Analoger Gleichrichter: Ein vor 100 Jahren vom genialen Erfinder Nikola Tesla konstruiertes Ventil ist noch raffinierter und vielseitiger anwendbar als bislang gedacht. Denn moderne Tests enthüllen, dass das Teslaventil nicht nur als Rückschlagventil ohne bewegliche Teile fungiert, es reagiert auch wie ein Schalter. Zudem kann es gepulste Strömungen dämpfen und wirkt so wie ein analoger Gleichrichter – es wandelt gewissermaßen flüssigen Wechselstrom in Gleichstrom um.
Nikola Tesla war nicht nur einer der Pioniere des elektrischen Zeitalters, er war auch ein genialer Konstrukteur. Neben Transformatoren, Elektromotoren, ferngesteuerten Booten und dem ersten Radio entwarf er auch eine schaufellose Turbine sowie ein Rückschlagventil, das ganz ohne bewegliche Teile auskam. Dieses heute nach ihm benannte Teslaventil besteht aus geschlauften Röhren, die den Flüssigkeitsstrom in eine Richtung fördern, ihn in Gegenrichtung aber hemmen.
100 Jahre alte Erfindung auf dem Prüfstand
„Zwar ist unklar, ob Tesla jemals einen Prototyp dieses Ventils baute und testete, aber dessen einzigartige Geometrie aus verbundenen und gebogenen Leitungen hat viele Wissenschaftler dazu gebracht, Arbeitsweise und möglichen Anwendungen zu erforschen“, erklären Quynh Nguyen und seine Kollegen von der New York University. Klar scheint, dass das Teslaventil ein Zurückfließen erst bei schnellerer Strömung blockiert.
Doch welche Strömungsphysik dahintersteckt, wo genau die Grenze liegt und wie sich das Ventil bei gepulster Strömung verhält, war bislang wenig untersucht. „Es ist bemerkenswert, dass diese 100-Jahre alte Erfindung noch immer nicht vollständig verstanden ist“, sagt Nguyens Kollege Leif Ristroph. Um dies nachzuholen, haben er und sein Team nun ein Teslaventil nachgebaut und seine Arbeitsweise mit modernen Methoden der Strömungsmechanik analysiert.
Ventil reagiert abrupt wie ein Schalter
Die Analysen bestätigten: Das Teslaventil reagiert strömungsabhängig. Fließt eine Flüssigkeit nur langsam hindurch, kann sie in beide Richtungen gleichermaßen passieren, ohne dass Turbulenzen oder Blockaden auftreten. Diese Durchlässigkeit hält etwa bis zu einer Reynoldszahl von 100 an – einer Größe, die durch den Rohradius, die Viskosität der Flüssigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Sobald aber die Reynoldszahl auf etwa 200 steigt, wird das Teslaventil abrupt zum Schalter, wie die Forscher herausfanden. Es blockiert dann den Rückstrom der Flüssigkeit. „Ein so abruptes Einsetzen der Diodizität hat bisher keine Studie dazu dokumentiert“, erklärt Ristroph. „Dieses Anknipsen ist mit der Bildung von turbulenten Strömungen in Rückrichtung verknüpft, die die Leitungen mit Wirbeln und störenden Gegenströmungen ‚verstopfen.“ Statt dem geradesten Weg zu folgen, wird die Flüssigkeit in die Schlaufen des Ventils geleitet und dort durchmischt.
Ein analoger Gleichrichter
Neu ist aber noch eine andere Funktion von Teslas Ventil: Es kann auch als Gleichrichter fungieren, wie das Experiment enthüllte. Kombiniert man vier Teslaventile in einer Art Kreislauf, können sie eine gepulste Strömung in einen sanften, gleichmäßigen Ausstrom umwandeln – vergleichbar einem Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Bei einem gepulsten Einstrom blockiert das Teslaventil den Rückstrom sogar noch effektiver als bei stetigem Fluss und dämpft die Pulse sehr effektiv, wie Nguyen und seine Kollegen berichten.
„Wir denken, dass Tesla mit diesem Ventil tatsächlich eine Art Gleichrichter für Flüssigkeiten erschaffen wollte – ein Analog zu seinen elektrischen Experimenten“, sagt Ristroph. „Zu Teslas berühmtesten Erfindungen gehört nicht umsonst ein Wechselstrom-Motor und ein Konverter von Wechsel- in Gleichstrom.
Neue Anwendungen möglich
Nach Ansicht des Forscherteams eröffnen diese Erkenntnisse zur Arbeitsweise von Teslas Ventil einige neue Möglichkeiten der Anwendung. Bisher wird es vorwiegend dort eingesetzt, wo Rückschlagventile ohne bewegliche Teile von Vorteil sind, beispielsweise in der Mikrofluidik für chemische und pharmazeutische Analysen – oder auch in Schnelltests wie den Antigentests auf SARS-CoV-2. Auch in Kühlkörpern von Prozessoren und anderen Wärmerohen nutzte man diese rein geometrischen Ventile.
Aber es gäbe noch mehr Möglichkeiten: „Das Teslaventeil könnte in modernen Technologien auf eine Weise nützlich sein, die man zuvor nicht in Betracht gezogen hat“, sagt Ristroph. „Das Bauteil könnte beispielsweise eingesetzt werden, um die Vibrationen in Motoren und Maschinen auszugleichen, die Kraftstoff, Kühlmittel, Schmierstoff und andere Flüssigkeiten oder Gase pumpen.“ (Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-23009-y)
Quelle: New York University
