbildung und die von den kollabierenden Blasen emittierten Schockwellen zu wissen. Die
Ausbildung eines Jets und Schockwellen ergibt einen Wirbelring, der wie eine Bürste
auf die Oberfläche des zu reinigenden Objektes gedrückt wird. Der Reinigungseffekt
ist dabei abhängig von dem Abstand der Blase zur Oberfläche. Abhängig von der Verschmutzung und den Materialeigenschaften wird die Oberfläche des zu reinigenden
Objektes selbst modifiziert, bzw. sogar beschädigt (Erosion, siehe Abbildung 4.2.3.1).
Bisher wurden noch keine quantitativen, systematischen Untersuchungen über die Kavitationswirkung auf Materialien unternommen. Mit Hilfe dieser Kenntnisse könnte
der Wirkungsradius der Kavitation zur Reinigung eingeschätzt werden und würde
zusammen mit einem besseren Verständnis der Kavitationsfeldverteilung ein Design
von Ultraschallbädern ermöglichen.
97
Darüber hinaus könnten quantitative Studien der Schockwellen- und Jetbildung der
kollabierenden Blasen dazu dienen, Lösungen für die Vermeidung von Erosionsschäden zu finden. Bisherige Einschätzungen beschreiben rein qualitativ, daß die Flüssigkeitsjets das Material wie beim Wasserstrahlschneiden beschädigt, während die
Schockwellenbildung zu Materialermüdungen führen kann, wodurch das Material auf
Dauer zerstört wird. Aufgrund detaillierterer Kenntnisse hierüber könnten die Materialdaten und Prozeßparameter so ausgewählt werden, daß Erosionsschäden vermieden
werden könnten. Dies würde einen erheblichen Fortschritt nicht nur für kommerzielle
Anwendungen der Ultraschallreinigung und Sonochemie bedeuten, sondern auch in
Bereichen der Schiffahrt und Hydraulik.
a)
b)
Abb. 4.2.3.1: a) Stahl vor der Ultraschallbehandlung, b) Aufrauhung der Stahloberflä-
che durch eine Ultraschallbehandlung in einem handelsüblichen Ultraschallreinigungsbad bei einer Ultraschallfrequenz von 35 kHz und einer Beschallungszeit von 22 h.
(Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskop (REM), erhalten von R. Reichl, Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut (NMI) an der Universität Tübingen,
Reutlingen, 1999)
98
5 EINSCHÄTZUNGEN ZUM STAND UND ENTWICKLUNG DER FORSCHUNG
5.1 Standpunkte von Anwendern, Herstellern und Wissenschaftlern
Viele Ultraschallanwendungen in industrieller und medizinischer Praxis sind dem Verständnis der zugehörigen Mechanismen weit voraus. So kann bei Ultraschallverfahren
die erzeugte Kavitation nicht gezielt gesteuert oder verhindert werden. Vielfach ist erst
gar nicht bekannt, welche Auswirkung die Kavitation während des jeweiligen Prozesses im einzelnen hat. Folglich basiert die Optimierung der Verfahren allein auf der Ansammlung praktischer Erfahrungen. Dies hat zur Folge, daß Weiterentwicklungen der
Technologien aufwendig und langwierig sind, da die entsprechenden Parameter nur
experimentell optimiert und nicht simuliert werden können.
Bei Anwendungen in der Sonochemie beklagen zahlreiche industrielle Anwender, daß
die aus der Forschung veröffentlichten Resultate im großtechnischen Maßstab nicht
bestätigt werden konnten. Aufgrund der komplexen Vorgänge bei der Kavitation, treten bei einer hochtransformierten Ultraschalleistung im scale-up neue, unerwünschte
Effekte auf, und die Reaktionsabläufe sind weniger ergiebig als von der Wissenschaft
angekündigt. Zudem fehlt ein Erfahrungsaustausch mit Experten aus anderen Anwendungsbereichen der Kavitation, so daß die aufgestellten Anlagen auch relativ größere
Erosionsschäden aufweisen. In Chemieunternehmen fehlt zudem häufig das erforderliche Know-how in akustischen Technologien und Kenntnisse über Referenzinstallationen. Unternehmen, die für sonochemische Verfahren Modellanlagen errichtet hatten,
verloren nach einiger Zeit das Interesse daran. Die Anlagen konnten mit der Produktion spezieller Einzelprodukte nicht ausgelastet werden und die Rentabilität war unzureichend. Da für jedes Produkt immer mehrere alternative Synthesewege existieren,
wurde darum in der chemischen Industrie etablierten Verfahren der Vorzug gegeben.
In anderen Verfahrenstechnologien, die auf den mechanischen Effekten der Kavitation
beruhen, gibt es weitaus positivere Erfahrungen mit dem scale-up der Anwendungen.
Besonders die Ultraschallreinigung ist für Hersteller von Bauteilen und medizinischen
Geräten nicht mehr wegzudenken. Das Bundesimmissionsschutzgesetz verlangt z. B.
eine starke Restriktion im Einsatz chlorierter Kohlenwasserstoffe (CKW). Diese
99
konnten in den 80er Jahren schon zum größten Teil durch Systeme substituiert werden,
die auf wäßriger Reinigung mit Ultraschallunterstützung basieren. In den 90er Jahren
traten zwei neue Aspekte stärker in den Vordergrund: Durch die Entwicklung von Präzisionsgeräten und komplexen Bauteilen mit engen Bohrungen (<1µm) und hochpräzisen Passungen, werden höhere Anforderungen an eine Feinstreinigung gestellt. Außerdem wird die Reduzierung der Anzahl harter Restpartikel, die zu Verschleiß führen
können, an den Reinigungsobjekten verlangt. Zur Verkürzung der Produktionszeiten
versucht man ferner, die Ultraschallreinigung in die Fertigungslinie zu integrieren
(Schmidt, 1999). Deshalb besteht in der industriellen Teilereinigung ein großer Bedarf
nach einer Meßtechnik, die schnell und mit hoher räumlicher Auflösung die Kavitationsfelder mit gewünschter Reinigungswirkung visualisieren kann. Ferner ist eine
schnelle, gezieltere und optimierte Auslegung der Reinigungsbäder gewünscht, die
durch die Simulation von Kavitationsfeldern ermöglicht würde. Wäre die Modulation
von Ultraschalleistung, Frequenz, Medienbewegung und anderen Parametern zur Optimierung von Kavitationsfeldern mit spezifischer Reinigungswirkung durch Simulationen möglich, würde dies einen erheblichen Fortschritt für die industrielle Fertigung
darstellen.
Entsprechend den Anwendern der Ultraschallreinigung streben auch die Hersteller danach, die gezielte Auslegung von Ultraschallbädern zu simulieren, um den spezifischen
Kundenwünschen in kurzer Zeit entsprechen zu können. Zudem stellt die Erosion bei
Ultraschallbädern noch immer ein Problem dar, das wohl auch abhängig ist von dem
jeweils eingesetzten Reinigungsmittel. Auch wenn Deutschland eine gute Position auf
dem internationalen Markt für Ultraschallreinigung hat, werden die Ultraschallbäder
allein von kleinen und mittelständigen Unternehmen hergestellt. Diese haben nicht die
Kapazitäten, um selbst grundlegende Entwicklungsarbeiten, wie die gezielte Steuerung
von Kavitationsfeldern und Unterbindung von Erosion, zu leisten.
Andere, in der Praxis bereits erfolgreiche, großtechnische Anwendungen der Kavitation gibt es bei der Klärschlamm- und Sedimentaufbereitung. Da hierbei große Volumina bearbeitet werden und Ultraschall viel Energie verbraucht, wird in vielen Fällen die
Kavitation strömungstechnisch erzeugt. Auch dort stellt die Optimierung der Kavitationswirkung bei jeder spezifizierten Anwendung ein aufwendiges Verfahren dar, das
nur auf praktischen Erfahrungen basiert.
100
In medizinisch-technischen Anwendungen wird die Kavitation durch Ultraschall erzeugt. Auch bei Therapien durch Laserbestrahlung kann Kavitation entstehen und den
Behandlungsprozess beschleunigen. Viele dieser medizinischen Techniken wurden
bereits in der Praxis eingeführt, ohne daß Details der zugrundeliegenden Mechanismen
bekannt wären. Auch hier könnte ein besseres Verständnis der Kavitationsprozesse zu
einer wesentlichen Optimierung der Anwendungen führen. Auffallend ist, daß in allen
medizinischen Anwendungen mehr Wissen über die Kavitationswirkung auf das jeweilig behandelte oder untersuchte Gewebe gewünscht wird, um damit Behandlungen
zu optimieren oder Nebenwirkungen einschätzen zu können.
Durch die wissenschaftliche Untersuchung der Single Bubble Sonoluminescence
(SBSL) seit Anfang der 90er Jahre versteht man mittlerweile viele Elementarprozesse
einer isolierten Blase besser. Im folgenden wird versucht, eine tieferes Verständnis
dieser Prozesse dadurch zu erhalten, daß der Blasenkollaps und die damit verbundenen
Effekten durch den Einsatz von niederfrequentem Ultraschall verstärkt werden (upscaling). Allerdings ist es noch ein großer Schritt zum Verständnis der komplexen Kavitationsprozesse in der Mehrblasenkavitation.
Zusammenfassend, wird von Anwendern und Herstellern die Untersuchung folgender Aspekte gewünscht, um Anwendungsprozesse erheblich zu verbessern:
• Detailliertere Charakterisierung der unterschiedlichen Kavitationseffekte für niederen, mittleren und hohen Ultraschallfrequenzbereich
• Quantitative Untersuchungen der Erosionseffekte der Kavitation auf verschiedenen
Oberflächenstrukturen und Oberflächenschichten
• Eine qualitative und quantitative Beschreibung der Kavitationsfeldverteilung und
ihre Wirkung auf das Ultraschallfeld bzw. die hydrodynamische Strömung
• Kenntnisse über Wirkungsradien der Kavitation in den jeweiligen Anwendungsbereichen
• Modellentwicklungen für die Kavitationsschwelle transienter Kavitation unter Berücksichtigung der Diffusion und chemischer Parameter
101
5.2 Bibliometrische Analysen
Literatur- und Patentdatenbanken werden als Quellen für wissenschaftliche und technische Informationen genutzt. Neben Sachtexten enthalten die Datenbanken zu jeder
Veröffentlichung auch Informationen über die jeweiligen Autoren, den Veröffentlichungszeitpunkt, die Publikationsquelle, Sachkennworte und Referenzen. Die Bibliometrie umfaßt Methoden und Verfahren, die diese Daten statistisch so auswerten, daß
Aussagen gemacht werden können über:
• thematische Schwerpunkte und Trends in der Forschung oder Technikentwicklung
• das Ausmaß von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
• Indikatoren für schleichende Veränderungen in der Forschungslandschaft
• Kooperationen und Wettbewerb
• Indikatoren für die Bedeutsamkeit der Veröffentlichungen (durch den Zitierungsindex oder die Art der Veröffentlichungsquelle)
Methoden und Art der Datenanalyse sind dabei abhängig von den jeweiligen Datenbankstrukturen, d.h. von der Form, in der die einzelnen Datentypen (Autoren, Herkunftsland, Referenzen, etc.) in der jeweiligen Datenbank gespeichert sind und wie sie
abgerufen werden können.
In Bezug auf das Themenfeld “Kavitation“ haben sich die Datenbanken SCISEARCH
(Science Citation Index) für die Literaturstatistik und WPINDEX (Derwent World Patents Index) für die Patentstatistik als geeignet erwiesen. SCISEARCH enthält Literatur
zu multidisziplinären Fachgebieten aus Wissenschaft, Medizin und Technologie, während WPINDEX Informationen zu Patentveröffentlichungen aus den 40 wichtigsten
Industrieländern der Welt umfaßt. In beiden Datenbanken können die Aspekte Veröffentlichungs-, bzw. Patentoffenlegungsdatum, Autor (bzw. Patentbevollmächtigter),
Länder der Autoren (bzw. der ersten Patentoffenlegungen) und Sachkennwörter, bzw.
die Kennziffer der International Patent Classification (IPC) statistisch ausgewertet
werden.
Zu den Suchbegriffen “cavitation, sonochemistry, sonoluminescence“ wurden in SCISEARCH 6464 Publikationen aus 108 Ländern in dem Zeitraum von 1972 bis 1999
gefunden. Davon sind 2462 Veröffentlichungen aus den USA, mehrere hundert jeweils
102
aus Großbritanien, Japan, Frankreich, Deutschland, Kanada und den GUS-Staaten. In
WPINDEX wurden in dem Zeitraum von 1955 bis 1998 unter den gleichen Stichworten 5349 Patentdokumente zu Erstanmeldungen gefunden, worin jeweils alle folgenden
Anmeldungen in weiteren Länder bereits enthalten sind. Dabei steht die GUS mit 1961
Erstanmeldungen an erster Stelle, gefolgt von der USA mit 1095 und Japan mit 946
Erstanmeldungen, über hundert Patenterstanmeldungen werden in Deutschland, Großbritannien und Frankreich verzeichnet.
Abbildung 5.2.1 zeigt die zeitliche Entwicklung der Publikations- und Patentaktivitäten im Vergleich. Auffällig ist, daß es im Laufe der 70er und 80er Jahre ungefähr doppelt soviel Patente als Literaturveröffentlichungen gab. Dies bestätigt die Aussage der
interviewten Experten, daß technische Umsetzungen der Kavitation dem Verständnis
der Grundlagen der Kavitation vorausgeeilt sind. Das heißt, die Effekte der Kavitation
wurden bereits technisch umgesetzt, bevor wirklich verstanden war, nach welchen Gesetzmäßigkeiten sie ablaufen.
Abbildung 5.2.2 stellt die zeitliche Entwicklung der Publikationsaktivitäten der Bereiche Physik und Chemie gegenüber. Deutlich ist das Aufleben der Sonochemie im Laufe der 80er Jahre zu erkennen. Diese Entwicklung könnte auch das Ansteigen des Patentvolumens gegenüber den 70er Jahren erklären. Der rapide Anstieg der jährlichen
Publikationen am Anfang der 90er Jahre wurde durch die Entwicklung der Einzelblasenkavitation verursacht, welche eine Kettenreaktion von Forschungsaktivitäten nach
sich zog. Während die Gesamtzahl aller Patente diesen Zuwachs zu Beginn der 90er
Jahre nicht zeigt, steigt die jährliche Rate an Patenten für den Fachbereich Maschinenbau und elektronische Bauteile (Abb. 5.2.3) ab dem Jahr 1994 deutlich. Es ist davon
auszugehen, daß die meisten Patente aus diesem Bereich die Vermeidung von Erosion
als Grundlage haben. Fraglich ist, ob dieser Anstieg mit der Gewinnung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse seit Anfang der 90er Jahre zusammenhängt, da die Literaturaktivität zum Sachgebiet Erosion diese Entwicklung nicht aufweist (Abb. 5.2.4).
103
700
600
500
400
300
200
100
0
1997
1994
1991
1988
1985
L it e r a t u r
1982
1979
1976
1973
P a te n te
Abb. 5.2.1: Jährliche Anzahl der Publikationen und Patente zu den Suchbegriffen ca-
vitation, sonochemistry, sonoluminescence (Datenbanken: SCISEARCH, WPINDEX).
120
100
80
60
40
20
0
1998 1995
1992 1989
1986 1983
1980 1977
C he m ie
1974
P h ys ik
Abb. 5.2.2: Jährliche Anzahl der Publikationen zu den Suchbegriffen cavitation, sono-
chemistry, sonoluminescence unterteilt nach den Kennwörtern chemistry und physics
(Datenbank SCISEARCH).
104
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1997
1993
1989
1985
1981
1977
1973
V e rfa h re n s p ro z e s s e
M e d iz in u n d H y g ie n e
M a s c h in e n b a u , e le k t r o n is c h e B a u te ile
Abb. 5.2.3: Anzahl der Patenterstanmeldungen pro Jahr zu den Suchtermen cavitation,
sonochemistry, sonoluminescence für die Anwendungsbereiche “Medizin und Hygiene“ (IPC-Nr.: A61), “Verfahrensprozesse“ (IPC-Nr.: a23, a41-a45, b01-03, b07b09, c01, c02, c05, c07, c09, c14, d01, d06, d21, f26) und “Maschinen und elektronische Bauteile“ (IPC-Nr.: f und h) (Datenbank WPINDEX).
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1998 1995
1992
1989
1986
E ro s io n
1983
1980
1977
1974
M e d izin
Abb. 5.2.4: Anzahl der Publikationen zu den Suchbegriffen cavitation, sonolumi-
nescence, sonochemistry kombiniert mit Suchbegriff erosion bzw. mit dem Sachkennwort medicine (Datenbank SCISEARCH).
105
Das Abklingen der Patentaktivitäten im Bereich “Verfahrensprozesse“ kann mit dem
schwindenden Interesse der chemischen Industrie an sonochemischen Verfahren zusammenhängen (siehe Kapitel 5.1). Zu den Themen ‚Wasser- und Klärschlammaufbereitung, Reinigung, Mineral- und Sedimentaufbereitung sind im Zeitraum von 1972 bis
Oktober 1999 allein 74 Publikationen in SCISEARCH gespeichert. Das kann darauf
zurückgeführt werden, daß aufgrund der sehr technischen Natur dieser Themen, die
Arbeiten bevorzugt in nationalen, technischen Zeitschriften veröffentlicht werden, die
nicht in internationalen Literaturdatenbanken geführt werden.
Abb. 5.2.5: Anzahl der Patenterstanmeldungen zu den Suchbegriffen cavitation, sono-
chemistry, sonoluminescence für die Anwendungsbereiche “Textilien, Leder, Papier“
(IPC-NR.: A41-A45, C14, D01, D06, D21), “Reinigung, Trocknen“ (IPC-Nr.: B08,
F26), “Trenn-, Dispersions-, Emulsions-, Mischverfahren“ (IPC-Nr.: A23, B01-B03,
B07, C05), ‚Feststofftrennung, Sedimentaufbereitung“ (IPC-Nr.: B09), “Wasser-,
Klärschlammaufbereitung“ (IPC-Nr.: C02), “chemische Verfahren“ (IPC-Nr.: C01,
C07, C09), “Medizin, Hygiene“ (IPC-Nr.: A61), “Maschinenbau, elektronische Bauteile“ (IPC-Nr.: F, H) (Datenbank WPINDEX).
106
Die Publikationsrate im medizinischen Bereich zum Thema Kavitation verläuft ähnlich
der zeitlichen Entwicklung der gesamten Publikation. Auch die Patentaktivitäten im
Bereich Medizin und Hygiene verzeichnen einen deutlichen Anstieg seit Anfang der
90er Jahre, der in Abbildung 5.2.3 aufgrund der Skalierung nicht so deutlich hervortritt.
Abbildung 5.2.5 zeigt die Aufteilung der Patente zum Thema Kavitation nach verschiedenen Anwendungsfeldern. Deutlich sichtbar ist die Dominanz der Patente für
Anwendungen im Maschinenbau und Elektronik. Wie schon erwähnt, handelt es sich
hierbei wahrscheinlich um Patente zur Erosionsvermeidung handelt. Die Relevanz dieser Problematik wird damit recht deutlich.
Tabelle 5.2.1 zeigt die Reihenfolge der Länder nach den Patentaktivitäten in den jeweiligen Anwendungsbereichen.
Rang
1
2
3
4
5
6
§
Kanada, $China
Alle
GUS USA
J
D
F/GB
S
Medizin, Hygiene
USA
D
GUS
F
GB
Wasser-, Klärschlammaufbereitung
GUS USA
J
D
GB
F
Physikalische Verfahrestechnik
GUS USA
J
D
GB
F
Chemische Verfahrenstechnik
USA
GUS
D
Textilien, Papier, Reinigen, Trocknen
GUS USA
J
D
GB
F
Maschinenbau, Hydraulik, Elektronikteile
GUS USA
J
D
GB
F
J
J
CDN§ TZ$
Tabelle 5.2.1: Reihenfolge der Länder nach ihren Patentaktivitäten zu den Suchbegrif-
fen cavitation, sonoluminescence, sonochemistry und verschiedenen Anwendungsfelder. Die IPC-Nummern der jeweiligen Anwendungsfelder sind bereits in der Beschreibung zu Abb.5.2.5 aufgelistet (Datenbank WPINDEX).
107
Rang
1
2
3
4
5
6
Alle
USA
GB
J
F
D CDN1
Medizin
USA
GB
D
E
J
CDN1
Wasser-, Klärschlammaufbereitung,
USA CDN/
J/D/
5
-
-
6
1
Kanada, 2Singapur, 3Taiwan, 4Süd Korea
5
einzelne Patente aus AUS, SLO, 3RC, I, IND und
4
ROK
6
zwei Patente jeweils aus CDN, D, PL, und CH
GUS/F SGP2
Mineralgewinnung
GB
USA
RC3
DK/F
Erosion
USA
J
GB
F
Chemie
USA
F
GB
GUS
J
D
Physik
USA
J
GUS D/GB/
I
E
Reinigung
D CDN1
F
Tabelle 5.2.2: Reihenfolge der Länder nach ihren Literaturaktivitäten zu den Suchbe-
griffen cavitation, sonoluminescence, sonochemstry und jeweils den Sachkennworten
medicine, chemistry und physics, mining & mineral processing, bzw. den Suchbegriffen erosion, water treatment, sewage or sludge und cleaning (Datenbank SCISEARCH).
In Tabelle 5.2.2 sind entsprechend die Reihenfolge der Länder nach ihren Literaturaktivitäten dargestellt. Auffallend ist, daß die GUS-Staaten bei den meisten Anwendungsfeldern die höchste Patentaktivität zeigen, aber bezogen auf Publikationen keine
so starke Stellung besetzen. Dies kann daran liegen, daß die meisten russischen Wissenschaftler ihre Arbeiten bevorzugt in russischsprachigen Zeitschriften veröffentlichen, die nicht in der international ausgerichteten Datenbank SCISEARCH gespeichert
sind. Im medizinischen Anwendungsbereich der Kavitation steht Deutschland an dritter Stelle der Patentaktivitäten. Hier vertritt bisher die Siemens AG mit 4 Patenten den
dritten Platz in der Reihenfolge aller Patentbevollmächtigter. Die Schering AG ist an
zwei Patenten beteiligt. Im Anwendungsfeld Maschinenbau steht die Robert Bosch
GmbH mit 39 Patenten zum Thema Kavitation an erster Stelle weltweit. Die frühere
Daimler-Benz AG hält für diesen Anwendungsbereich 8 Patente und ist damit in der
108
Reihenfolge der Patentaktivitäten unter den ersten 20. Auffallend ist, daß Deutschland
sich bezogen auf die Patentaktivitäten in fast allen Anwendungsbereichen auf Platz
vier befindet und auch bezogen auf die Literaturaktivitäten gemittelt Platz vier vertritt.
Abbildung 5.2.6 zeigt, daß erst während der letzten 10 Jahre Autoren aus deutschen
Forschungslaboren wesentlich zur internationalen Publikationsrate für den Bereich
Kavitation beitragen. Während von 1972 bis 1988 50 Autoren aus deutschen Laboren
Arbeiten zum Thema Kavitation international veröffentlichten, sind es mittlerweile
870.
60
50
40
30
20
10
0
1998
1995
1992
1989
1986
1983
1980
1977
1974
Abb. 5.2.5: Anzahl der jährlichen Publikationen zu den Suchbegriffen cavitation, so-
noluminescence, sonochemistry von Autoren aus deutschen Instituten, bzw. deutschen
Unternehmen.
Zusammenfassend kann man der bibliometrischen Analyse entnehmen, daß mit der
Entwicklung der Methode zur Untersuchung der Einzelblasenkavitation sowohl die
internationalen als auch speziell die deutschen Forschungsaktivitäten stark angewachsen sind (Abb. 5.2.1 und 5.2.5). Dieser Anstieg der Publikationsrate spiegelt sich gleichermaßen in den physikalischen als auch chemischen Disziplinen wider (Abb. 5.2.2).
Die medizinische Forschung konnte die neu erworbenen Kenntnisse über die Kavitationsprozesse für medizintechnischen Anwendungen umsetzen, was nicht nur in der
Statistik der Literatur- und Patentaktivitäten zum Ausdruck kommt (Abb. 5.2.4), son109
dern auch von Experten aus der pharmazeutischen Industrie bestätigt wurde. Der fehlende Anstieg der Publikationsraten mit Beginn der 90er Jahre für die Themenbereiche
Erosion und nachhaltige Verfahrenstechniken kann darin begründet sein, daß diese
stark technisch ausgerichteten Arbeiten bevorzugt in nationalen, technischen Zeitschriften veröffentlicht werden. Dies scheint vor allem für den Bereich Erosion zu
gelten, da die Patenaktivitäten zur Erosionsvermeidung in diesem Zeitraum sehr wohl
anstiegen. Der nicht vorhandene Anstieg von Literatur- und Patentaktivitäten für den
Bereich Verfahrenstechniken ist laut den Aussagen von Experten so zu erklären, daß
einerseits die chemische Industrie das Interesse an sonochemischen Verfahren verloren
hat. Anderseits laufen die Entwicklungen zur technischen Umsetzung der Kavitation in
der Wasser-, Klärschlamm- und Sedimentaufbereitung sowie Textilveredlungsprozessen erst sein ein paar Jahren an und bilden noch Nischenbereiche.
Sowohl in der Grundlagenforschung der Kavitation als auch der technischen Entwicklungen steht Deutschland international auf Platz vier (Tabelle 5.2.1 und 5.2.2). Die
GUS Staaten, USA, Japan, Großbritannien und Frankreich stellen die größten Konkurrenten dar. Die starke Zunahme der Forschungsaktivitäten in Deutschland während der
letzten 3 Jahre zeigt, daß hier ein hohes Potential vorhanden ist, das für medzintechnische Entwicklungen, zur Vermeidung von Erosionen und für den weiteren Ausbau von
nachhaltigen Verfahrenstechniken genutzt werden kann.
5.3 Nationale und internationale Aktivitäten
In Deutschland gibt es sowohl Gruppen, die sich mit Grundlagenforschung im Bereich
der Kavitation beschäftigen als auch anwendungsorientierter Forschung wie z.B. der
Sonochemie oder Medizintechnik. Die meisten Untersuchungen und Verfahrensentwicklungen der Sonochemie dienen der Anwendung in der Wasser-, Klärschlammoder Sedimentaufbereitung, was dem starken Wunsch in Deutschland nach umweltschonenderen Verfahren entgegenkommt. Diese Projekte sind häufig Kooperationen
zwischen akademischen Arbeitsgruppen und Herstellern von Ultraschallgeräten. Während die Schering AG das einzige pharmazeutische Unternehmen ist, das sich für die
medizinischen Anwendungen der Kavitation interessiert (z.B. Kontrastmittel), gibt es
bei den Herstellern medizinischer Geräte mehrere Unternehmen, die die Entwicklung
110
in den akademischen Arbeitsgruppen mit Interesse verfolgen, bzw. teilweise unterstützen (z.B. Siemens AG, Dornier Medizintechnik GmbH). Einige Projekte wurden und
werden noch vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Viele Untersuchungen in der Grundlagenforschung werden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt. Im folgenden sind einige der durch das
BMBF und DFG unterstützten Projekte erwähnt.
Die folgenden Auflistungen von Projekten und Arbeitsgruppen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Förderungen durch Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im
Bereich Kavitation
Chemische und Physikalische Forschung
Sonolumineszenz: Mechanismen und mögliche Anwendungen; NMI Reutlingen, Universität Stuttgart, Laufzeit 1995 – 1998, Förderkennzeichen 13N6729/6
Mechanische Effekte und Radikale als Auslöser chemischer Reaktionen durch Ultraschall: Untersuchungen an Dextranen als Modellsystem; TU München; Laufzeit: 2,5
Jahre, seit 1996 abgelaufen, Förderkennzeichen: 03D00170
Nutzung von Kavitationseffekten zur Beschleunigung und/oder selektiven Steuerung
ausgewählter organischer Synthesen unter besonderer Berücksichtigung von Fluorverbindungen; Universität Rostock; Laufzeit: 2,5 Jahre, seit 1996 abgelaufen; Förderkennzeichen: 03D00181
Modellierung und Messung von Betriebsparametern bei der Aktivierung von Feststoffen für organometallreaktionen in Ultraschallreaktoren; TU Clausthal, Firma Chemetall; Laufzeit ca. 3 Jahre, läuft aus im August 2000; Förderkennzeichen: 03D0066A-B.
Ultraschallanwendungen in technisch relevanten Mehrphasenprozessen; Universität
Rostock, TU Hamburg Harburg; Laufzeit: (vorrauss.) Juli 99 – Juli 2002; Förderkennzeichen: 03D0071A und B.
111
Umwelttechnologien
Klärschlammreduzierung mittels Ultraschall; Firma STN ATLAS Elektronik GmbH,
TU Hamburg-Harburg; Laufzeit 2 Jahre; abgelaufen seit September 1998; Förderkennzeichen: 02-WS9460
Beeinflussung der Bioverfügbarkeit von kolloidaler partikulärer und assoziierter organischer Substanzen mit Ultraschall; TU Hamburg-Harburg, Laufzeit 2 Jahre, abgelaufen seit Januar 1999; Förderkennzeichen: 02WA9677.
Entwicklung der technischen Anwendung von Ultraschall zur Inaktivierung von Zooplanktern und beweglichen Phytoplanktern; Max-Planck-Institut für Strahlenchemie
Mülheim (Ruhr), L-3 Communications ELAC Nautic GmbH, Wahnbachtalsperrenverband Siegburg, Laufzeit 2 Jahre, abgelaufen seit dem Frühjahr 1996, Förderkennzeichen 02 WT 9364/2.
Medizintechnik
Physikalische Grundlagen sowie medizinische und biologische Wirkung unterschiedlich generierter Stoßwellen im Hinblick auf die klinische Anwendung; Universität
Stuttgart, Laufzeit: 1988-1993, Förderkennzeichen: 01KH8706/6
Meßmethode zur Untersuchung von dynamischen Grenzflächen in Flüssigkeiten
Bei dem hier aufgeführten Projekt soll der Einfluß grenzflächenaktiver (amphiphiler)
Substanzen auf die Ausgleichs- und Relaxationsvorgängen an und in fluiden Grenzflächen und die mechanischen Grenzflächeneigenschaften untersucht werden. Dazu werden die Oberflächeneigenschaften einer Gasblase ausgenützt, die durch Druckschwankungen zu Oszillationen angeregt wird. Im Gegensatz zu den in dieser Technologieanalyse beschriebenen Grundlagen und Anwendungen der Kavitation, werden in diesem
Projekt jedoch die Gasblasen zu linearen Oszillationen angeregt.
112
Untersuchung der Dynamik fluider Adsorptionsschichten mit Hilfe oszillierender Blasen; Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Berlin; Laufzeit:
November 1997 – Dezember 1999; Förderkennzeichen: 13N7283/0.
Kurzbeschreibung: Für die Bestimmung der Oberflächenelastizitäten der Adsorptionsschichten löslicher grenzflächenaktiver Stoffe wurde ein Verfahren entwickelt, dessen
Prinzip darauf beruht, eine kleine Luftblase in einer Lösung eines grenzflächenaktiven
Stoffes in Abhängigkeit von der Frequenz zu Radialschwingungen definierter Amplitude zu erregen. Durch die Anwesenheit der Adsorptionsschicht in der Blasengrenzfläche wird die Druckänderung des Schwingungssystems beeinflußt. Aus der Lösung der
Schwingungsgleichungen läßt sich durch Vergleich mit den gemessenen Amplituden
die Oberflächenelastizität bestimmen (Kretzschmar und Lunkenheimer, 1970; Wantke
et al., 1993).
Förderungen durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Bereich Kavitation
Sonderforschungsbereich 185: Nichtlineare Dynamik (abgelaufen seit 1998);
Untersuchung der Strukturbildung bei hydroakustischem Chaos (TH Darmstadt);
Sonolumineszenz (Universität Marburg)
Graduiertenkolleg “Strömungsinstabilitäten und Turbulenz“ (seit 1997):
Kollaps- und Stoßwellendynamik von Kavitationsblasen (Universität Göttingen)
Untersuchung akustischer Lichtenbergfiguren (Universität Göttingen)
Sonolumineszenz, Dynamik von Blasen in der Ultraschalldiagnostik; Spiral Defect
Chaos; Universität Marburg (1997).
Einzelblasen-Sonolumineszenz bei niedrigen AnregungsfrequenzenUniversität Stuttgart, Projektbeginn 6.99, Laufzeit: 3 Jahre, (Go 642/4-1)
Untersuchungen der Kavitationserosion und Lumineszenz mit lasererzeugten Blasen;
Universität Göttingen, seit 1998.
113
Sonochemischer Abbau von sauerstoffhaltigen Kraftstoffkomponenten; Universität Jena, Laufzeit 1998-2000.
Arbeitsgruppen in Deutschland
Prof. Dr. Dr. J. Debus (Abteilung Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapeutische Onkologie, Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, j.debus@dkfzheidelberg.de): Ultraschallwirkung auf Gewebe, Ultraschallanwendungen auf in der
Tumortherapie, Simulation und Monitoringverfahren in der Ultraschalltherapie, Detektion von Kavitationsereignissen in hochenergetischen Ultraschallfeldern, Gentransfer mittels Ultraschall.
Priv. Doz. Dr. Michael Delius (Institut für Chirurgische Forschung, Universität München, Delius@icf.med.uni-muenchen.de): Stoßwellenforschung (Wirkstoff- und Gentransfer, Kavitationswirkung auf Gewebe).
Prof. Dr. Klaus Gersonde (Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert, gersonde@ibmt.fhg.de): Geräteentwicklung, u.a.: Ultraschall-Sensorsysteme für
die Prozeßüberwachung (Ultraschall-Resonanz-Spektrometer zur Größenbestimmung
von Mikroblasen), Gewebe- und Materialcharakterisierung mit Hilfe des quantitativen
Ultraschalls, Doppler-Systeme (Flußüberwachung, Mikroblasen- und PartikelDetektion in Flüssigkeiten).
Dr.
Bruno
Gompf
(Erstes
Physikalisches
Institut,
Universität
Stuttgart,
gompf@pi1.physik.uni-stuttgart.de): Einzelblasensonolumineszenz, SBSL bei niedrigen Frequenzen (upscale der SBSL), (früher unter Prof. Dr. Wolfgang Eisenmenger:
Schockwellen, Lithotripsie), zusammen mit NMI: Sonolumineszenz: Mechanismen
und mögliche Anwendungen.
Dr. Ralf Günther, Dr. R. Reichl (Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
an der Universität Tübingen, Reutlingen, guenther@nmi.de, reichl@nmi.de): Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung von Ultraschallbädern und Einsatz von
Computersimulationen zur Optimierung von Ultraschallbädern.
114
Priv.Doz. Dr. Peter Harting, Dr. Jörg Hofmann (Institut für Nichtklassische Chemie
e.V. an der Universität Leipzig, jhofmann@sonne.tachemie.uni-leipzig.de): Sonochemischer Schadstoffabbau in Problemwässern, Beeinflussung
von
heterogen-
katalytischen Oxidationsprozessen (MOLUS-Verfahren), physikalischen Trennprozessen (Sonosparging, Extraktion) und chemischen Reaktionen durch Ultraschall.
Prof. Dr. Horst Hennig (Institut für Anorganische Chemie, Universität Leipzig, hennigho@sonne.tachemie.uni-leipzig.de): photo- und sonokatalysierte Reaktionen, Abbau organischer Schadstoffe in Böden und Abwässern unter Kombination von sonound photochemischen Methoden.
Prof. Dr. Helmut Heusinger, Dr. Günther Portenlänger (Institut für Radiochemie, TU
München, por@rad.chemie.tu-muenchen.de): Sonochemische Modifikation von Biopolymeren (Kohlenhydrate, Dextrane, Heparine u.a.).
Prof. Dr. U. Hoffmann (Institut für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT)der TU
Clausthal, icvt@itv.tu-clausthal.de): Verfahrensttechnische Auslegung, Konstruktion,
Bau und Betrieb von Ultraschall-Reaktoren für chemische Umsetzungen, Kavitationserosionsuntersuchungen an Materialproben.
Dr. Joachim Holzfuss (Institut für Angewandte Physik, TU Darmstadt, Joachim.Holzfuss@physik.tu-darmstadt.de): SBSL (optimierte Anregung von Kavitationsblasen, 2-Frequenzanregung, räumliche Stabilität und Schockwellenabstrahlung),
Mehrblasensonolumineszenz.
Prof. Dr. Frerich J. Keil (Arbeitsbereich Chemische Verfahrenstechnik, TU HamburgHarburg, keil@tu-harburg.de): Physikalische Grundlagen der Sonochemie, Modellierung von Reaktoren für sonochemische Reaktionen).
Prof. Dr. Werner Lauterborn (Drittes Physikalisches Institut, Universität Göttingen,
lb@physik3.gwdg.de): Einzelblasendynamik im Ultraschallfeld, single laser-induced
bubble dynamics, asphärische Blasendynamik, Bildung des Flüssigkeitsjets und
Schockwellen, Erosion, Blasenlumineszenz von sphärisch und asphärisch kollabierenden, laserinduzierten Blasen, Zwei- und Mehrblasensysteme, multi-bubble lumi-
115
nescence, Strukturbildung in Kavitationsfeldern, Simulation des Blasenkollaps mit
molecular dynamics.
Prof. Dr. Ralf Miethchen (Abteilung für Organische Chemie, Universität Rostock,
ralf.miethchen@chemie.uni-rostock.de): Sonochemische organische Synthese.
Prof. Dr. Dr. Gerhard Müller, Dr. André Roggan (Geschäftsbereich Medizintechnik,
Laser- und Medizin-Technologie gGmbH, Berlin, medtech@lmtb.de): Applikationssystem für die endoskopische Laser- und Ultraschall-Therapie (Therapeutische Kombinationsverfahren); Ultraschall- und Laserlichtübertragung über Lichtwellenleiter.
Prof. Dr.-Ing. Uwe Neis, Dr. Andreas Tiehm (Arbeitsbereich Abwasserwirtschaft, TU
Hamburg-Harburg, neis@tu-harburg.de, tiehm@tu-harburg.de): Bioverfügbarkeit von
partikulären, kolloidalen und gelösten refraktären Substanzen in der aeroben und anaeroben Behandlung von Abwässern und Schlämmen, Schlammbehandlung, Entfernung
chlorierter Phenole aus Modellabwässern durch das Kombinationsverfahren Ultraschall/Mikrobiologie.
Prof. Dr. Bernd Ondruschka (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie, Universität Jena, bernd.ondruschka@rz.uni-jena.de): Aquasonochemischer Abbau organischer Schadstoffe.
Dr. Karola Schäfer (Deutsches Wollforschungsinstitut, RWTH Aachen e.V., Schaefer@dwi.rwth-aachen.de): Ultraschall-gestütztes Färben und Bleichen von Wolle.
Prof. Dr. Clemens von Sonntag (Max-Planck-Institut für Strahlenchemie, Mülheim a.d.
Ruhr, vonsonntag@mpi-muelheim.mpg.de): Kinetik der Radikalbildung im Ultraschallfeld, OH-Radikalbildung durch Ultraschall in wässriger Lösung.
Dr. Alfred Vogel (Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH, vogel@mll.muluebeck.de): Dynamik von laserinduzierten Blasen in der Nähe von elastischen Oberflächen (tissue phantom); laserinduzierte, asphärische Blasendynamik; laserinduzierte
Kavitationseffekte in Flüssigkeiten durch ultraschnelle Laserpulse.
116
Arbeitsgruppen in anderen europäischen Ländern
In Europa werden durch die europäische Kommission im Rahmen von COST- (European Cooperation in the fields of Scientific and Technical research), von COPERNICUS- (Countries of central Europe and the New Independent States of the former Soviet Union) und von INTAS (International Association for the promotion of cooperation with scientists from the New Independent States of the former Soviet Union) zahlreiche sonochemische Projekte gefördert. In COST kooperieren Gruppen aus Frankreich, Belgien, Großbrittanien, Deutschland, Slovakei, Polen, Portugal, Spanien,
Schweiz, Finnland, Italien sowie aus den USA, Australien und Japan. In COPERNICUS und INTAS kooperieren Gruppen aus EU-Ländern mit Gruppen aus Rußland sowie anderen Ländern Zentral- und Osteuropas. Die Themen der Projekte umfassen
physikalische Grundlagen der Sonochemie, der synthetischen organischen Sonochemie, sonochemische Radikalreaktionen, sonochemische Bildung von Nano- und Mikrostrukturen, sono-elektrochemische Prozesse, sonochemische Prozesse zur Mediendurchmisschung, Sonolumineszenz, Design der Ultraschallreaktoren und die Optimierung des scale-ups für erfolgreiche Laborexperimente. Auf nationaler Ebene werden
Forschungsprojekte in Kavitation durch nationale Forschungsfonds, Forschungsministerien, Wirtschaftsministerien und in England auch durch das Department of Defense
Evaluation and Research Agency des Verteidigungsministeriums gefördert. Letztere
fördert Projekte, die die Erosionseffekte der Kavitation untersuchen. Darüber hinaus
beschäftigen sich englische Forschungsgruppen mit Themen der Sonochemie und der
numerischen Simulation von Kavitationsereignissen. In Frankreich und Belgien wird in
relativ starkem Maße im Bereich der organischen, homogenen Sonochemie gearbeitet.
In den Niederlanden wird neben der Untersuchung der physikalischen Grundlagen der
Einzelblasendynamik ein Forschungsvorhaben über die medizinische Nutzung der Kavitation gestartet.
Prof. Dr. John Blake (School of Mathematics and Statistics, University of Birmingham,
J.R.Blake@bham.ac.uk): Computation of growth and collapse of cavitation bubbles,
computation of sonoluminescence, cavitation damage.
Prof. Dr. Jonathan M. Blackledge, Dr. Allan Evans (Department of Mathematical Sciences , De Montfort University, Leicester, ake@dmu.ac.uk): mathematical modelling
of the bubble's collapse, simulations of dynamics of single bubbles.
117
Prof. Dr. Richard Compton (Physical & Theoretical Chemistry, Laboratory University
of Oxford, richard.compton@chem.ox.ac.uk): sonoelectrochemistry (use of voltammetry to monitor ultrasonically induced radicals and other high energy species), sonoactivation of electrodes.
Dr. Nico de Jong (Thoraxcentre, University of Rotterdam, dejong@tch.fgg.eur.nl):
ultrasound contrast agents.
Prof. Dr. Juan Gallego-Juárez (Instituto de Acústica, CSIC, Madrid, jgallego@fresno.csic.es): development of high-power ultasound transducers for cavitation
research and applications, ultrasonic cleaning of textile materials, cavitation research.
Prof. Dr. Reverdy Gilbert (Laboratoire Chimie Moléculaire et Environnement, Université de Savoie, gilbert.reverdy@univ-savoie.fr): Sonochemical activation in organic
synthesis, sonochemical and microwave activation in phase transfer catalysis, sonochemical radical formation, sonochemical degradation of organic compounds, sonochemical soil remediation, determining the chemically active zones in ultrasonic reactors.
Prof. Dr. ir. H. Van Langenhove (Department of Organic Chemistry, University of
Gent, herman.vanlangenhove@rug.ac.be): ultrasonic degradation or sonolysis (sonochemistry) of trichloroethylene and chlorobenzene, influence of physicochemical properties of volatile organic compounds on their sonolysis rate, degradation techniques
based on ultrasound/hydrogen peroxide/copper oxide processes applied on phenol and
trichloroethylene.
Prof. Dr. Thierry Lepoint (Lab. de Sonochemie et d'Etude de la Cavitation, Institut
Meurice-CERIA, Brussels, tlepoint@meurice.heldb.be): chemical activity of single
bubbles in levitation (Single Bubble Sonochemistry), multibubble sonoluminescence at
higher frequencies of therapeutic interest.
Prof. Dr. Detlef Lohse (Department of Applied Physics, University of Twente, lohse@tn.utwente.nl): upscale of SBSL, theory of light emitting process in SBSL, response of bubbles to diagnostic ultrasound, concepts for ultrasound contrast imaging, two-
118
phase flow, bubbles in turbulence, bubble-bubble interaction, multi bubble sonoluminescence.
Prof. Dr. Tim J. Mason (School of Natural and Environmental Sciences, Coventry
University, t.mason@coventry.ac.uk): electrosynthetic reactions and electrolysis in
sonochemistry, optimization of experimental set-ups and equipment for sonochemistry.
Dr. Gareth Price (Department of Chemistry, University of Bath, g.j.price@bath.ac.uk):
sonochemical polymer chain breakage and formation of free radicals.
Prof. Dr. Jacques Reisse (Lab. de Chimie Organique E.P.; Université Libre de Bruxelles, jreisse@ulb.ac.be): sonochemical radical reactions (homogeneous sonochemistry).
Prof. Dr. John Tsamopoulos (Department of Chemical Engineering, University of Patras, tsamo@kronos.chemeng.upatras.gr): computational bubble dynamics, interaction
of bubbles, bubble stability.
Arbeitsgruppen in Rußland
Forschungsgruppen aus Rußland und anderen zentral- und osteuropäischen Ländern
werden in verstärktem Maße in internationalen Kooperationen gefördert. Entsprechend
den europäischen Förderprogramme COPERNICUS und INTAS werden russische
Forscher auch in Kooperationen mit amerikanischen Forschern und Unternehmen
durch die gemeinnützige Organsation der amerikanischen Regierung CRDF (Civilian
Research and Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union) unterstützt. Russische Fördermittel für Forschungsvorhaben in Kavitation
kommen vom RFBR (Russian Foundation for Basic Research). Die russischen Gruppen zeichnen sich in erster Linie durch ihre Stärke in der Theorie der Blasendynamik
und Kavitationsphänomene aus, was eventuell auf die begrenzten finanziellen Mittel
zurückzuführen ist.
119
Prof. Dr. I. Sh. Akhatov (Department of Mechanics of Continuous Media, Branch of
Russian Academy of Sciences, Ufa (Bashkortostan): Bashkir State University, iskander@anrb.ru): Numerical simulations of SBSL, numerical modelling of bubble clusters.
Dr. Igor N. Didenkulov (Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, din@appl.scinnov.ru): single bubble dynamics in an acoustic field, instability of bubble collapse;
sonoluminescence and sonochemistry; acoustic properties of bubble clouds, nonlinear
acoustic Doppler effect for bubble flows, application of nonlinear acoustic methods for
bubble counting and sizing and flow velocity measurements in oceanography (subsurface bubble layer, swimming bladder fish counting in rivers), industries (pipelines) and
medicine (blood).
Prof. Dr. Oleg V. Rudenko (Department of Acoustics, M: V. Lomonosov Moscow
State University, rudenko@na.phys.msu.su): Cavitation phenomena in shock wave lithotripsy.
Prof. Dr. Vadim A. Simonenko (Russian Federal Nuclear Ctr., Snezhinsk,
sva@sva.ch70.chel.su): investigations of energy densities in single-bubble cavitation,
large-scale cavitation, numerical simulations of SBSL.
Arbeitsgruppen in den USA
In den USA gibt es nicht nur einen großen Markt für Ultraschalltechnologien, sondern
auch eine große Anzahl von Herstellerfirmen für ultraschallgestützte Technologien.
Selbst europäische Firmen lagern ihren Bereich für Ultraschalltechnologien in die USA
aus. Entsprechend fördern nicht nur staatliche Stellen Forschung in Bereichen mit Ultraschallanwendungen, sondern bestehen im Vergleich mit Europa im größeren Umfang Kooperationen zwischen Unternehmen oder auch kleineren Firmen und akademischen Gruppen. Von den staatlichen Stellen fördern NSF (National Science Foundation), DOE (Department of Energy), DARPA (Defense Advanced Research Projects
Agency) und das Office of Naval Research Untersuchungen der physikalischen
Grundlagen der Kavitation und Forschung in der Sonochemie. Das NIH (National Institute of Health) unterstützt anwendungsorientierte Forschung der Kavitation für me120
dizinische Technologien sowie die Effekte der Kavitation auf Gewebe (z.B. bei der
Lithotripsie). Zwei universitäre Gruppen werden von der NASA (National Aeronautics
and Space Administration) unterstützt, welche den Effekt der Gravitation auf die Blasendynamik untersuchen.
Prof. Dr. Robert E. Apfel (Department of Mechanical Engineering, Yale University,
robert.apfel@yale.edu): up-scaling cavitation, ultrasound contrast agents.
Prof. Dr. Dominick J. Casadonte (Department of Chemistry and Biochemistry, Texas
Tech University, tkdjc@ttu.edu): sonochemistry of mixed-metal powders in hydrocarbon solvents for the formation of intermetallic coatings, sonochemical degradation of
hydrocarbon contaminants from aqueous media.
Prof. Dr. H. Michael Cheung (Deptartment of Chemical Engineering, University of
Akron, cheung@uakron.edu): Sonochemical Destruction of Chlorinated Hydrocarbons
in Dilute Aqueous Solution.
Prof. Dr. Lawrence A. Crum (Applied Physics Laboratory, University of Washington,
lac@apl.washington.edu): differences and similarities between single-bubble and multiple-bubble sonoluminescence, modeling of the gas dynamics of bubble collapse,
break down of hazardous compounds (sonochemistry), production of exotic nanoparticles, enhancement of ultrasonic cleaning techniques, catalytic sonochemistry, sonochemical manufacturing of small amounts of amorphous (noncrystallized) iron, cavitation-related effects in extracorporeal shock wave lithotripsy, acoustic hemostasis.
Dr. Filipe Gaitan (National Center for Physical Acoustics, University of Mississippi,
gaitan@olemiss.edu): parameter space of SBSL at various liquid temperatures for different gases and liquids, non-spherical bubble-shape oscillations.
Prof. Dr. Michael R. Hoffmann (W. M. Keck Laboratories, California Institute of
Technology, mrh@cco.caltech.edu): application of ultrasonic irradiation and pulsedpower plasmas for the elimination of chlorinated hydrocarbons from contaminated
waters.
121
Dr. Thomas L. Hoffmann (Fraunhofer Technology Center Hialeah, Florida,
tlh@FTeCH.org) ultrasonic cleaning of domestic and industrial fabrics, ultrasonic mixing and characterization of suspensions, paint stripping, cavitation, sonochemical degradation of organic compounds in water, development of cavitation reactors and
transducers.
Prof. Dr. R. Glynn Holt (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Boston University, rgholt@bu.edu): the role of gravity in sonoluminescence, parameter
space of sonoluminescence for various liquid temperatures, acoustic hemostasis.
Prof.
Dr.
Inez
Hua
(School
of
Civil
Engineering,
Purdue
University,
hua@ecn.purdue.edu): physical variables during sonolysis (i.e. ultrasonic frequency),
study of sonochemical degradation kinetics and by-products (especially of polychlorinated biphenyls), correlation of physics and hydrodynamics of cavitation bubbles with
sonochemical effects.
Prof. Dr. Philip L. Marston (Department of Physics, Washington State University, marston@wsu.edu): sonoluminescence and bubble dynamics in low gravity, bubble shape
oscillations.
Dr.
W.
C.
Moss
(Lawrence
Livermore
National
Laboratory,
Livermore,
wmoss@llnl.gov): shockwave formation in the collapsing bubble, simulations of the
temperatures inside the collapsing bubble.
Prof. Dr. Andrea Prosperetti (Department of Mechanical Engineering, John Hopkins
University, prosper@titan.me.jhu.edu): theory of bubble dynamics, behavior of
bubbles in confined spaces such as micro-channels, modeling heat transport, bubble
growth, collapse, and pulsation in micro-channels.
Prof. Dr. Seth J. Putterman (Department of Low Temperature & Acoustics, University
of California, http://www.physics.ucla.edu/faculty/ladder/putterman.html): effect of
noble gas doping in SBSL, Sonoluminescence from isolated hemispherical bubble on
solid surfaces.
122
Dr. Peter Riesz (NIH, Division of Clinical Sciences, Radiation Biology Branch, sono@helix.nih.gov): identification of free radical intermediates by EPR spectroscopy in
sonochemistry for sonodynamic therapy (combination of ultrasound and certain drugs,
e.g. sonosensitizers).
Prof. Dr. Ronald A. Roy (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Boston University, ronroy@bu.edu): role played by bubbles and cavitation microstreaming in diagnostic and high-intensity therapeutic ultrasound, sound emission from
bubble clouds, comparison of multi-bubble and single-bubble sonoluminescence.
Prof. Dr. Kenneth S. Suslick (Department of Chemistry, University of Illinois, ksuslick@uiuc.edu): measurement of effective temperatures and pressures present during
cavitation, conditions created in liquid-powder slurries examined through the aggregation of metal particles, catalytic and stoichiometric sonochemical reactions of organometallic compounds, metal surfaces, and inorganic powders, sonochemical syntheses
for amorphous and nanoscale materials, sonochemical synthesis for proteinaceous
microspheres for biomedical applications, production of very high surface area amorphous metals, alloys, carbides, and sulfides, with important and interesting catalytic
properties, sonochemistry for application to organic waste remediation.
Prof. Dr. Andrew Szeri (Department of Mechanical Engineering, University of California, aszeri@me.berkeley.edu): effects of gas mixtures within sonoluminescence,
control of nonlinear bubble dynamics, influence of liquid temperature on the sonoluminescence hot spot.
Prof. Dr. Linda K. Weavers (Department of Civil & Environmental Engineering and
Geodetic Science, Ohio State University, Weavers.1@osu.edu): combination of sonolysis and ozonolysis for degradation of aromatic compounds in water, sonolytic decomposition of ozone in aqueous solution
Arbeitsgruppen in Kanada und Australien
In Canada fördern universitären Fonds und die NSERC (the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Untersuchungen der Grundlagen und Anwen123
dungen der Kavitation. In Australien gibt es nur eine Gruppe, die im Bereich Sonochemie arbeitet und von der ARC (Australien Research Council) gefördert wird.
Prof. Dr. J. David N. Cheek (Phsyics Department, Concordia University, cheeke@vax2.concordia.ca): parameter space for SBSL.
Prof. Dr. Bruce Dunwoody (Department of Mechanical Engineering, University of
British Columbia, dunwoody@mech.ubc.ca): development of a viable sonochemistry
reactor using electrostatic transducers.
Prof. Dr. Franz Grieser (School of Chemistry, University of Melbourne,
f.grieser@chemistry.unimelb.edu.au): sonochemical preparation of metal oxide colloids for producing ultra small particles having interesting surface properties.
Prof. Dr. Peeter Kruus (Department of Chemistry, Carleton University, Ottawa,
PeeterKruss@pigeon.carleton.ca): Sonochemstry in synthesis, sonochemical degradation of chlorbenzene, formation of nitrite and nitrate by ultrasound.
Arbeitsgruppen in Japan
In Japan wird insbesondere die Forschung an den Erosionseffekten der Kavitation im
Schiffsbau, hydraulischen Maschinen und Wasserjettechnologie gefördert. Darüber
hinaus gibt es Gruppen, die in der anwendungsorientierte Forschung für medizinische
Zwecke und im Bereich Sonochemie tätig sind. Grundlagen der Kavitation werden
vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur gefördert.
Prof. Dr. Takashi Ando (Department of Chemistry, Shiga University of Medical Sciences, ando@sums.shiga-med.ac.jp): sonochemical organic synthesis.
Prof. Dr. Shuji Hattori (Faculty of Engineering, Fukui University, hattori@mech.fukuiu.ac.jp): cavitation erosion of materials.
Prof. Dr. Shigeo Hayashi (Dept. of Applied Physics and Chemistry, University of
Electro-Communications, hays@pc.uec.ac.jp): plural sonoluminescing bubbles in
124
acoustic fields of higher mode, dynamics of sonoluminescing bubbles, sonochemical
oxidation of potassium iodide.
Dr. Tetsuya Kodama ( Instutute of Fluid Science, Tohoku University, Currently Visiting Research Fellow at the Wellman Laboratories of Photomedicine, Massachusetts
General
Hospital,
Harvard
Medical
School
for
1998/2000,
koda-
ma@helix.mgh.harvard.edu): cavitation bubble dynamics and bubble-shock wave interaction as a study of in vivo bubble dynamics.
Prof. Dr. Yoichiro Matsumoto (Department of Mechanical Engineering, The University of Tokyo, ymats@mech.t.u-tokyo.ac.jp): bubble dynamics in cavitation.
Dr. Hideto Mitome (National Industrial Research Institute of Nagoya, Material Structure Designing Laboratory, mitome@nirin.go.jp): modelling of ultrasonic reactor for
sonochemistry, utilization of chemical and kinetic fields generated by irradiation of
intense ultrasound.
Prof. Dr. Shigemi Saito (Faculty of Marine Science and Technology, Tokai University,
Tel.: +81-543-34-0411): relaxation mechanism of sonoluminescence, nonlinear acoustic phenomena and their application to measurements.
Dr. Hiroyuki Takahira (Department of Energy Systems Engineering, Osaka Prefecture
University, takahira@energy.osakafu-u.ac.jp): dynamics of a cluster of bubbles.
Prof. Dr. Y. Tomita (Faculty of Education, Hokkaido University of Education, tomita@cc.hokkyodai.ac.jp): erosion effects of cavitation, mechanism of impulsive pressure generation due to cavitation bubble collapse near a boundary.
125
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Kavitation bezeichnet die Entstehung von Hohlräumen in Flüssigkeiten und deren
Bewegung. Der Hohlraum kann durch eine lokale Unterdruckphase (z. B. in Schallfeldern), Scherspannungen (z.B. an den Grenzflächen von Turbinen) oder einen Energieeintrag (z. B. durch Laserlicht) in die Flüssigkeit gerissen werden. In die so entstandenen Blasen diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase hinein. Steigt der Druck
in der Flüssigkeit wieder an, kollabieren die Gasblasen durch den äußeren Druck.
Während des Blasenkollaps wird der Blaseninhalt so stark komprimiert, daß hohe
Drücke (mehrere 100 bar) und hohe Temperaturen (mehrere 1000°K) erzeugt werden,
das Gas in der Blase ionisiert wird und Radikale entstehen. Ferner emittiert die Blase
während des Kollaps Schockwellen und es tritt, falls sie sich in der Nähe von festen
Oberflächen befindet, ein Flüssigkeitsjet durch sie hindurch.
Die von den Blasen emittierten Schockwellen und Flüssigkeitsjets haben die Kraft,
um z. B. Partikel von festen Oberflächen abzulösen, Partikelagglomerate aufzulösen,
Makromoleküle und bakterielle Zellwände aufzubrechen, feste Materialien zu zerstören (Erosion) oder Mineralien aus organischem Material herauszulösen. Ferner können
die Radikale, die während des Blasenkollaps entstehen, diverse chemische Prozesse
initiieren. Diese physikalischen und chemischen Kavitationseffekte können sehr breit
gefächert und branchenübergreifend in der Verfahrens- und der Medizintechnik umgesetzt werden.
Tabelle 6.1 gibt einen Überblick über die Bereiche, in denen die Kavitation die bisher
bedeutsamsten technischen Umsetzungen gefunden hat. Dabei werden gemäß des “Integrierten Technologiemanagments“ auch Einschätzungen dafür gegeben, welche Folgen die jeweiligen technischen Umsetzungen tendenziell bewirken und wo vertiefte
Studien frühzeitig eventuelle Konsequenzen aufzeigen könnten. Die Tabelle wurde auf
Basis der in der Technologieanalyse dargestellten Ergebnisse und Aussagen von Experten erstellt. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß sie keinen Anspruch auf
Vollständigkeit erhebt und lediglich grobe Trends widerspiegelt.
126
Technische Anwendungen der Kavitation
VDI TECHNOLOGIEZENTRUM
Zukünftige Technologien
Ökonomische
Ökologische
Soziale
Politische
Rechtliche
Anwendern
Management (GU)
KMU
Gesetzgeber
Bevölkerung
Technikakzeptanz
FuE-Entwicklungsstand
Marktpotential (derzeit)
Marktpotential > 5 Jahre
Return of Invest
Einschätzung
Marktrelevanz
Wissenschaftliche
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
SOA
1
5
5
3
3
5
1
1
1
1
1
Info-Defizite bei
Technische
6
6
6
5
1
1
1
1
1
1
1
Europa
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
D
Infrastruktur
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
USA
Int. Arbeitsteilung
1
1
1
1
1
3
3
3
3
1
1
D
Aus- u. Weiterbildung
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Japan
Patent-/Lizenzrechtliche
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
D
Gesundheitliche
4
6
6
3
1
1
5
2
1
1
5
Erwartete Technikfolgen
D
Finanzielle
1
1
1
1
1
5
6
5
6
5
5
Politische
1
1
3
1
1
6
1
1
1
1
1
Ethische
6
6
6
6
6
1
4
4
1
1
1
anderes ?
5
5
4
4
4
5
6
6
5
5
5
D im int.
Vergleich
Entwicklungshemmnisse D
Technologische
k
k
l
k
m
k
l
Strömungsdynamik
l
l
l
k
k
Maschinenbau
l
Biologie
4 k
1 l
1 l
4 m
4 k
5
2
2
2
3
2
Chemie
1
1
1
1
1
5
6
6
6
4
4
Arbeit und Soziales
Arbeit und Soziales
1
1
1
1
1
5
5
1
1
1
1
Umwelt
Umwelt
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
Wohnen
Wohnen
6
5
4
6
6
1
1
1
1
1
1
Ernährung
Ernährung
US-Kontrastmittel
Wirkstoffreisetzung
Sonophorese
Tumorbekämpfung
Lithotripsie
Reinigung
Wasseraufbereitung
Klärschlammaufbereitung
Sedimentaufbereitung
Mischverfahren
Textilveredlung
Gesundheit
Int. Stellung:
é führend
è gleich
ê aufholbar
¢ abgeschlagen
Gesundheit
Bedeutung
1: niedrig 6: hoch
Zeitperspektive:
k: kurzfristig
m: mittelfristig
l: langfristig
v: visionär
Problemlösungsb Problemlösungsb
Verflechtungsgra
eitrag
eitrag
d
(Bedeutung)
(Zeitperspektive)
5
5
3
3
5
3
4
4
5
2
3
4
4
2
4
3
1
1
1
1
1
1
5
1
1
4
5
6
3
3
4
3
3
1
1
1
1
1
4
4
5
5
3
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
6
6
4
2
4
5
4
5
2
5
5
5
5
4
1
1
5
5
5
3
5
4
5
5
5
2
1
5
5
5
5
5
4
5
5
5
1
2
3
3
5
5
5
6
6
6
6
1
3
6
6
6
6
6
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
2
1
5
6
6
3
5
5
6
2
5
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Warnung: Tabelle kann nur in Kombination mit Erläuterungen im Text sinnvoll verwendet werden!
Tabelle 6.1: Bewertungsmatrix zu technischen Anwendungen der
Die Tabelle spiegelt das große Potential wider, das die Kavitation für den medizintechnischen Bereich hat. Große Marktpotentiale haben dabei vor allem die Ultraschalltumorbekämpfung und Lithotripsie, bei denen die physikalischen Kavitationseffekte eine unterstützende Wirkung auf die Zerstörung von Tumorgeweben, bzw. die
Zertrümmerung von Steinen (Lithotripsie) haben. In der Ultraschalldiagnose können
die Schockwellen von Blasen, die in die Blutbahn injiziert wurden, zu einer erheblichen Kontrastverstärkung beitragen. Das Marktvolumen für Ultraschallkontrastmittel
wird auf über 100 Millionen DM eingeschätzt. Ferner kann Kavitation dazu verwendet
werden, um lokal im Körper Wirkstoffe aus Mikropartikeln freizusetzen oder die
Durchlässigkeit von Hautschichten für Medikamente zu erhöhen. Hier werden die
Marktchancen aufgrund alternativer Methoden kritischer als weniger aussichtsreich
betrachtet
In den medizinischen Anwendungen entsteht Kavitation während Ultraschall- oder
Laserbehandlungen lokal im Zielgewebe. Diese Behandlungen sind nichtinvasive und
von hoher Präzision. Insofern werden die medizintechnischen Ultraschall- und Lasermethoden hinsichtlich ihres sozialen Beitrages als sehr positiv bewertet, da
durch sie Behandlungszeiten verkürzt und Patienten weniger belastet werden. Die gesundheitlichen Entwicklungshemmnisse für die Anwendungen der Kavitation in der
Medizintechnik sind dadurch bedingt, daß die Wirkungen der Kavitation auf gesundes Gewebe unzureichend bekannt sind. Bisher konnte z. B. nicht nachgewiesen
werden, ob die Kavitation während der Lithotripsie anhaltende Schäden verursacht,
und bei der Tumortherapie läßt sich die Kavitationswirkung nur schwer steuern. So
wird bisher bei vielen Ultraschalltherapien versucht, die Kavitation trotz ihrer behandlungsunterstützenden Effekte möglichst zu unterbinden.
Verfahrenstechnische Umsetzungen der Kavitation haben den Vorteil, daß sie in
den jeweiligen Anwendungen den Einsatz von Chemikalien reduzieren und die
Effizienz der Prozesse steigern. So unterstützt die Kavitation z. B. in der Reinigung
das Ablösen der Partikel von Oberflächen sowie in der Textilveredlung das Aufbrechen von Pigmentagglomeraten und die Bleichung durch Radikalreaktionen. In der
Abwasser-, Klärschlamm- und Sedimentaufbereitung werden Makromoleküle und
bakterielle Zellwände aufgebrochen, Schadstoffe abgebaut und Mineralien aus organischem Material herausgelöst. In allen Prozessen wird die Kavitation mittels Ultraschall
oder Strömungsmechanik erzeugt und gesteuert.
128
Alle verfahrenstechnischen Anwendungen der Kavitation haben einen deutlichen Nutzen für die Umwelt und tragen zur Einsparung von Energie bei. So werden technische
Anwendungen der Kavitation gerade in denjenigen Bereichen entwickelt, die hohen
Umweltauflagen unterliegen. Allerdings sind alle befragten Experten eindeutig davon
überzeugt, daß Kavitationsprozesse nicht für die Energiegewinnung genutzt werden
können. Positiv wird der Problemlösungsbeitrag auch für die Gesundheit gesehen, der
durch eine verbesserte Desinfektion in der Reinigung sowie bessere Trinkwasserqualitäten durch Aufbereitungsprozesse gegeben ist. Ultraschallwaschmaschinen und
Hausgeräte zur Ultraschallwasseraufbereitung betreffen den Aspekt Wohnen. Ebenso
liefert die stärkere Aufbereitung von Klärschlamm und Sedimenten einen positiven
Beitrag zu diesem Aspekt, da hierdurch Deponieraum gespart und Wohnraum frei gehalten werden kann.
Die für die Verfahrens- und Medizintechnik nutzbringenden Kavitationseffekte
sind in der Hydraulik und Schiffahrt wiederum als destruktives Phänomen gefürchtet. An Turbinen und Pumpen entsteht durch die Strömungsdynamik Kavitation,
deren Schockwellen und Flüssigkeitsjets das Material angreifen (Erosion) und auf
Dauer zum beschleunigten Verschleiß der Pumpen und Turbinen führt. Deshalb gibt es
starke Bemühungen, die Wirkungen der Kavitation auf Materialien sowohl qualitativ
als auch quantitativ zu verstehen.
Die technischen Umsetzungen der Kavitation werden Folgen für die Technik haben,
da Geräte angepaßt und Anlagen umgerüstet werden müssen. Durch ein besseres Verständnis der komplexen Kavitationsprozesse lassen sich wissenschaftliche Erkenntnisse für die Bereiche Radikalchemie, Plasmaphysik, Optik und Akustik gewinnen.
Die sozialen Folgen der technischen Anwendungen der Kavitation werden positiv bewertet, da sie, wie schon erwähnt, in der Medizin die Bedingungen für den Patienten
verträglicher machen und in der Verfahrenstechnik die Umwelt schonen.
Aufgrund der sehr verschiedenen und branchenübergreifenden Anwendungsbereiche
ist ein Informationstransfer zwischen den Entwicklergruppen, aber auch zwischen Herstellern und Anwendern nur schwer möglich. Der unzureichende Informationstransfer
wiegt hier um so schwerer, da die technischen Entwicklungen der Kavitation in der
Hauptsache auf Erfahrungswerten beruhen. In den meisten Anwendungsbereichen wird
darum ein Bedarf nach Methoden formuliert, mittels derer die Verteilung und Wirkung
129
der Kavitation simuliert werden soll. Mit Hilfe der Simulation könnten Entwicklungszeiten erheblich verkürzt, die Prozesse optimiert und damit Wettbewerbsvorteile gewonnen werden. Aufgrund der Komplexität der Kavitationsprozesse ist die Realisierung umfassender Simualtionsmethoden allerdings eher langfristig zu erwarten. Insofern würde ein verbesserter Informationstransfer über Theorie und Umsetzung
der Kavitation innerhalb der Forschungs- und Entwicklungslandschaft kurz- und
mittelfristig eine breite Praxiseinführung beschleunigen.
130
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136
ANHANG
Wir danken den folgenden Experten für hilfreiche Anregungen und umfassende Informationen, die sie uns während der Recherche für die Technologieanalyse gegeben haben:
Dr. Michael Delius
Institut für Chirurgische Forschung, Universität München, Delius@icf.med.uni-muenchen.de
Prof. Dr. W. Eisenmenger
1.
Physikalisches
Institut,
Universität
Stuttgart,
w.eisenmenger@physik.uni-stuttgart.de
Prof. Dr. Klaus Gersonde
Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik, St.
Ingbert, gersonde@ibmt.fhg.de
Dr. B. Gompf
1.
Physikalisches
Institut,
Universität
Stuttgart,
gompf@pi1.physik.uni-stuttgart.de
Dr. B. Granz
Abteilung
ZT
EN
5,
Siemens
Erlangen,
bernd.granz@erls.siemens.de
Dr. R. Günther
Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut,
Reutlingen, guenther@nmi.de
Dr. J. Helfmann
Technische Physik und Lasermedizin, Laser-MedizinZentrum Berlin, j.helfmann@lmtb.de
Dr. A. Hoff
Steinbeis-Transferzentrum Innovative Systeme und
Dienstleistungen, Friedrichshafen, hoff@stz-isd.de
Dr. T. L. Hoffmann
Fraunhofer Technology Center Hialeah, Florida, USA,
(affiliated with Fraunhofer IBMT, St. Ingbert, Germany), tlh@FTeCH.org
Dr. J. Holzfuss
Institut für Angewandte Physik, TU Darmstadt, Joachim.Holzfuss@physik.tu-darmstadt.de
Dr. B. Hußlein
Transferzentrum Optoelektronik und Sensorik, Fachhochschule
Karlsruhe,
burkard.husslein@fh-karls-
ruhe.de
Dr. J. Jenne
FS 05 Radiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum, J.Jenne@DKFZ-Heidelberg.DE
Dr. N. de Jong
Erasmus University, Rotterdam, Niederlande, dejong@tch.fgg.eur.nl
137
Prof. Dr. F. Keil
Chemische Reaktionstechnik, TU Hamburg-Harburg,
Keil@tu-harburg.de
Dipl.-Ing. G. Kupczik
Kupczik
Ingenieurbüro,
Hamburg,
Fax:
040-
81990062
Dr.-Ing. A. Lahrmann
PW-Entwicklung, Bosch-Siemens-Hausgeräte, Berlin,
andreaslahrmann@csi.com
Prof. Dr. W. Lauterborn
3. Physikalisches Institut, Universität Göttingen,
W.Lauterborn@dpi.physik.uni-goettingen.de
Prof. Dr. D. Lohse
Department of Applied Physics, University of Twente,
Enschede, lohse@tn.utwente.nl
Dipl.-Ing. G. Luther
GKSS
Forschungszentrum
Geesthacht
GmbH,
Geesthacht, Guenter.Luther@gkss.de
Dr. A. Mues
L-3 Communications ELAC Nautik GmbH, Kiel,
andreas.mues@elac-nautik.com
Dr. D. Peters
Fachbereich
Chemie,
Universität
Rostock,
nfc004@cks1.rz.uni-rostock.de
Dr. R. Reichl
Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut,
Reutlingen, reichl@nmi.de
Dr. G. Roessling
Ultraschall
Forschung,
Schering
AG,
Berlin,
Georg.Roessling@Schering.DE
Dr. K. Schäfer
Deutsches Wollforschungsinstitut an der RWTH Aachen, schaefer@dwi.rwth-aachen.de
Dr. H. Schmidt
Abteilung FV/PLO2, Robert-Bosch GmbH, Schwieberdingen, Helmut.Schmidt2@de.bosch.com
Prof. Dr. R. M. Schmitt
Fraunhofer Technology Center Hialeah, Florida, USA,
(affiliated with Fraunhofer IBMT, St. Ingbert, Germany), rms@FTeCH.org
R. Schmieg
R S Ultraschalltechnik, Blankenheim, rsultraschall@tonline.de
Dipl.-Ing. R. Sobotta
Elma
GmbH
&
CoKG,
Singen/Htwl,
R.Sobotta.Elma@t-online.de
Dr. A. Tiehm
Arbeitsbereich Abwasserwirtschaft, TU HamburgHarburg, tiehm@tu-harburg.de; ab Januar 2000:
Technologiezentrum
tiehm@tzw.de
138
Wasser
(TZW),
Karlsruhe,
Dr. V. Uhlendorf
Forschung Ultraschall-Kontrastmittel, Schering AG,
Berlin, Volkmar.Uhlendorf@SCHERING.DE
Dr. Michael Zomack
Klinische
Entwicklung,
Schering
AG,
Berlin,
Michael.Zomack@Schering.DE
Dr. H. Zscheeg
Abteilung
F&E,
Angiomed,
Karlsruhe,
Harry.Zscheeg@crbard.com
139
VDI-Technologiezentrum / DECHEMA e.V.
Workshop
“Von der Kavitation zur Sonotechnologie“
am Dienstag, den 26.1.1999
im VDI-Haus, Graf-Recke-Str. 84, 40239 Düsseldorf
Programm
10.00
Begrüßung
Dr. H. Eickenbusch, Dr. P. Düx (VDI Technologiezentrum)
Dr. Dr. B. Hunger (BMBF)
10.10
Prof. Dr. W. Lauterborn (Universität Göttingen)
Kavitation und Blasendynamik - eine Einführung
Bedarf und Anforderungen an technologischen Entwicklungen der Kavitation
10.25
Dr. H. Schmidt (Robert Bosch GmbH)
Ultraschallanwendungen in der industriellen Teilereinigung
10.40
Dr.-Ing. A. Lahrmann (Bosch Siemens Haushaltsgeräte) – fiel aus
Verfahrenstechnologie Reinigung - Heute und Morgen
10.55
Dipl.-Ing. Jung (BANDELIN electronic GmbH & Co.KG)
Aspekte bei der Entwicklung und Herstellung von Ultraschallgeräten aus der Sicht eines Herstellers
11.10
Prof. Dr. B. Heine (Fachhochschule Aalen)
Strömungsoptimierte Oberflächenkonturen für kardiologische Anwendungen
Wissenschaftliche Grundlagen
11.30
Dr. B. Gompf (Universität Stuttgart)
Untersuchungen an einzelnen Kavitationsblasen
11.50
Dr. R. Günther (NMI, Reutlingen)
Theoretische Modellierung von Blasendynamik und Lichtemission
12.10
Dr. J. Holzfuss (TU Darmstadt)
SL von Einzel- und Mehrblasensystemen: Diagnostik und Optimierung
12.30
Dr. R. Reichl (Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut, Reutlingen)
Verbesserung der Aufbereitung von chirurgischen Instrumenten mit Ultraschall
12:50 - 13.40 Mittagessen
140
13.40
Prof. Dr. F. Keil (TU Hamburg-Harburg)
Berechnung von Schallfeldern in Sonoreaktoren
14.00
Dr. D. Peters (Universität Rostock)
Sonochemie - Chancen und Grenzen
14.20
Dr.-Ing. C. Horst (TU Clausthal)
Verfahrenstechnische Anlagen für Ultraschallsynthesen von heterogenen reaktiven Systemen.
14.40
Kurzstatements (Teilnehmer des Workshops)
15.00 - 15.30 Kaffeepause
Technische Entwicklungen und Ansätze in der Kavitation
15.30
Dr. V. Uhlendorf (Schering AG)
Mikroblasen als Contrast Agents in der Ultraschall-Diagnostik
15.50
Dipl.-Phys. D. Schneider (STN ATLAS Elektronik)
Entwicklung eines Sonoreaktors und Aufschlußergebnisse mit Klärschlamm
16.10
Dipl.-Ing. R. Sobotta (Elma Hans Schmidbauer GmbH & Co KG)
Wandler- und Schallfeldsimulation in der Praxis
16.30
Dr. K. Schäfer (Deutsches Wollforschungsinstitut an der RWTH Aachen)
Einsatz von Ultraschall in der Textilveredlung
16.50
Dr. H. Bokel (Merck KGaA)
Sonochemie in der Verfahrensentwicklung
17.10 - 18.15 Podiumsdiskussion
Prof. Dr. H. Kuttruff (Moderation)
Prof. Dr. W. Lauterborn
Dr. V. Uhlendorf
Dr. A. Hoff
Dipl.-Ing. R. Jung
Dr. D. Peters
141
Teilnehmerliste
Workshop „Von der Kavitation zur Sonotechnologie“
am 26.01.1999 im VDI, Düsseldorf
Dipl.-Ing. Siegfried Bechtel
BASF AG
Dipl.-Ing. Stefan Bandelin
ZAT/EA - L544
Bandelin electronic
Postfach
GmbH & Co.KG
67056 Ludwigshafen
Heinrichstr. 3-4
Tel.: 0621/60 56673
12207 Berlin
Fax:
Tel.: 030/76880242
siegfried-bechtel@basf-ag.de
Dipl.-Ing. Ronald Bauer
Moritz Beerwald
ELMA
Entwicklung von Hochspannungs-
Productmanagement
Pulsgeneratoren
Kolpingstr. 1-7
Stuttgarterstr. 15-17
78224 Singen
44143 Dortmund
Tel.: 07731/882 271
Tel.: 0231/592821
Fax: 07731/882 266
Fax: 0231/592832
Moritz.Beerwald@-online.de
Dr. Claudia Bäßler
GUV mbH
Dr. Hans Beerwald
Potsdamer Str. 18 a
Puls-Plasmatechnik GmbH
14513 Teltow
Feldstr. 56
Tel.: 03328/430 124
44141 Dortmund
Fax:
Tel.: 0231/528233
TZT-GUV@t-online.de
Fax: 0231/553371
PPTGmbH@aol.com
142
Bernd Böhnke
Prof. Dr. Wolfgang Eisenmenger
Schumanstraße 18 a
Universität Stuttgart
52146 Würselen
1. Physikalisches Institut
Tel.:
Pfaffenwaldring 57
Fax:
70550 Stuttgart
Tel.: 0711/685-6591
Dr. Heinz Bokel
Fax: 0711/685-4886
Merck KGaA
w.eisenmenger@physik.uni-
Abt. ZVE
stuttgart.de
Frankfurter Str. 250
64271 Darmstadt
Harald Eizenhöfer
Tel.: 06151/727172
Dornier Medizintechnik GmbH
Fax: 06151/726299
Argelsrieder Feld 7
bokel@merck.de
82234 Wessling
Tel.: 08153/888-564
Dr. Petra Düx
Fax: 08153/888-509
VDI Technologiezentrum
Dr. Burkhard Fay
Postfach 10 11 39
Physikalisch-Technische
40002 Düsseldorf
Bundesanstalt
Tel.: 0211/6214-456
Bundesallee 100
Fax: 0211/6214-484
38116 Braunschweig
duex@vdi.de
Tel.: 0531/592-1430
Fax: 0531/592-1015
Dr. Heinz Eickenbusch
burkhard.fag@ptb.de
VDI Technologiezentrum
Andreas Giehl
Postfach 10 11 39
Deutsches Wollforschungsinst.
40002 Düsseldorf
an der RWTH Aachen e.V.
Tel.: 0211/6214-476
Veltmanplatz 8
Fax: 0211/6214-484
52062 Aachen
eickenbusch_h@vdi.de
Tel.: 0241/4469-139
Fax: 0241/4469-100
giehl@dwi.rwth-aachen.de
143
Dr. Michael Gießmann
Prof. Dr. Burkhard Heine
Fachhochschule Aalen
an der RWTH Aachen e.V.
Fachbereich Maschinenbau
Veltmanplatz 8
Oberflächentechnik
52062 Aachen
Beethovenstr. 1
Tel.: 0241/4469-137
73430 Aalen
Fax: 0241/4469-100
Tel.: 07361/576-178
gießmann@dwi.rwth-aachen.de
Fax: 07361/576-250
burkhard.heine@fh-aalen.de
Dr. Bruno Gompf
Universität Stuttgart
Dipl.-Chem. Andreas Heinemann
G. Heinemann Ultraschall-
Pfaffenwaldring 57
und Labortechnik
70550 Stuttgart
Erwin-Rommel-Str. 42
Tel.: 0711/685-4949
73525 Schwäbisch Gmünd
Fax: 0711/685-4886
Tel.: 07171/61142
gompf@pi1.physik.uni-stuttgart.de
Fax: 07171/38750
HEINEMANNUltraschalltechnik@t-
Dr. Ralf Günther
online.de
Naturwissenschaftliches und
Medizinisches Institut (NMI)
Artur Henselek
an der Universität Tübingen
Markwiesenstr. 55
Feldstr. 56
72770 Reutlingen
44141 Dortmund
Tel.: 07121/51530-21
Tel.: 0231/528233
Fax: 07121/51530-16
Fax: 0231/553177
guenther@nmi.de
PPTGmbH@aol.com
Dr.-Ing. Harald Hielscher
Dr. Hielscher GmbH
Warthestr. 21
14513 Teltow
Tel.: 03328/437-3
Fax: 03328/437-444
144
Dr. Axel Hoff
Dr. Joachim Holzfuss
Steinbeis-Transferzentrum
TU Darmstadt
Innovative Systeme und
Institut für Angew. Physik
Dienstleistungen
Nichtlineare Physik
Am Seemooser Horn 20
Schloßgartenstr. 7
88045 Friedrichshafen
64289 Darmstadt
Tel.: 07541/385690
Tel.: 06151/16-2884
Fax: 07541/385699
Fax: 06151/16-4534
ahoff@ira.uka.de
joachim.holzfuss@physik.tudarmstadt.de
Dr. Jürgen Hoffmeister
Henkel KGaA
Dr.-Ing. Christian Horst
Abt. WEW - Waschtechnik
Techn. Universität Clausthal
Henkelstr. 67
Institut für Chemische
40191 Düsseldorf
Verfahrenstechnik (ICVT)
Tel.: 0211/797-7489
Leibnitzstr. 17
Fax: 0211/798-8505
38678 Clausthal-Zellerfeld
Juergen.Hoffmeister@henkel.de
Tel.: 05323/72-2561
Fax:
Dr. Jörg Hofmann
horst@icvt.tu-clausthal.de
Universität Leipzig
Inst. f. Nichtklassische
ORR Dr. Dr. B. Hunger
Chemie
BM für Bildung und Forschung
Permoserstr. 15
Ref. 511
04303 Leipzig
Postfach
Tel.: 0341/235-2815
53170 Bonn
Fax: 0341/235-2701
Tel.: 0228/57-3278
jhofmann@sonne.tachemie.uni-
Fax: 0228/573605
leipzig.de
145
Dipl.-Ing. Rainer Jung
Klaus Kern
Bandelin electronic
Martin Walter
GmbH & Co. KG
Ultraschalltechnik AG
Heinrichstr. 3-4
Hardtstr. 13
12207 Berlin
75335 Dobel
Tel.: 030/76880230
Tel.: 07082/791533
Fax:
Fax:
WALTER_US@T-ONLINE.DE
Dr. Wolfgang Kaesler
Dr. Christian Koch
Feldstr. 56
Physikalisch-Techn.
44141 Dortmund
Bundesanstalt
Tel.: 0231/528233
Labor 1.43
Fax: 0231/553177
Postfach 3345
PPTGmbH@aol.com
38023 Braunschweig
Tel.: 0531/592-1461
Dipl.-Ing. Jörg Kaulitzky
Fax: 0531/592-1015
Institut für Wasserchemie
christian.koch@ptb.de
u. Wassertechnologie gem. GmbH
Moritzstr. 26
Dipl.-Ing. Egon Küster
45476 Mülheim
B.R.A.I.N. - Connect
Tel.: 0208/40303-360
Mühlmatt 50
Fax: 0208/40303-380
77723 Gengenbach
J.Kaulitzky@uni-duisburg.de
Tel.: 07803/6337
Fax: 07803/3656
Prof. Dr. Frerich Keil
Techn. Univ. Hamburg-Harburg
Prof. Dr. Heinrich Kuttruff
Abt. Chem. Reaktionstechnik
RWTH-Aachen
Eissendorfer Str. 38
Inst. f. Technische Akustik
21071 Hamburg
Templergraben 55
Tel.: 040/7718-3042
52056 Aachen
Fax: 040/7718-2145
Tel.: 0241/807986
Keil@tu-harburg.de
Fax: 0241/8888214
kuttruff@akustik.rwth-aachen.de
146
Prof. Dr. Werner Lauterborn
Prof. Dr.-Ing. Uwe Neis
Technische Universität
Universität Göttingen
Hamburg-Harburg (TUHH)
Bürgerstr. 42 - 44
Bereich Abwasserwirtschaft
37073 Göttingen
Eißendorfer Str. 42
Tel.: 0551/39-7713
21073 Hamburg
Fax: 0551/39-77 20
Tel.: 040/7718-3107
W.Lauterborn@dpi.physik.uni-
Fax: 040/7718-2684
goettingen.de
neis@tu-harburg.de
Dr. Josef Messinger
Dr. Leo Nick
Solvay Pharmacenticals GmbH
Dechema e. V.
PH-FDCK
Theodor-Heuss-Allee 25
Hans-Böckler-Allee 20
60486 Frankfurt a. M.
30173 Hannover
Tel.: 069/7564-149
Tel.: 0511/857-3066
Fax: 069/7564-149
Fax: 0511/857-2195
NICK@DECHEMA.DE
Josef.Messinger@solvay.com
Dipl.-Ing Klaus Nickel
Herbert Morzinek
Technische Universität
Martin Walter
Hamburg-Harburg (TUHH)
Ultraschalltechnik AG
Abwasserwirtschaft
Hardtstr. 13
75334 Straubenhardt
D 21073 Hamburg
Tel.: 07082/791513
Tel.: 040/7718-3441
Fax:
Fax: 040/7718-2684
WALTER-US-@T-ONLINE.DE
Nickel@tu-harburg.de
147
Prof. Dr. Bernd Ondruschka
Dr. Rainer Reibold
Friedrich-Schiller-Universität
Physikalisch-Technische
Inst. für Technische Chemie
Bundesanstalt
Lessingstr. 12
Bundesallee 100
07743 Jena
38116 Braunschweig
Tel.: 03641-948-400
Tel.: 0531/592 1400
Fax: 03641-948-402
Fax: 0531/592 1015
Rainer.Reibold@ptb.de
Dr. Dietmar Peters
Universität Rostock
Dr. Rudolf Reichl
Fachbereich Chemie
NMI Naturwissenschaftl. und
Buchbinderstr. 9
Med. Institut a.d. Universität
18051 Rostock
Tübingen in Reutlingen
Tel.: 0381/498 1836
Markwiesenstr. 55
Fax: 0381/498 1819
72770 Reutlingen
nfc004@cks1.rz.uni-rostock.de
Tel.: 07121/51530-57
Fax: 07121/51530-16
Dr. Günther Portenlänger
reichl@nmi.de
Technische Universität München
Institut für Radiochemie
Matthias Rüggeberg
Walther-Meißner-Str. 3
Institut f. Angewandte Physik
85748 Garching
TU-Darmstadt
Tel.: 089/28912240
Schloßgartenstr. 7
Fax: 089/3261115
64289 Darmstadt
POR@RAD.CHEMIE.TU-
Tel.: 06151/162786
MUENCHEN.DE
Fax: 06151/164534
Matthias.Rueggeberg@physik.tu-
Joachim Quadflieg
an der RWTH Aachen e. V.
Veltmanplatz 8
52062 Aachen
Tel.: 0241/4469-137
Fax: 0241/4469-100
quadflieg@dwi.rwth-aachen.de
148
darmstadt.de
Dr. Karola Schäfer
Dr. Helge-Georg Steckmann
Ultrasonics Steckmann GmbH
an der RWTH Aachen
Hauptstr. 24
Veltmanplatz 8
61279 Grävenwiesbach
52062 Aachen
Tel.: 06086-1818
Tel.: 0241/4469-117
Fax: 06086-3166
Fax: 0241/4469-100
Ultrasonics-Steckmann@t-online.de
schaefer@dwi.rwth-aachen.de
Joachim Straka
Dr. Helmut Schmidt
Sonosys Ultraschall-
Robert-Bosch GmbH
systeme GmbH
Robert-Bosch-Str. 2
Daimlerstr. 6
71701 Schwieberdingen
75305 Neuenbürg
Tel.: 0711/811-8738
Tel.: 07082/41210
Fax: 0711/811-8735
Fax: 07082/41280
Helmut.Schmidt2@de.bosch.com
SONOSYS@t-online.de
Dietmar Schneider
Dr. Andreas Thiem
STN ATLAS Elektronik GmbH
TU Hamburg-Harburg
Sebaldsbücker Heerstr. 235
Arbeitsber. Abwasserwirtschaft
28305 Bremen
Tel.: 0421/457-3454
21073 Hamburg
Fax: 0421/457-2020
Tel.: 040/7718-3077
schneider.d@stn-atlas.de
Fax: 040/7718-2684
tiehm@tu-harburg.de
Dipl.-Ing. Reinhard Sobotta
Elma GmbH & CoKG
Dr. Frank Tschwatschal
Kolpingstr. 1-7
Preussag AG
78224 Singen/Htwl
Innovation FuE
Tel.: 07731/882244
Karl-Wiechert-Allee 4
Fax: 07731/882249
30625 Hannover
R.Sobotta.Elma@T-Online.de
Tel.: 0511/566-1116
Fax: 0511/566 1159
tschwatschal.frank@preussag.de
149
Dr. Volkmar Uhlendorf
Forschung UltraschallKontrastmittel
Schering AG
Postfach
13342 Berlin
Tel.: 030/4681-1427
Fax: 030/4681-6773
VOLKMAR.UHLENDORF
@SCHERING.DE
Willy Wahrenberg
STN ATLAS Elektronik GmbH
Sebaldsbrücker Heerstr. 235
28305 Bremen
Tel.: 0421/457-2519
Fax: 0421/457-2020
wahrenberg@stn-atlas.de
Dr. Nico de Jong
Erasmus University
Room Ee2302
P.O. Box 1700
NL 3000 DR Rotterdam
Tel.: 0031-10-408/8037
Fax: 0031-10-436/5191
dejong@tch.fgg.eur.nl
150

Technologieanalyse Von der Kavitation zur Sonotechnologie

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