Wenn Stein vor Spannung knistert

Jetzt wird es einmal elektrisch spannend. So spannend, dass Steine und Beton fast knistern. Denn Forscher an der Rutgers University in New Jersey haben herausgefunden, dass Steine, Beton, Glas und Keramik sich elektrisch aufladen und elektrische Signale abgeben, wenn sich deren granularen Einzelteile in Bewegung setzen. Durch diese Bewegung bildet sich im Kornhaufen und auch im festen Material eine elektrische Spannung, die gemessen werden kann. ‚Prima‘, denkt sich der geneigte Leser jetzt, ‚doch diese Erkenntnis ist absolut nicht neu‘. Stimmt, aber die Geschichte ist noch nicht zu Ende.

Das Team und den Physiker Troy Shinbrot beschäftigte sich bisher häufig mit dem Verkleben pharmazeutischer Pulver bei deren Herstellung – ein für das Bauwesen relativ uninteressantes Thema, sollte man meinen. Aber irgendwann haben die Forscher – wohl aus Langeweile – beschlossen, ein paar aufregendere Experimente mit der ihnen zur Verfügung stehenden Laborausstattung zu machen. Sie füllten dafür ein paar Löffel pulverförmiges Paracetamol in einen sich langsam drehenden Zylinder.

Wie bei der Wäsche in einer Waschmaschine legte sich das Pulver an die Seiten der Trommel und sammelte sich dort an. Wurde eine bestimmte Höhe erreicht, fiel das Pulver in ungleichmäßigen Abständen und lawinenartig wieder auf den Boden der Trommel zurück – wie Wäsche in einer Waschmaschine eben. Und während dieser Abrutschvorgänge konnten die Forscher elektrische Spannungen bis zu 100 Volt im Pulverhaufen messen.

Wie schon angedeutet, ist dies nicht unbedingt als neue Erkenntnis zu bewerten. Man weiß schon lange, dass sich in granularen Materialien wie Stein, Beton, Glas oder Keramik elektrische Spannung aufbauen, wenn diese brechen.

Neu ist jedoch die Feststellung von Shinbrot & Co., dass diese Spannung auch vor dem eigentlichen Bruchvorgang messbar ist. Teilweise konnten Spannungsspitzen schon 5 Sekunden vor dem Niedergang der Lawinen aus Paracetamol gemessen werden. Auch mit anderen Pulvern wie Mehl oder Zement konnten diese Messungen bestätigt werden. Und jetzt könnte es auch für das Bauwesen interessant werden, denn diese Spannungen treten immer dann auf, wenn elektrisch geladene Partikel voneinander entfernt werden.

Also auch, wenn Beton reißt. Schon bevor ein Riss sichtbar oder messbar wird, dehnen sich Stoffe wie Beton oder Granit und produzieren damit innere elektrische Spannungen. Lernt man diese elektrischen Signale zu messen, kann man unter Umständen ein Frühwarnsystem für entstehende Risse an Betonbauteilen von Brücken oder Gebäuden entwickeln.

Sicherlich muss man dafür noch die Zeitspanne vergrößern, die bisher bei der Messung zwischen Spannungsaufbau und Teilchenbewegung verging, denn 5 Sekunden Vorwarnzeit sind für eine Brückensperrung oder die Evakuierung von Gebäuden nicht gerade ausreichend. Doch die Forscher erwarten, dass man in ein paar Jahren ein besseres Wissen über die elektrischen Interaktionen von Partikeln haben wird und man mit diesem Wissen Technologien entwickeln kann, die ein Versagen ankündigen, bevor es zu einer Katastrophe kommt.

Mal sehen, vielleicht schreiben wir dann ja noch einen Artikel darüber in der Bau-Praxis 😉

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