Was im Boden unterhalb unserer Füße passiert, ist für uns nicht direkt
sichtbar – dabei finden dort viele Prozesse statt, die z. B. für das Pflanzenwachstum und den Ertrag eine große Rolle spielen: Wasser fließt, mit dem Wasser strömen gelöste Salze und Nährstoffe und auch Tiere leben im Untergrund. All das geschieht in den Hohlräumen des Bodens, den sogenannten Poren, denn ein Boden ist ein „poröses Medium“.

In porösen Medien finden verschiedene Prozesse statt wie Strömung, Transport und Deformation. Wir zeigen diese Prozesse am Beispiel eines Ackerbodens. Der Boden ist porös, was heißt, dass er Hohlräume enthält, durch die Regenwasser versickern kann. Wasser kann aber auch wieder verdunsten; bei extremer Trockenheit kann er dadurch sogar seine Form verändern und Risse bilden. Das sieht man vor allem, wenn es lange nicht geregnet hat und es sehr heiß ist.

Unser Exponat

Unser Exponat zeigt eine Ackerlandschaft mit einer Spinatpflanze, die auf verschiedene Wettersituationen reagiert: auf Regen, auf moderate Sonneneinstrahlung und auf extreme Hitze. Klicke dich mithilfe der drei Wetter-Icons durch die verschiedenen Wetter- und Klimasituationen und siehe, was im Boden passiert und welche Auswirkungen es auf die Oberfläche und Atmosphäre hat, wenn es regnet oder wenn die Sonne den Boden austrocknet. Unsichtbare „Poröse-Medien-Prozesse“ wie Strömung von Wasser, Transport von gelösten Salzen und die Verformung des Bodens, die man mit dem bloßen Auge nicht sehen kann, werden anhand von Animationen sichtbar. Teste dein Wissen in einem Quiz und tauche ein in die Welt der porösen Medien!

Poröse-Medien-Forschung

An der Universität Stuttgart gibt es einen Forschungsverbund, in dem Wissenschaftler*innen sich mit Strömungs-, Transport- und Deformationsprozessen in porösen Medien beschäftigen: den Sonderforschungsbereich 1313. Denn diese Prozesse finden nicht nur im Boden statt, sondern auch in vielen anderen porösen Mediensystemen, z. B. Brennstoffzellen oder auch Knochen. Die Grundlagenforschung hilft, ein grundlegendes Verständnis über Prozesse in porösen Medien zu erhalten, das dann später auch auf andere Anwendungen übertragen werden kann.

Was haben poröse Medien mit Verdunstung und der Austrocknung von Böden zu tun? Welche Rolle spielen sie bei der Weiterentwicklung von Brennstoffzellen oder beim Verständnis über die Behandlung der Knochenerkrankung „Osteoporose“?

Wir zeigen euch am Beispiel eines Ackerbodens, warum Forschungsfragen in diesem Bereich wichtig und gesellschaftsrelevant sind. Ein internationales und interdisziplinäres Team der Universität Stuttgart erforscht Strömungs-, Transport- und Deformationsprozesse in porösen Medien. Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1313 „Grenzflächengetriebene Mehrfeldprozesse in porösen Medien. Strömung, Transport und Deformation“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und bietet den Rahmen dafür.

Was sind poröse Medien?

Poröse Medien sind Materialien oder Strukturen mit Hohlräumen – den sogenannten Poren. Fast alle Materialien sind porös, z. B. der natürliche Untergrund, Papier, Asphalt oder auch Teile des menschlichen Körpers, z. B. Knochen oder die Haut.

Strömung Transport und Deformation

• Strömung: Poröse Medien sind nie „leer“. Es befinden sich immer Flüssigkeiten (z. B. Wasser oder Öl) und Gase (Luft, Wasserdampf, Sauerstoff, Wasserstoff etc.) in ihren Poren. Diese Flüssigkeiten und Gase sind in Bewegung: Sie strömen von Orten höheren Drucks zu Orten niedrigeren Drucks.
• Transport: Flüssigkeiten oder Gase können, indem sie durch die porösen Strukturen strömen, auch andere Stoffe mit sich transportieren, z. B. Salz, das im Wasser gelöst ist.
• Deformation: Poröse Medien können durch die Kräfte, die Flüssigkeiten oder Gase ausüben, aber auch durch äußere Lasten ihre Form verändern. Deshalb spricht man von „Deformation“.

Was genau erforscht der SFB 1313?

Das Verständnis, wie sich Fluide in Porenräumen ausbreiten und bewegen, hilft in vielen Bereichen – von der Energiespeicherung bis zur Klimavorhersage. Hierbei spielen Grenzflächen eine große Rolle. Überall, wo Fluide auf Fluide treffen oder Feststoffe berühren, wird es interessant, denn Grenzflächen haben einen großen Einfluss auf Strömungs-, Transport- und Deformationsprozesse in porösen Mediensystemen. Das Forscher*innen-Team interessiert sich vor allem dafür, wie die Geometrie der Poren diese Prozesse beeinflusst oder was passiert, wenn sich im Porenraum Risse bilden. Experimente, mathematische Modelle und Simulationen unterstützen die Forschung des SFB 1313 der Universität Stuttgart.

Unsere Forschungsfragen lauten:

• Wie kann man Prozesse wie Verdunstung von Flüssigkeiten aus porösen Medien am besten beschreiben und welchen Einfluss hat die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas auf diesen Austauschprozess?
• Wie breiten sich Risse in porösen Medien aus und was für einen Einfluss haben sie auf die Strömung und den Transport?
• Was passiert, wenn im Wasser gelöste Stoffe wieder ausfällen und sich ablagern? Wie verändert sich dabei der Porenraum und was hat das für Konsequenzen für die Strömung und den Transport?