Wirkungsmechanismen des Ultraschalls bei der Brunnenregenerierung

Vorbemerkung:
 

Es gibt eine nahezu unübersehbare Palette von Anwendungen des Ultraschalls in technischen, wissenschaftlichen, medizinischen und industriellen Be- reichen. Ebenso vielseitig ist die technische Ausgestaltung der Geräte, je nachdem welche physikalischen, chemischen, thermischen oder mechanischen Effekte des Ultraschalls genutzt werden sollen.

Es gibt zahlreiche Anwendungen von hochenergetischem Ultraschall in der Geologie, so zum Beispiel:

  • In der Erdbodenanalyse hat man festgestellt, dass mit Ultraschall im Boden enthaltene Kolloide innerhalb weniger Minuten zu Flüssigkeiten dispergieren. Wurden die gleichen Kolloide durch Schütteln und Schleudern behandelt, so hatte man nicht annähernd den Effekt wie bei der Ultraschallbehandlung.
     
  • Beim Aufschließen von Erz wurde festgestellt, dass Rohgut, welches von Eisenmanganerz eingeschlossen war, durch eine 5 minütige Ultraschallbe- handlung sofort aufgeschlossen werden konnte, während andere Mittel versagten.
     
  • Tonhaltige Gesteine wurden beschallt, um den Ton zu extrahieren. Ultraschall brachte hier eine 100 bis 1000-fach größere Ausbeute als mechanische Verfahren.

 

Zur Physik des Schalls
 

Physikalisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen hörbarem Schall und Ultraschall. Daher kann im diesem Zusammenhang einfach von Schall gesprochen werden. Schall stellt eine ständige Abfolge von Über- und Unterdruck in einem Medium dar. Die Stellen der Kompression (Überdruck) und die Stellen der Dekompression (Unterdruck) sind aber nicht stationär. Sie bewegen sich gleichmäßig radial von der Schallquelle weg. Durch Dämpfungseffekte werden die Über- bzw. Unterdrücke mit wachsendem Abstand von der Schallquelle geringer. Die Schallquelle stellt eine Energiequelle dar
 

Schallausbreitung

Abbildung: Schallausbreitung durch abwechselnde Dehnung und Kompression des den Schall leitenden Stoffes
Graphik: aus Berlitz/Kögler

Schall braucht zu seiner Ausbreitung ein Medium, im Vakuum ist keine Schallausbreitung möglich. Es gibt Stoffe, die den Schall sehr gut leiten und es gibt Stoffe, die den Schall adsorbieren und damit dämpfen.

Die obige Abbildung zeigt, dass beim Schall-Transport kein Material transportiert wird. Es wechseln sich lediglich in schneller Abfolge (die Abfolge entspricht der Frequenz, in unserem Fall also 20.000 mal je Sekunde) Zonen erhöhten und Zonen niedrigen Druckes ab. Bewegungen spielen sich vielmehr im Mikrobereich ab: In der Phase erhöhten Druckes werden die Kristallgitter „gestaucht“, in der Phase niedrigen Druckes werden die Kristallgitter „gedehnt“. Diese Stauchungen und Dehnungen finden an allen Stellen des vom Schall erfassten Körpers statt und führen dazu, dass alle Moleküle innerhalb des Kristallgitters mit der Frequenz des zu transportierenden Schalls um eine Ruhelage schwingen. Dies gilt auch für Moleküle, die sich am äußersten Rand eines Körpers befinden, z.B. an der Oberfläche eines Filterkieses. Auf diese Weise wird der Kies zu einer Vibration angeregt.

 

Der Energieübertragungsmechanismus kann veranschaulicht werden durch das rechts dargestellte bekannte Kugelspiel. Die linke Kugel wird von Hand ausgelenkt und stößt nach dem loslassen auf die anderen Kugeln. Der Stoß bewirkt eine elastische Verformung der Kugeln, die sich durch die anderen Kugeln fortpflanzt und dazu führt, dass die letzte Kugel im selben Maß ausgelenkt wird wie die erste Kugel.

Zu beachten ist dabei, dass sich die mittleren Kugeln nicht bewegen.
 

Kugelspiel

Anmerkung:

Die Tatsache, dass bei der Schallübertragung kein Material transportiert wird, muss im Zusammenhang mit der Brunnenregenerierung betont werden. In manchen Veröffentlichungen zum Thema Brunnenregenerierung werden Ultraschallwellen immer wieder mit „Druckwellen“ oder sog „Impulswellen“ verwechselt. Bei Impulswellen, beispielsweise hervorgerufen durch eine Explosion, wird durch ein sprunghaft zunehmendes Gasvolumen Material (im Falle der Brunnenregenerierung Wasser aus dem Brunnenschacht) augenblicklich verdrängt so dass enorme Strömungen entstehen.

Schallausbreitung bedeutet Energieübertragung und nicht Materialtransport!
Die Einordnung des Ultraschallverfahren unter das Druckwellenverfahren oder Impulsverfahren ist daher falsch.

 


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