Hohlräume schützen vor Wellenschlag

Paris (Frankreich) - Stetiger Wellenschlag lässt die Ufer von Flüssen und Deiche am Meer erodieren. Massive Wellenbrecher aus Beton schützen heute vor allzu großen Schäden. Eine völlig neuartige Methode schlagen nun französische und britische Forschende vor. Sie entdeckten in Wellensimulationen im Computer, dass kleine Hohlräume an Uferrändern zu einer Auslöschung von Wellen führen können. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, konnten sie diesen eleganten Effekt auch für einen Wellenschutz in einem Laborexperiment nachweisen.

Am Anfang der Arbeiten von Agnes Maurel vom Institut Langevin der Université PSL in Paris und ihren Kolleginnen und Kollegen standen aufwendige Simulationen von Wellenbewegungen im Computer. Die Idee für einen neuartigen Uferschutz beruht auf der Auslöschung von Wellen, wenn jeweils ein Wellenberg auf ein Wellental trifft. Die Berechnungen zeigten, dass zwei Hohlräume am Rand eines Kanals zur vollständigen Auslöschung einer Wellenbewegung führten. Dabei floss Wasser in die Hohlräume und wurde an deren Wänden reflektiert. Diese reflektierten Wellen traten darauf aus den Hohlräumen wieder aus. Allerdings waren die Phasen dieser Wellen genau um 180 Grad verschoben. So trafen Wellenberge auf Wellentäler und löschten sich über die so genannte destruktive Interferenz gegenseitig aus.

Dieses Verhalten überprüfte die Gruppe um Agnes Maurel auch in der Praxis. Sie bauten einen knapp anderthalb Meter langen, sechs Zentimeter breiten und fünf Zentimeter tiefen Wasserkanal. An einem Rand dieses Kanals ergänzten sie zwei direkt nebeneinander liegende Hohlräume mit drei bis vier Zentimeter breiten Einlässen. An einem Ende des Kanals erzeugten sie eine Wellenbewegung mit einer Frequenz von etwa drei Hertz. Tatsächlich beobachteten sie eine Abschwächung der Wellen, aber noch keine vollständige Auslöschung. Doch in weiteren Versuchen variierten sie die Größe der Hohlräume etwas und konnten mit dieser Anpassung die Wellen vollständig eliminieren. Diese Abweichung von Modellrechnung und Experiment begründeten die Forschenden mit Reibungseffekten, die in der Simulation vernachlässigt wurden.

„Die komplette Absorbtion von Wellenenergie ist besser als deren Umleitung“, sagt Maurel. Auf der Grundlage ihrer Berechnungen und Experimente könnten nun auch Hohlräume entlang von Flüssen und Küsten erprobt werden. Entsprechen die Dimensionen dieser Hohlräume der Wellenfrequenz, sollte auch eine Auslöschung der Wellenbewegung zu beobachten sein. Doch in der Natur ändern sich die Frequenzen der Wasserwellen beispielsweise bei unterschiedlichen Windverhältnissen. Vorstellbar wären Hohlräume, dessen Dimensionen sich über verfahrbare Wände an die jeweilig vorherrschenden Frequenzen anpassen ließen. Pilotversuche müssten dann zeigen, ob diese Methode der Wellenauslöschung tatsächlich für einen effektiven Schutz von Ufern gegen Erosion geeignet ist.