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Prof. Dr. Bruno Eckhardt  - Gottfried Wilhelm Leibniz-Preisträger 2002

Prof. Dr. Bruno Eckhardt

Prof. Dr. Bruno Eckhardt

Bruno Eckhardt hat in Kaiserslautern und in den USA Physik, Mathematik und Informatik studiert und 1986 die Promotion abgeschlossen. Nach der Habilitation für das Fachgebiet Theoretische Physik ging er zunächst an die Universität Oldenburg und nahm 1996 den Ruf an die Universität Marburg an, wo er seither eine C4-Professur für Theoretische Physik innehat. Das Arbeitsgebiet von Bruno Eckhardt ist die Nichtlineare Dynamik. Solche Phänomene treten im mikroskopischen Bereich auf, beispielsweise bei Atomen oder Molekülen. Sie sind aber auch in makroskopischen Systemen zu finden, etwa bei Turbulenzen in Strömungen, ein Untersuchungsfeld, dem sich Bruno Eckhardt in letzter Zeit verstärkt gewidmet hat. Er entwickelte numerische Verfahren zur Simulation von Strömungsmustern und hat mit seinen Arbeiten einen erheblichen Beitrag zum Verständnis der Vielfältigkeit bei Strömungen im Übergangsbereich zur Turbulenz geleistet. Die Ergebnisse seiner Forschung zur Dynamik nichtlinearer Systeme haben neue Wege in der Physik der Strömungsforschung aufgezeigt.

Lebenslauf

Name:  Bruno Eckhardt 

Geburtsdatum:  1960 

Geburtsort:  Rockenhausen (Rheinland-Pfalz) 

Familienstand:  verheiratet mit Kirsten Eckhardt, geb. Hankel, drei Kinder (Lea 12, Anna 9, Sarah 6) 

   

1960  geboren in Rockenhausen (Rheinland-Pfalz) 

1966 - 1977  Volksschule Ginsweiler und Gymnasium Lauterecken 

1977 - 1981  Studium der Physik, Mathematik und Informatik an der Universität Kaiserslautern, Diplom-Vorprüfung (1979) 

1981 - 1983  Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia (USA) Master of Science in Physics (1982) 

1983 - 1986  Universität Bremen, Promotion (1986) 

1986 - 1988  wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Festkörperforschung der Kernforschungsanlage Jülich GmbH 

1988 - 1992  wissenschaftlicher Assistent an der Universität Marburg Habilitation für das Fachgebiet Theoretische Physik (1991) 

1992 - 1996  Universitätsprofessor (C3) für Physik Carl von Ossietzky Universität Oldenburg 

Seit 1996  Universitätsprofessor (C4) für Theoretische Physik Philipps Universität Marburg 

 

Ehrungen und Ämter

Förderung durch die Studienstiftung des Deutschen Volkes 1980-1982. 

Bremer Studienpreis 1987 für die Doktorarbeit. 

Physik-Preis 1994 der Göttinger Akademie der Wissenschaften 

 Mitglied des Vorstandes und Geschäftsführender Direktor des Institutes für Chemie und Biologie des Meeres (Oldenburg, 1995-1996) 

 International Advisory Board von Chaos, Solitons and Fractals (1991-1996) 

 Editorial Board von Journal of Nonlinear Science (seit 1994) 

 Editorial Board von Physical Review E (seit 2000)

Forschungsschwerpunkte

Mein Forschungsgebiet lässt sich dem Bereich der Nichtlinearen Dynamik, oft auch Chaosforschung genannt, zuordnen. Im Rahmen der Nichtlinearen Dynamik sind in den letzten beiden Jahrzehnten Konzepte und Verfahren entwickelt worden, die eine mathematisch-naturwissenschaftlich greifbare Definition von Chaos ermöglicht. So sind Kenngrößen definiert, Analysemethoden entwickelt und viele Beispiele experimentell und theoretisch detailliert untersucht worden. Unter den physikalisch wichtigen Beispielen für chaotisches Verhalten sind die Bewegung von Fluiden und die Dynamik von atomaren Systemen besonders ausgezeichnet.

Die Strömung von Fluiden wird fast immer durch die Nichtlinearitäten dominiert und ist kaum chaosfrei zu bekommen. Egal ob in fließendem Gewässer, bei den Wolken am Himmel oder den Strudel in der Badewanne: überall findet man ein ständiges Kommen und Gehen von Wirbeln unterschiedlichster Größe. Die Wirbel sind über ihre Dynamik untereinander gekoppelt und bilden ein selbstorganisiertes System. Diese Struktur der Strömung wirkt sich in der Praxis u.a. beim Strömungswiderstand, bei Stofftransport im Ozean oder beim Wärmeaustausch in der Atmosphäre aus. Die in der Chaosforschung entwickelten Methoden und Ansätze eröffnen neue Wege zur Beschreibung und Erklärung der grundsätzlichen Prozesse, die schlussendlich auch zu einer besseren Modellierung turbulenter Strömungen führen werden.

Das Besondere auf atomaren Skalen ist, dass die klassische Mechanik ihre Gültigkeit verliert und eine quantenmechanische Beschreibung erforderlich wird. Das dort auftretende Chaos braucht also andere Kenngrößen als im klassischen Fall. Im Übergangsbereich zwischen klassischer und quantenmechanischer Beschreibung können aber Begriffe aus beiden benutzt und das Wechselspiel zwischen klassischem Chaos und quantenmechanischen Eigenheiten (Interferenzen) besonders gut untersucht werden. Eine Vielzahl externer Eingriffsmöglichkeiten (Laser, Mikrowellen, elektrische und magnetische Felder) und die Möglichkeit, auf verwandte klassische Wellenexperimente zurückgreifen zu können, eröffnen ein reichhaltiges Forschungsgebiet. Die Untersuchungen sind stark grundlagenorientiert, strahlen aber in die aktuellen Bereich des Quantencomputing und der Nanomechanik aus.

Einige konkrete Forschungsprojekte werden im folgenden weiter ausgeführt. Diese und alle anderen Aktivitäten profitieren von lokalen, nationalen und internationalen Kooperationen und der Förderung durch viele Drittmittelgeber. Ihnen und allen meinen Mitarbeitern gilt mein herzlichster Dank.

Übergang zur Turbulenz in Scherströmungen

Ende des 19. Jahrhunderts führte Osborne Reynolds eine Reihe von Experimenten an einem durchsichtigen, wasserdurchströmten Rohr durch. Mit einer Pipette konnte er in der Mitte des Rohres Farbe einspritzen. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten zog sich ein gerader Faden durch das Rohr, die Strömung war laminar. Bei höherer Strömungsgeschwindigkeit verwirbelte der Faden, die Strömung wurde turbulent. Er beobachtete auch, dass dieser Übergang nicht nur von der Strömungsgeschwindigkeit sondern auch von der experimentellen Sorgfalt, mit der er externe Störungen unterdrückte, abhing. Trotz vieler experimenteller, theoretischer und numerischer Arbeiten sind die genauen Vorgänge beim Übergang noch ungeklärt, was sich auch an den vagen Erläuterungen in vielen Lehrbüchern zeigt. Die Aufklärung der dominanten physikalischen Prozesse ist ein Ziel unserer Arbeit. Sobald präzisere Angaben zu den Bedingungen, die den Turbulenzübergang auslösen, vorliegen, sollte es auch leichter werden, durch gezielte Eingriffe die Turbulenz zu beeinflussen oder zu unterdrücken, um damit die Strömungseigenschaften zu verbessern. Wie das gehen könnte haben wir an einer numerisch einfacheren Strömung bereits gezeigt; nun wollen wir die in den technischen Anwendungen wichtigere Rohrströmung angehen.

Turbulente Strömungen

Schon Leonardo da Vinci hat turbulente Strömungen als wild verschlungene Wirbel gezeichnet. Diese Wirbel entstehen in unterschiedlichster Größe immer wieder neu, bestehen eine Weile und lösen sich dann meist in kleinere wieder auf. Die Grundgleichungen für die Wirbel sind schon länger bekannt als die für die Quantenmechanik, aber das mathematische Verständnis ist weitaus weniger gut entwickelt. Wir versuchen daher, die statistischen Eigenschaften der Strömungen besser zu erfassen, die Dynamik der wichtigsten Prozesse zu charakterisieren und Schranken für Transporteigenschaften abzuleiten. Sehr aufschlussreich ist dabei die Beobachtung von Teilchen, die von der Strömung mitgetragen werden: sie können zusammenlaufen, wie der Schmutz im Hafenbecken, oder auseinandergezogen werden, wie der Rauch eines Schornsteins. Wenn es sich bei den Teilchen um flexible, langkettige Polymere handelt, die durch die Wirbel gestreckt werden, kann es zu einer drastischen Änderung des Strömungswiderstandes kommen. Wir wollen wissen, wie schnell diese Prozesse ablaufen, wie sich Gruppen von Teilchen verhalten und wie diese Beobachtungen mit der Verteilung der Wirbel und anderen Strömungseigenschaften zusammenhängen.

Mischungen

Die Unterschiede zwischen dem Verrühren von Vanillesoße mit Roter Grütze und von Milch in Kaffee sind offensichtlich: beim Kaffee genügt es, kurz mit dem Löffel eine Strömung anzuwerfen, die dann weiterläuft und schnell zu einer gleichmäßigen Mischung führt. Bei der Vanillesoße kommt die Bewegung zum Erliegen, sobald der Löffel ruht. Außerdem kann man durch vorsichtiges Umkehren der Rührbewegung beide wieder entmischen. Das wirft grundsätzlich die Frage auf, unter welchen Bedingungen ein Vermischen auftritt und wie schnell und wie gleichmäßig die Fluide verteilt werden. Diese Ergebnisse sind auch von Bedeutung für die Dynamik von Polymeren in turbulenten Strömungen (siehe vorheriges Beispiel).

Atome in starken Feldern

Wird Licht auf ein Atom gestrahlt, so können die Elektronen einen Teil der Energie aufnehmen und aus dem Atom entweichen; zurück bleibt dann ein Ion. Mit Lasern kann sogar soviel Energie übertragen werden, dass gleichzeitig zwei oder mehr Elektronen entweichen. Zu diesem Prozess, der für die Wechselwirkung von starken Licht- und Laserimpulsen mit Atomen und Clustern von grundsätzlicher Bedeutung ist, wurden vor zwei Jahren in Marburg wegweisende Experimente durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass sich die Elektronen auf dem Weg aus dem Atom nicht unabhängig voneinander bewegen, sondern nebeneinander herlaufen. Dazu muss die Abstoßung zwischen den Elektronen sorgfältig ausbalanciert werden. Über die Betrachtung aller Kräfte kommen wir zu Vorhersagen für die Wahrscheinlichkeit, mit der der Prozess auftritt, und für die Verteilung der Impulse der Ionen und Elektronen, die gut mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmen.