Schnee als Vorbild für hochwirksame Schallabsorber

Schneewürfel (6 mm)3  Porosität 59%
© Foto Fraunhofer IBP

Schneewürfel, Porosität 59%

Schneewürfel (6 mm)3, Porosität 88%
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Schneewürfel, Porosität 88%

Polyethylen-Schnee (ICT)
© Foto Fraunhofer ICT

Polyethylen-Schnee (ICT)

Schnee schluckt Schall. Wie das im Einzelnen vor sich geht, ist Gegenstand des Projekts »Schnee als Vorbild für hochwirksame Schallabsorber« im Forschungsprogramm Neue Materialien aus der Bionik der Baden-Württemberg-Stiftung . Im Prinzip ist klar, dass das Schallabsorptionsvermögen eines porösen Materials von seiner Struktur abhängt. Welche Strukturmerkmale dabei maßgeblich sind, ist bislang nur unvollständig bekannt. Am Beispiel Schnee soll dies gründlich untersucht werden, und zwar durch präzise Messungen der Schallabsorption, durch genaue tomografische Erfassung und integralgeometrische Beschreibung der Struktur sowie durch theoretische Modellierung der akustischen Vorgänge. Der experimentelle Teil dieser Studie erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Eidgenössischen Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF in Davos. In den dortigen Kältelabors wurden Schneeproben unterschiedlichster Art hergestellt, präpariert und nach den akustischen Messungen im Mikro-Computertomografen mit einer Auflösung von 0,01 mm analysiert. Die Strukturbilder - mit der Bildanalyse-Software MAVI erzeugt - zeigen würfelförmige Schnee-Ausschnitte von 6 mm Kantenlänge mit Porositäten von 59% bzw. 87%.

Die gemessenen Absorptionsgrade können mit einem theoretischen Modell von Wilson - unter Verwendung der gemessenen Porosität - gut nachgebildet werden. Im nächsten Schritt wird versucht, die Parameter des Wilson-Modells möglichst direkt aus der geometrischen Struktur abzuleiten. Es liegt nahe, zu diesem Zweck die poröse Struktur durch geeignete Mittelwerte zu charakterisieren, beispielsweise durch die Minkowski-Funktionale aus der Integralgeometrie. Im dreidimensionalen Raum gibt es genau vier Minkowski-Funktionale, die die Porosität, die Porenoberfläche und Mittelwerte über die mittlere sowie die Gaußsche Krümmung beschreiben. Im Allgemeinen reichen diese Funktionale zur Vorhersage der Schallabsorption allerdings nicht aus. Weitere Geometrieparameter - insbesondere zur Erfassung anisotropen Verhaltens - sind erforderlich. Das Programm MAVI bietet hierfür bereits eine reichhaltige Palette von integralen Größen an.

Wenn die Zusammenhänge zwischen geometrischer Struktur und Schallabsorption verstanden sind, kann gezielt nach Strukturen mit optimalem Absorptionsverhalten gesucht werden. Dies stellt zunächst eine rein theoretische Aufgabe dar. Ziel des Projektes ist aber auch, solche Strukturen herzustellen. Die Tatsache, dass nicht jedes geometrische Detail, sondern nur bestimmte integrale Strukturparameter maßgeblich sind, gewährt den dafür notwendigen Spielraum.

Die Herstellung poröser Materialien übernimmt als Projektpartner das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe. Das ICT ist bereits bekannt für die Erzeugung künstlichen Schnees (Theaterschnee) aus Kartoffelstärke oder Polyethylen, wobei optische Ähnlichkeit mit fallenden Schneeflocken, nicht aber akustische Ähnlichkeit angestrebt wird. Nun soll dem Schnee auch in akustischer Hinsicht nachgeeifert werden, und zwar mithilfe von Vorgaben zur geometrischen Struktur. Weiter sollen solche neuen porösen Materialien gegenüber herkömmlichen Absorbern wie Mineralwolle oder Schäumen Vorteile besitzen, beispielsweise hinsichtlich Kosten und Energieaufwand bei der Herstellung, gesundheitlicher Unbedenklichkeit, Entsorgung und gesamter Ökobilanz. Günstig wäre außerdem eine selbsttragende Struktur. Mit einer Schichtstruktur oder mit Strukturgradienten (z.B. räumliche Variation der Porosität) lässt sich der Frequenzbereich wirksamer Schallabsorption vergrößern.