Beim Öffnen einer Sektkorkenflasche erleben wir ein komplexes Überschallphänomen.
Die TU Wien hat nun erstmals eine präzise Berechnung der Vorgänge während dieses bekannten Vorgangs durchgeführt.
Die Wissenschaft hinter dem Champagner Korkenknall
Es mag wie ein einfacher, alltäglicher Vorgang erscheinen – der hohe Druck in einer Champagnerflasche treibt den Korken mit einem lauten 'Knall' heraus. Doch die zugrundeliegende Physik dahinter ist kompliziert.
Während Hochgeschwindigkeitskamera-Experimente durchgeführt wurden, fehlte zuvor eine mathematische und numerische Analyse des Vorgangs. Diese Wissenslücke wurde jetzt am Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung an der TU Wien in Zusammenarbeit mit dem privaten österreichischen Kompetenzzentrum für Tribologie (AC2T) gefüllt. Durch aufwändige Computersimulationen wurde das Verhalten des Korkens und des Gasflusses während des Öffnens akribisch analysiert, was zur Entdeckung erstaunlicher Phänomene führte.
Eine Überschall-Schockwelle entsteht
Eine Erkenntnis ist die Bildung einer Überschall-Schockwelle, wobei der Gasfluss Geschwindigkeiten von über anderthalbfacher Schallgeschwindigkeit (1440 km/h) erreicht. Diese Erkenntnisse sind über Champagner hinaus von Bedeutung und erstrecken sich auf Anwendungen, die sich mit Gasströmungen um ballistische Geschosse oder Raketen befassen. Lukas Wagner, der Hauptautor der Studie und Doktorand sowohl an der TU Wien als auch bei AC2T, erklärt:
Der Champagnerkorken selbst löst sich mit einer relativ bescheidenen Geschwindigkeit, vielleicht erreicht er 20 Meter pro Sekunde. Doch der aus der Flasche strömende Gasfluss bewegt sich viel schneller, überholt den Korken und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde – schneller als Schallgeschwindigkeit – was zur Bildung einer Schockwelle führt.
Lukas WagnerWenn eine Schockwelle entsteht, treten abrupte Änderungen der Eigenschaften wie Druck und Temperatur im Gas auf, was zu Diskontinuitäten führt, die als "Mach-Scheiben" bekannt sind. Dieses Phänomen ähnelt dem, was bei Überschallflugzeugen oder Raketen auftritt, wo der Auspuffstrahl mit hoher Geschwindigkeit aus den Triebwerken austritt. Die Mach-Scheibe bildet sich zunächst zwischen der Flasche und dem Korken und bewegt sich dann zurück zur Flaschenöffnung.
Nicht nur der Gasdruck ändert sich dramatisch, sondern auch die
Temperatur erfährt einen abrupten Wechsel
Wenn sich das Gas ausdehnt, kühlt es ab. Ein Phänomen, das von Aerosolsprays bekannt ist. Im Falle einer Champagnerflasche ist dieser Effekt besonders ausgeprägt, wobei das Gas an bestimmten Stellen auf bis zu -130 °C abkühlt. Unter diesen Bedingungen kann das für die Sprudelbildung verantwortliche CO2 sogar winzige Trockeneiskristalle erzeugen. Die Größe und Farbe dieser Kristalle variieren je nach der ursprünglichen Temperatur des Champagners und ermöglichen es, die Temperatur anhand der Farbe des entstehenden Rauchs zu bestimmen.
Fazit
Der hörbare Knall beim Öffnen einer Champagnerflasche ist eine Kombination verschiedener Effekte: Die plötzliche Ausdehnung des Korkens beim Verlassen der Flasche erzeugt eine Druckwelle, während die durch den Überschall-Gasfluss erzeugte Schockwelle den charakteristischen Klang des Champagner Korkenknalls erzeugt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine scheinbar einfache feierliche Handlung ein faszinierendes Schauspiel von Strömungsmechanik und Thermodynamik beinhaltet, das unser Verständnis von Überschallphänomenen und deren Anwendungen bereichert.
Diese Studie beleuchtet nicht nur ein vertrautes, aber rätselhaftes Ereignis, sondern veranschaulicht auch die tiefgreifenden Erkenntnisse, die durch die Betrachtung alltäglicher Phänomene aus wissenschaftlicher Perspektive gewonnen werden können.
