Egal ob Formel-1-Flitzer, Kampfjet oder Kleinwagen: Auf dem Weg zum Kunden müssen alle zuerst in den Windkanal. Denn nur dort zeigt sich im Detail, wie sich Ecken und Kanten dem Wind entgegenstemmen; die genaue Form der Wirbel ließ sich bislang nur in stürmischer Umgebung zeigen.

Dabei sind die Formeln, die Turbulenzen treffend beschreiben, altbekannt. Bereits vor mehr als 180 Jahren stellten die Physiker Claude Navier und George Stokes ein Gleichungssystem auf, das noch heute die Grundlage der Strömungsmechanik bildet. Allerdings ist das Formelwerk so kompliziert, dass konkrete Probleme meist nicht direkt, sondern nur durch Ausprobieren gelöst werden können. Wenn überhaupt.

Spätestens bei der turbulenten Simulation fahrender Autos erreichen selbst moderne Supercomputer ihre Grenzen. Zudem müsste in solchen Fällen die Geometrie der zu untersuchenden Objekte im Rechner extrem genau modelliert werden. In der Praxis bleibt nur der Gang in den Windkanal.

Ein Forscherteam aus Italien und den USA will das ändern. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt "Science" berichten, ist es ihnen gelungen, die Ansprüche an das Computermodell und die erforderliche Rechnerleistung deutlich herunterzuschrauben. Die Mathematiker und Ingenieure bedienten sich dabei einer Idee, die bereits zehn Jahre alt ist, bislang von den meisten Wissenschaftlern aber als zu exotisch und abstrakt abgetan wurde.

Während sich die Forschung lange Zeit darauf beschränkte, die Geschwindigkeits- und Druckverteilung für das gesamte System zu beschreiben, startet der neue Ansatz auf der Ebene einzelner Teilchen: Aus einer mikroskopischen Perspektive lässt sich eine Flüssigkeit als eine Vielzahl kleiner Partikel beschreiben, die sich entsprechend den Gesetzen der Mechanik durch den Raum bewegen und gegeneinander stoßen.

Genau diese Wechselwirkungen lassen sich in Gleichungen fassen, die für ein großes System verhältnismäßig einfach zu lösen sind. Teamleiter Hudong Chen und seine Kollegen berichten in "Science", dass sich mit der neuen Methode eine geometrische Form im Computer deutlich schneller modellieren lässt als bislang.

• US-Wissenschaftsmagazin "Science" 

Die Simulation selbst brauche dann nur etwa ein Zehntel der derzeit üblichen Rechenzeit. Als die Wissenschaftler ihre Berechnungen mit den Ergebnissen realer Untersuchungen im Windkanal verglichen, stimmten die Strömungsverhältnisse, so Chen, sehr gut überein.

Nicht nur Auto- und Flugzeugbauer könnten von den neuen Erkenntnisse profitieren. Turbulente Strömungen sind beispielsweise auch für die Temperaturverteilung in Ozeanen, die Schadstoffbelastung der Atmosphäre oder den Plasmastrom in jungen Sternen verantwortlich - und solche Objekte lassen sich nicht einfach in den Windkanal stecken.