Einleitung
Die Quallen, die sich durch sanftes Pulsieren ihrer sackartigen Körper durch die Meere bewegen, scheinen möglicherweise nicht viele Geheimnisse zu bergen, die menschliche Ingenieure interessieren würden. Aber so einfach die Kreaturen auch sind, Quallen sind meisterhaft darin, den Fluss des Wassers um sie herum zu nutzen und zu kontrollieren, manchmal mit überraschender Effizienz. Als solche verkörpern sie anspruchsvolle Lösungen für Probleme der Fluiddynamik, von denen Ingenieure, Mathematiker und andere Fachleute lernen können. John Dabiri, Experte für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am California Institute of Technology, spricht in dieser Folge mit Steven Strogatz darüber, was Quallen und andere Wasserlebewesen uns über das Design von U-Booten, die optimale Platzierung von Windkraftanlagen und gesunde menschliche Herzen lehren können.
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Abschrift
Steven Strogatz (00:03): Ich bin Steve Strogatz und das ist Die Freude am Warum, ein Podcast von Quanta MagazineDas führt Sie zu einigen der größten unbeantworteten Fragen in Mathematik und Naturwissenschaften von heute.
(00:14) Man sagt, Biologie sei ein großartiger Lehrer für Ingenieure. Denken Sie nur an all das, was uns ein hochfliegender Adler über Aerodynamik beibringen kann. Mein heutiger Gast dachte, eine Qualle wäre ein lehrreiches Lernobjekt für ein Sommerpraktikum im Ingenieurwesen. Und Jahre später untersucht er Quallen immer noch wegen der Fülle an Informationen, die sie über die Strömungsdynamik, das Thema dieser Episode, bieten können.
(00:36) Was können wir aus der Bewegung von Quallen und Fischschwärmen über die Bewegung von Luft, Wasser und sogar Blut lernen? Durch das Studium der Mathematik, wie sich Fischschwärme im Einklang bewegen, konnte unser heutiger Gast herausfinden, wie man Windkraftanlagen platziert, um saubere Energie effizienter zu erzeugen. Aber das ist nicht alles. Es stellt sich heraus, dass die Art und Weise, wie eine Qualle schwimmt, uns sogar Aufschluss über die Gesundheit eines menschlichen Herzens geben kann. Und Quallen haben uns neue Tricks zum Unterwasserantrieb beigebracht, die für eine neue Generation des U-Boot-Designs hilfreich sein könnten. Aber lassen Sie uns von unserem Gast John Dabiri mehr erzählen. Er ist Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Caltech. Er hat gewonnen Waterman-Preis im Jahr 2020, die landesweit höchste Auszeichnung für Nachwuchswissenschaftler und Ingenieure. Er ist auch Mitglied von Präsident Biden Beirat für Wissenschaft und Technologie. Willkommen, Professor John Dabiri.
John Dabiri (01:31): Danke, Steve. Es ist schön hier zu sein.
Strogatz (01:33): Es ist wirklich eine große Freude, Sie hier zu haben. Wir kennen uns schon eine Weile, aber ich glaube nicht, dass wir vorher Gelegenheit zum Fachsimpeln hatten, also freue ich mich darauf. Wissen Sie, ich muss gestehen, obwohl wir mit Ihnen viel über Quallen reden werden, habe ich noch nie eine Qualle in der Hand gehalten und bin noch nie von einer Qualle gestochen worden.
dabiri (01:51): Du verpasst etwas. Ich habe beides gemacht.
Strogatz (01:55): Wie? Wie war Ihre unmittelbare Begegnung mit Quallen, bei der Sie stechen mussten?
dabiri (02:00): Nun, wissen Sie, es war eigentlich ein Fotoshooting, das ich für eine Zeitschrift machte, und der Fotograf dachte, es wäre schön für mich, meine Motive ganz nah und persönlich zu sehen. Und so brachte er mich ins Wasser und sagte mir, ich solle das Gelee behalten. Und währenddessen begannen seine Tentakel über meine Beine zu tropfen. Es war also ein sehr schmerzhaftes Fotoshooting, aber wir haben es geschafft.
Strogatz (02:21): Verziehen Sie auf dem Bild das Gesicht?
dabiri (02:23): Weißt du, irgendwie haben sie es geschafft, dass es so aussieht, als würde ich lächeln und das Ganze genießen, obwohl es ziemlich miserabel war.
Strogatz (02:29): Nun, es tut mir leid, wir werden Ihnen heute nichts davon antun.
dabiri (02:31): Danke, danke.
Strogatz (02:33): Wissen Sie, wenn ich zum Beispiel in Fernsehsendungen von David Attenborough oder anderen Natursendungen herumschwimmende Quallen sehe, sehen sie fast wie eine Tüte aus, wie eine Zellophantüte, die vom Wasser einfach herumgeschubst wird . Aber ich weiß, dass das nicht richtig sein kann. Sie sind nicht nur passive Schwimmer. Können Sie uns etwas erzählen? Wie bewegen sie sich? Haben sie Muskeln?
dabiri (02:52): Ja, und tatsächlich sind Quallen die ersten Tiere, die wir kennen, die sich im Meer fortbewegen konnten. Das Schwimmen, das Sie in diesen Dokumentationen sehen, wird von einer einzelnen Zellschicht angetrieben. Stellen Sie sich eine sehr dünne Muskelschicht vor, die sich in einem Rhythmus zusammenziehen und ausdehnen kann, der fast dem Schlagen Ihres Herzens ähnelt. Und das ermöglicht es ihnen, durch den Ozean voranzutreiben.
Strogatz (03:13): Wenn Sie also vom Rhythmus sprechen, denke ich, dass sie auch ein Nervensystem haben müssen, das die Muskeln steuert.
dabiri (03:20): Tatsächlich haben Quallen überhaupt kein Zentralnervensystem. Sie haben auch kein Gehirn. Alles, was sie haben, sind diese kleinen Zellhaufen um ihren Körper, die ihnen sagen, wann sie ihre Muskeln aktivieren und wann sie sich zusammenziehen sollen. Und so nutzen sie diese Muskeln, um ihre Schwimmbewegungen auf eine Weise zu koordinieren, die sich stark von der Art und Weise unterscheidet, wie Sie und ich uns bewegen.
Strogatz (03:39): Äh huh. Es ist also... Da ist doch eine Glocke, oder? Sie reden über die Glocke. Was ist mit der Glocke gemeint?
dabiri (03:42): Das stimmt. Wenn Sie sich also eine Qualle in einem Aquarium ansehen, sieht sie, wie Sie sagten, wie ein Regenschirm oder eine Tasche aus. Und am unteren Rand dieses Schirms gibt es ein paar Gruppen, normalerweise etwa acht davon. Und das sind die Orte, an denen der Körper die Signale zum Schwimmen sendet, um den Muskel anzuspannen. Durch die Koordinierung dieser Kontraktionssignale sind sie in der Lage, mit sehr geringem Energieverbrauch durch das Wasser zu schwimmen.
Strogatz (04:12): Ja, ich kann das definitiv nicht nachvollziehen, wenn ich an mein eigenes Schwimmen denke, das so umständlich ist und viel kostet – und viel Energie verschwendet. Also, was sagen Sie hier? Sie sagen, sie sind sehr effiziente Schwimmer? Was meinst du?
dabiri (04:27): Wir wissen, dass Quallen vor mehr als 200 Millionen Jahren zu den ersten Tieren gehörten, die schwammen. Sie haben Massenaussterben überlebt. Und so wurde lange Zeit angenommen, dass es an ihrer Fähigkeit, sich effizient zu bewegen, etwas geben muss, das es ihnen ermöglichte, so lange in den Ozeanen zu überleben, sogar angesichts exotischerer Schwimmer wie Delfine und Haie Daran denken Sie vielleicht, wenn Sie an einen hervorragenden Schwimmer denken.
(04:53) Nun, es stellt sich heraus, dass die sehr einfache Körperform dieser Gelees, der einfache Regenschirm, sogenannte Wirbelringe erzeugt. Stellen Sie sich einen Donut aus wirbelndem Wasser vor. Jedes Mal, wenn das Tier seine Muskeln anspannt, entsteht dieser Donut aus Wasser. Und es stößt sich fast von diesem Donut aus wirbelndem Wasser ab, um sich durch das Wasser zu bewegen, ohne dabei viel Energie verbrauchen zu müssen. Es ist also ein ganz anderer Schwimmstil als das, was Sie oder ich im Meer versuchen würden, aber er ist ziemlich effektiv.
Strogatz (05:25): Plötzlich kommt mir ein Bild in den Sinn. Sagen Sie mir, ob ich damit auf dem falschen Weg bin oder nicht. Aber ich erinnere mich, dass ich als Kind im Sommercamp Kanu gefahren bin. Und sie verlangten, dass wir unser Paddel ins Wasser steckten. Und mir wurde gesagt, ich solle einen J-Schlag machen, bei dem man das Paddel nach hinten drückt und es dann nach hinten rollt. Und man konnte kleine Wirbel sehen, kleine Wasserstrudel, die daraus hervorgingen.
dabiri (05:46): Das stimmt.
Strogatz: Ist dieser Schlaganfall relevant für das, worüber Sie mit Wirbeln sprechen?
dabiri (05:50): Das ist es. So drückt mein Mund überall im Ozean und sogar jetzt, während ich zu Ihnen spreche, die Luft um mich herum und erzeugt diese wirbelnden Strömungen, die wir Wirbel nennen. Wenn Sie also schwimmen, erzeugen Sie diese Wirbel. Dieses Kanupaddel erzeugt diese wirbelnden Wirbel. Das Besondere an den Quallen in ihren Wirbelringen ist, dass sie diese nahezu perfekte Kreisform haben. Und diese kreisförmige Form ermöglicht es ihnen, mit einer Effizienz zu schwimmen, die besser ist als die, die Sie oder ich durch Streicheln unserer Arme oder mit einem Kanupaddel erreichen können. Es ist also wirklich die Form dieser Wirbel, dieser wirbelnden Strömungen, die der Schlüssel zu ihrem sehr effizienten Schwimmen ist. Und das ist es, was wir lange Zeit zu verstehen versuchten, um das Geheimnis zu lüften, wie diese Tiere so lange im Ozean überlebt haben. Es sind wirklich diese kreisförmigen Wirbelringe, die den Schlüssel darstellen.
Strogatz (06:41): Mal sehen, ob ich das Bild richtig im Kopf habe. Wenn Sie von einem kreisförmigen Wirbelring sprechen, kommt mir jetzt auch das andere Bild in den Sinn: … nicht … Die Leute rauchen nicht mehr so viel wie früher, aber Sie wissen, worauf ich hinaus will, oder? Es gibt zum Beispiel Leute, die Zigarren rauchen, oder Leute, die Ringe rauchen.
dabiri (06:57): Genau.
Strogatz: Ist das die Art von Kreis, den ich mir vorstellen soll, wenn er sich von den runden Lippen einer Person löst?
dabiri (07:02): Absolut. Als ich unterrichtete, war dies das klassische Beispiel, das ich verwendet habe (aber jetzt versuchen wir, das Rauchen oder Dampfen zu unterbinden). Aber wenn Sie sich eine ungiftige Version dieses Beispiels vorstellen, liegen Sie genau richtig. Es sind diese Rauchringe, die die Leute blasen würden, die wie ein Luftball aussehen, der wirbelt und seine Kreisform über weite Entfernungen von der Person, die ihn geblasen hat, beibehält.
(07:23) Eine andere Version davon ist vielleicht, dass man manchmal Delfine sieht, die das im Meer tun und mit Blasenringen spielen, die eine ähnliche Form haben wie sie. Es ist ein Donut aus Wasser, in dessen Mitte Luft eingeschlossen ist. Und die Art und Weise, wie die Delfine in diesem Fall diese Ringe aufrechterhalten können, liegt an der Stabilität dieser besonderen Art von Wirbelströmung. Es ist wirklich einzigartig in der Fluiddynamik.
Strogatz (07:47): Also gut, so lustig es auch ist, über Quallen zu reden, und sie sind zugegebenermaßen sehr cool und effizient. Aber für die Leute da draußen, die sich vielleicht fragen: Warum geben wir uns so viel Mühe? Helfen Sie uns, es umfassender zu verstehen. Worum geht es in der Fluiddynamik? Wo gilt es im Rest der Wissenschaft oder Technologie?
dabiri (08:09): Ja, die Fluiddynamik ist also überall um uns herum. Tatsächlich bestand einer der wirklich spannenden Anwendungsbereiche für mich als angehender Maschinenbauingenieur darin, über effektivere Raketen und Hubschrauber nachzudenken – Antriebssysteme im Allgemeinen. Nun wissen wir, dass dieses Gebiet der Fluiddynamik, die Untersuchung der Bewegung von Luft und Wasser, im Hinblick auf die Bewegung, die das Wasser oder die Luft ausführt, im Hinblick auf die Art und Weise, wie wir versuchen, sie mithilfe der Physik zu beschreiben, wirklich kompliziert ist. Und so entstand vor ein paar Jahrzehnten eine Bewegung, die sagte: Warum studieren wir nicht einige Tiersysteme, die es bereits herausgefunden haben, herausgefunden, wie man effizient schwimmt oder wie man effizient fliegt? Man kann tatsächlich Jahrhunderte bis zu Leonardo da Vinci zurückgehen und versuchen zu verstehen, wie man mithilfe von Vögeln den von Menschen betriebenen Flug entwickeln kann. Es gibt also tatsächlich eine lange Tradition der Erforschung natürlicher Systeme, um Inspiration dafür zu gewinnen, wie wir effektivere Technologien entwickeln können. So habe ich das Feld betreten.
(08:29) Es stellt sich heraus, dass selbst ein so einfaches Tier wie die Qualle uns aufgrund ihrer eleganten Interaktion mit dem Wasser viel beibringen kann. Und das ist es, was uns wirklich dazu bewogen hat, insbesondere Quallen in diesem breiteren Bereich zu untersuchen, der manchmal als Biomimetik oder bioinspirierte Technik bezeichnet wird. Blick auf die Biologie, um Lösungen für technische Herausforderungen zu finden.
(09:08) Aber die Qualle entstand eigentlich aus meinem Wunsch heraus, ein praktisches Sommerprojekt zu entwickeln. Ich war hier am Caltech für ein Sommerforschungsprojekt und mein Berater hier sagte: „Lass uns ins Aquarium gehen und versuchen, ein Tiersystem zu finden, das wir untersuchen können“, so wie ich in meiner Collegezeit Hubschrauber und Raketen studiert hatte. Ehrlich gesagt war ich davon nicht begeistert. Damals dachte ich, ich würde ans Caltech kommen, um Raketen und Antriebe zu studieren. Caltech verfügt über das Jet Propulsion Laboratory, für das es berühmt ist. Aber wir kamen zum Aquarium und ich dachte: „Nun, ich habe hier ein 10-wöchiges Projekt.“ Lassen Sie mich das einfachste Tier auswählen, das ich finden kann. Wissen Sie, es sollte einfacher sein, ein einfaches Modell dafür zu entwickeln.“ Und so schien die Qualle ein einfacher Ausweg zu sein. Und natürlich sind wir 20 Jahre später hier und ich versuche immer noch herauszufinden, wie sie funktionieren.
Strogatz (10:17): Ich muss sagen, als Mathematiker fühlte ich mich immer von der Fluiddynamik angezogen, weil sie so schwierig ist. Einige der schwierigsten mathematischen Probleme, mit denen wir in dem Bereich, der mich interessiert, den Differentialgleichungen, konfrontiert waren, entstanden zunächst im Zusammenhang mit Problemen der Fluiddynamik. Sie haben also erwähnt – OK, also Raketen, Düsenantriebe für – wir könnten über Flugzeuge nachdenken, es gibt medizinische Anwendungen –
Dabiri (10:42): Auf jeden Fall. Wir haben gerade Covid [Covid-19] hinter uns gelassen. Ich meine, um Ihnen ein ganz aktuelles Beispiel zu geben: Bei Fragen zur Übertragung von Covid handelte es sich tatsächlich um Fragen der Fluiddynamik. Wie entstehen die Aerosole? Wie werden sie übertragen? Wie werden sie über andere Personen erhoben? Wenn ich eine Maske entwerfen möchte, wie geht das am effektivsten? Beim Klimawandel ist die Modellierung des Erdklimas größtenteils ein Problem der Fluiddynamik. Fluiddynamik zeigt sich in allen Aspekten unseres Lebens.
(11:11) Was ich an dieser Untersuchung tierischer Systeme wirklich spannend finde, ist, dass es sich meiner Meinung nach beim Bau eines Flugzeugs um einen Menschen handelt, der sich an einen Computer setzt und versucht, diese sehr komplexen Gleichungen zu lösen Sie haben es beschrieben, um herauszufinden, was die ideale Form des Flügels und die ideale Form des restlichen Flugzeugs ist. In gewisser Weise lösen Quallen jeden Tag partielle Differentialgleichungen, während sie durch das Wasser schwimmen.
(11:35) Wir müssen also genau herausfinden, was es mit ihrem Schwimmen auf sich hat, das es ihnen ermöglicht, zu dieser speziellen Lösung dieser Differentialgleichungen zu gelangen. Und dann besteht die Hoffnung, dass wir das auf unsere eigenen Designprobleme anwenden können, bei denen wir nicht den gleichen Einschränkungen unterliegen wie die Quallen in der Evolution. Wir haben ein Gehirn, ein zentrales Nervensystem und mehr als eine einzelne Muskelzellschicht, mit der wir arbeiten können. Wir verfügen über technische Materialien, mit denen wir arbeiten können. Jetzt haben wir KI, mit der wir arbeiten können. Wenn wir also unser Wissen über Quallen mit allen Werkzeugen kombinieren, die uns als Ingenieure zur Verfügung stehen, sind uns in Wirklichkeit keine Grenzen gesetzt, was wir entwickeln können.
Strogatz (12:09): Nun, dann kommen wir zur Frage, wie die Quallen das machen. Welche Art von Experimenten haben Sie durchgeführt, um herauszufinden, wie sie die Wirbelringe nutzen, die sie erzeugen, wenn sie ihre Glocke zusammenziehen?
dabiri (12:21): Die erste Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, ist die Tatsache, dass Wasser und Luft transparent sind. Auch wenn wir hier sitzen und miteinander reden, ist die Luft um uns herum aufgrund unserer Atmung in ständiger Bewegung. Das können wir nicht wirklich wahrnehmen. Das Gleiche gilt auch im Wasser. Wenn Sie in ein Aquarium gehen, sind für Sie wahrscheinlich die Tiere die Hauptattraktion, für mich jedoch das Wasser, das sie umgibt. Das Problem ist, dass man die Wasserbewegung nicht leicht erkennen kann, wenn man nur auf den Tank starrt. Deshalb haben wir einige neue Technologien entwickelt, die uns dabei helfen, das die Tiere umgebende Wasser zu messen.
(12:53) Das erste, was Sie tun könnten, wäre, Farbstoff in das Wasser zu geben, etwa eine Lebensmittelfarbe, denn das zeigt, wie das Wasser vor Ort transportiert wird. Es ist ein qualitatives Bild. Es gibt Ihnen eine Art allgemeine Beschreibung, aber Sie können es nicht einfach mit Zahlen belegen, um zu sagen, dass sich das Wasser so schnell in diese Richtung bewegt.
(13:11) Was wir aber tun können, ist, einige Techniken zu nutzen, die in der Technik üblich sind. Zum Beispiel mit Lasern. Im Wasser befinden sich also winzige Schwebeteilchen – denken Sie an den Sand oder Schlick, der im Wasser schwebt. Das können wir mit Laserfolien beleuchten. Nehmen Sie einen Laserpointer, den Sie möglicherweise zu Hause haben, und richten Sie ihn durch einen Glasstab. Dadurch wird der Strahl in eine dünne Lichtschicht gestreut. Also haben wir diese Lichtscheibe durch das Wasser geführt. Es wird von allen im Wasser befindlichen Schwebeteilchen reflektiert. Und jetzt können wir jedes dieser kleinen Teilchen verfolgen, fast wie eine bewegte Sternennacht. So ungefähr sehen die Videos aus. Und jeder dieser Sterne, diese Sedimentpartikel im Wasser, verrät uns etwas darüber, wie sich das Wasser lokal um das Tier herum bewegt.
(13:56) Also haben wir diese Techniken im Labor entwickelt. Die große Herausforderung besteht dann darin, auf dem Feld nach Quallen zu suchen und diese tatsächlich zu messen. Ich hatte das Glück, Schüler zu finden, die bereit waren, mit Quallen zu schwimmen und Laser mitzunehmen.
Strogatz (14:10): Aber so – lassen Sie mich das... Sie können den Laserpointer oder was auch immer unter Wasser mitnehmen, und das ist kein Problem.
dabiri (14:15): Nun, das war also ein Teil von – dem Studenten, Kakani [Katija] war ihr Name. Ihr Ph.D. Meine These bestand darin, die Technologie zu entwickeln, die uns dies ermöglicht. So könnte ein Taucher ins Meer gehen, sich ganz vorsichtig neben diese Quallen schleichen und dann den Laser einschalten und das Wasser um sie herum messen. Und es stellte sich heraus, dass es ihr gelungen ist, die wirbelnden Strömungen zum ersten Mal in wirklich exquisiten Details einzufangen.
Strogatz (14:42): Und gibt es auch ein Videokamera-Setup?
dabiri (14:45): Ja, das gibt es. Tatsächlich basiert diese Bildgebungstechnologie größtenteils auf Video. Sie erhalten also ein Video des sich bewegenden Wassers und der Sedimentpartikel, die das Laserlicht reflektieren. Wenn wir uns also ansehen, wie sich das Wasser um das Tier im Laufe der Zeit bewegt, können wir herausfinden, dass die Tiere in manchen Fällen nicht so viel Energie in das Wasser stecken, um sich zu bewegen. Wir nennen das effiziente Bewegung. Wenn sie sich vorwärts bewegen können, ohne viel Wasser um sich herum aufwühlen zu müssen.
(15:12) Interessanterweise schwimmen einige Quallenarten selten, aber wenn sie es tun, dann im Überlebensmodus, um einem Raubtier zu entkommen oder seine Beute zu fangen. In solchen Fällen wird dem Wasser tatsächlich viel Energie zugeführt. Unserer Meinung nach ist es eine Frage des Überlebens. Wenn es um „Töten oder Getötet werden“ geht, sind Sie nicht so sehr auf die Effizienz bedacht. Und so können wir in diesen Fällen auch einen Unterschied im Wasser um die Tiere herum erkennen, was alles mit dieser Lasertechnik erfasst wird.
Strogatz (15:41): OK, vielleicht ist mein ganzes Zellophantüten-Bild einfach so falsch, und ich muss das aus meinem Kopf verbannen, aber es fühlt sich für mich so an, als würde das auf so viel Widerstand stoßen, selbst wenn es ein schönes, koordinierte Bewegung. Es muss einen Trick in der Art und Weise geben, wie sich diese Wirbelringe verhalten, damit die Bewegung so effizient ist, wie sie ist. Haben Ihre Messungen etwas Überraschendes oder Kniffliges ergeben, was die Quallen tun?
dabiri (16:05): Ja, das ist eine tolle Frage. Und es gibt mehrere Möglichkeiten, darüber nachzudenken. Als Erstes möchte ich in Bezug auf das Verhalten der Quallen anmerken, dass einer der Unterschiede zwischen dem, was sie auf natürliche Weise tun, und dem, was wir uns in unseren eigenen U-Booten vorstellen könnten, darin besteht, dass die Quallen dieselben Strömungen als Nahrung nutzen. Wenn sie also diese Wirbelringe erzeugen, zieht dieser wirbelnde Strom tatsächlich Beute zu ihren Tentakeln, wo sie gefangen und gefressen wird.
(16:30) Daher ist es sehr plausibel, dass die Bewegung, die wir sehen – sie bewegen sich von Punkt A nach Punkt B – tatsächlich nicht das gewünschte Ergebnis ist. Es ist einfach die unvermeidliche Konsequenz der Newtonschen Aktions- und Reaktionsgesetze. In manchen Fällen erzeugen die Tiere diese Wirbelringe nur, um Beute anzulocken. Aber weil sie das Wasser vorantreiben, ist die Reaktion, dass sie sich dabei bewegen. Für sie bedeutet diese effiziente Bewegung also nicht unbedingt, dass sie versuchen, in Eile irgendwohin zu gelangen.
(16:59) Wobei wir sagen konnten: „Nehmen wir die gleiche Idee, die Wirbelringbildung.“ Unser U-Boot muss sich nicht auf die gleiche Weise ernähren wie die Quallen.“ Und so können wir beispielsweise mit der gleichen Antriebstechnik schneller fahren, auch wenn die echten Tiere dies nicht tun. Das ist wirklich der Unterschied zwischen einer reinen Nachahmung der Biologie, wissen Sie, und zurück zu den Tagen, als Menschen versuchten, mit Menschenkraft zu fliegen, indem sie richtig kräftig mit den Flügeln schlugen. Schließlich hatten wir Erfolg, indem wir starre Flügel verwendeten und ein Düsentriebwerk an das Ding anbrachten. Und das war der Trick. Wir wollen hier also darauf achten, nicht einfach blind zu kopieren, was die Qualle tut, sondern zu fragen, welche Aspekte ihres Verhaltens zu einem effizienten Antrieb führen. Und wenn wir dann ein U-Boot entwerfen wollen, das schnell und effizient ist, können wir von dem Bauplan abweichen, den uns die Tiere gegeben haben.
Strogatz (17:50): Gibt es also im Hinblick auf das Design futuristischer U-Boote ein Prinzip oder eine Beobachtung, die wir von der Qualle abgeleitet haben und die auf ein verrücktes neues Design schließen lassen könnte?
dabiri (18:02): Wir sind dieser Frage nachgegangen. Und der Schlüssel sind wieder diese Wirbelringe, diese wirbelnden, kreisförmigen, donutförmigen Strömungen. Wenn wir einen U-Boot-Entwurf entwickeln können, der solche Dinge schaffen könnte, der aber nicht die sehr flexible Bewegung einer natürlichen Qualle erfordert, dann haben wir herausgefunden, dass dies tatsächlich einen wichtigen Mehrwert für aktuelle U-Boot-Entwürfe darstellen könnte. Wir haben dies im Labor getestet. Was Sie also tun können, ist, ein herkömmliches U-Boot mit Propellerantrieb zu nehmen und am Heck eine mechanische Befestigung anzubringen, die anstelle eines gleichmäßigen, kontinuierlichen Strahlstroms im Heck eine kabbeligere Strömung erzeugt. Stellen Sie sich also ein Pulsieren der Strömung hinter dem Fahrzeug vor. Wir konnten zeigen, dass dieses Fahrzeug ohne diese Pulsation in der Strömung 30 oder sogar 40 % energieeffizienter sein könnte als der gleiche Fahrzeugtyp.
(18:55) Der schwierige Teil besteht nun darin, ein mechanisches Design zu entwickeln, das nicht übermäßig komplex ist. Wenn Sie das Teil zu komplex machen, müssen Sie diese Komponenten ersetzen. Und tatsächlich können diese mechanischen Komponenten selbst Energie aus dem Fahrzeug ziehen. Deshalb ist es uns nicht gelungen, ein Design zu entwickeln, das die von der Qualle inspirierte Fluiddynamik ohne übermäßig komplexe mechanische Komponenten erreicht. Und das ist dort das ungelöste Rätsel.
Strogatz (19:23): Nun, bevor wir die Quallen und ihren Antrieb hinter uns lassen – ich möchte gleich auf Windkraftanlagen eingehen – möchte ich aber noch etwas mehr über Wirbelringe im gesamten Tierreich sprechen. Weil ich von einigen meiner Kollegen gehört habe, die sich mit Insektenflug oder Kolibrisflug oder, wissen Sie, Libellen, Falken befassen … Es gibt einfach viele Lebewesen, die Wirbel auf unterschiedliche Weise nutzen. Obwohl alle Beispiele, die ich gerade erwähnt habe, in der Luft und nicht im Wasser liegen. Können Sie uns etwas über die Unterschiede oder Gemeinsamkeiten zwischen den in der Luft lebenden Lebewesen und – nun, ich würde nicht sagen im Wasser – erzählen? Sie wissen, was ich meine? Ob ich im Wasser oder in der Luft bin.
dabiri (20:02): Ja, also die im Wasser. Ja, und wir können noch einen Schritt weiter gehen, bis hin zu Blut. Denn im menschlichen Herzen bilden sich die gleichen Wirbel in der linken Herzkammer, dem sauerstoffreichen Blut, das vom linken Vorhof zur linken Herzkammer gelangt. Dies geschieht, bevor es durch den Rest Ihres Körpers gelangt. Es gibt einen Punkt, an dem es durch ein Ventil geht und Sie Wirbelringe erhalten, die dem, was eine Qualle oder ein Tintenfisch erzeugt, verblüffend ähnlich sind. Sie haben also absolut Recht, dieses Wirbelschleifen- oder Ringmotiv, manchmal auch komplexere Kettenstrukturen. Aber in jedem dieser verschiedenen Tiersysteme sehen wir, dass dies immer wieder vorkommt.
(20:26) Ein Großteil unserer Forschung hat also tatsächlich versucht zu verstehen, ob es einige zugrunde liegende Prinzipien gibt, die wir über die Gestaltung dieser Wirbelringe lernen können. Und es stellt sich heraus, dass es welche gibt. Es sind also nicht alle Wirbelringe gleich, da es bestimmte Wirbelringe gibt, die sich hervorragend für einen effizienten Antrieb eignen, wie das Beispiel der Qualle, über das wir gerade gesprochen haben. Aber es gibt verschiedene Arten von Wirbelringen, die erzeugt werden, wenn man einfach versucht, viel Kraft zu erzeugen. Wenn ich mich beispielsweise einfach nur sehr schnell bewegen möchte, erzeugen die Quallen, die einem Raubtier entkommen wollen, einen Wirbelring, der sich von den sehr effizienten Wirbelringen unterscheidet, über die wir gerade gesprochen haben.
(21:15) Wir dachten also – und das ist vielleicht schon ein paar Jahrzehnte her –, dass wir diese Erkenntnis vielleicht nutzen könnten, um die Wirbelringe in einem ganz anderen System, dem menschlichen Herzen, zu verstehen. Wie ich schon sagte, entsteht beim Füllen des linken Ventrikels dieser Wirbelring. Es stellt sich heraus, dass bei einem gesunden Patienten im Vergleich zu einem Patienten mit bestimmten Krankheiten – beispielsweise einer sogenannten dilatativen Kardiomyopathie, einem vergrößerten Herzen – die Wirbelringe ganz anders aussehen als die Wirbelringe, die sich bei einem gesunden Patienten gebildet haben. Wir fanden eine interessante Korrelation, bei der die Veränderung, die wir zwischen einem gesunden Patienten und einigen dieser Patienten mit diesen Pathologien beobachten, dem Unterschied zwischen einer effizient schwimmenden Qualle und einer Qualle, die einem Raubtier entkommt oder versucht, seine Beute zu fangen, sehr ähnlich ist.
(22:05) Einer der Hauptvorteile der Betrachtung dieser fluiddynamischen Signaturen von Effizienz gegenüber Dysfunktion besteht darin, dass diese Veränderungen manchmal vor den strukturellen Veränderungen im Herzen oder vor einigen der systemischen, körperweiten Veränderungen auftreten können Mit dir stimmt etwas nicht. Daher sahen wir darin eine Chance für eine sensiblere und frühere Diagnose oder ein Anzeichen für Krankheiten und Funktionsstörungen im menschlichen Körper. Anschließend wurde in weiteren Laboren gezeigt, dass diese Veränderungen im Fluss im Herzen tatsächlich ein wirksamer Krankheitsmarker beim Menschen sein können.
Strogatz (22:45): Wow, John, das ist aufregend.
dabiri (22:47): Ja, eine sehr nette und unerwartete Verbindung. Aber Steve, es geht zurück zu Ihrem früheren Punkt über das Wiederauftreten dieses Wirbelringmotivs in der Fluiddynamik – ob es nun Luft, Wasser oder Blut ist, ob es sich um Schwimmen handelt, ob es sich um fliegende Organismen handelt oder ob es hier sitzt und miteinander und mit uns redet Herzen pumpen Blut.
Strogatz (23:06): Nun, das ist großartig. Ich bin wirklich überwältigt von diesem letzten medizinischen Beispiel. Denn ich meine vor allem, dass es ein Frühwarnsystem und eine Frühdiagnose sein könnte. Aber ich frage mich, welche bildgebende Technologie es ermöglicht, dass sich kein Sediment im Herzen ablagert, oder? Was machen wir? Ist das alles – wird es im Ultraschall oder im MRT sichtbar? Wie würdest du aussehen?
dabiri (23:26): Genau. Ja. Die ersten Arbeiten wurden also in der MRT durchgeführt. In jüngerer Zeit Ultraschalltechniken. Aktuelle Labore arbeiten möglicherweise auch an der akustischen Erkennung, so dass der Blutfluss bei bestimmten Arten der Wirbelbildung ein Geräusch erzeugt, das praktisch mit einem elektronischen Stethoskop erkennbar ist. Das Ziel besteht hier darin, die einfachste Technologie zu entwickeln, mit der Sie dies erkennen können, denn nicht jeder verfügt über ein MRT-Gerät oder ein Ultraschallgerät. Aber Sie könnten sich ein akustisches Schallmessgerät für 10 bis 20 US-Dollar vorstellen, das Sie bei Walmart kaufen und solche Veränderungen erkennen und zu Hause haben könnten.
(24:10) Das ist also das Ziel. Wir sind noch lange nicht am Ziel. Aber was die Quallen getan haben, ist uns ein erstes Ziel dafür gegeben, wonach wir suchen müssen, und zwar im Hinblick auf die Veränderungen im Blutfluss, die zwischen gesunden und kranken Patienten auftraten.
Strogatz (24:24): Also gut, also lasst uns jetzt aus dem Wasser steigen. Und fangen Sie an, ein wenig über die Arbeit zu sprechen, die Sie mit Ihren Kollegen an Windkraftanlagen in Kalifornien und Alaska geleistet haben, um sie effizienter zu machen. Wenn ich also „Windturbine“ sage, fällt mir als Erstes einer dieser riesigen weißen Propeller ein, die hoch oben irgendwo auf einem Feld stehen. Ist das das richtige Bild oder sollte ich – sollte ich ein anderes Bild im Kopf haben?
dabiri (24:54): Diese Turbinen sind also ein anderer Turbinentyp. Obwohl unsere Arbeit größtenteils durch einige der Herausforderungen dieser großen Turbinen motiviert war. Die größte Herausforderung besteht darin, dass die einzelnen Turbinen sehr effizient sind, was die Fähigkeit angeht, die Bewegung des Windes in Strom umzuwandeln. Die Herausforderung besteht darin, dass sie windabwärts von jeder dieser Turbinen viel unruhige Luft oder Turbulenzen erzeugen. Diese unruhige Luft würde die Leistung jeder Turbine verringern, die sich windabwärts von der ersten befindet.
(25:24) Wenn Sie also einen dieser Windparks da draußen sehen, sind die Turbinen alle sehr weit voneinander entfernt. Denn sie wollen sicherstellen, dass die unruhige Luft zwischen den Turbinen die Leistung der Gruppe nicht beeinträchtigt.
(25:36) Es kam mir immer irgendwie ironisch vor, dass, wenn man sich die Natur anschaut und an Schwarmfische im Meer denkt, diese mit dem Schwanz schlagen und ihre eigenen Kielwasser erzeugen, wie wir sie nennen. Die unruhige Luft hinter der Windkraftanlage nennen wir Kielwasser. Auch die Fische erzeugen diese Wellen. Sie schwimmen in Gruppen und verteilen sich nicht so weit wie möglich voneinander. Stattdessen koordinieren sie ihre Positionen miteinander. Tatsächlich können sie den erzeugten Fluss nutzen. Damit das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile. Das bedeutet, dass eine Gruppe von Fischen gemeinsam effizienter schwimmen kann, als wenn sie getrennt voneinander schwimmen würden. Wir sehen das im Radsport, der Tour de France. Sie werden sehen, wie die Radfahrer die Aerodynamik ihrer Nachbarn ausnutzen.
(26:17) Die Frage hier war also, ob wir eine Analogie zu den Fischschwärmen finden könnten, die an der Errichtung von Windkraftanlagen arbeiten würden. Nun, hier ist der Ort, an dem ich fast zufällig einen Kurs am Caltech über die Strömungsdynamik von Schwimmen und Fliegen unterrichte. Und in meinen Vorlesungen über Fischschwärme schreibe ich die Gleichungen an die Tafel, wie Sie diese vorteilhafte Wechselwirkung zwischen den Windkraftanlagen vorhersagen würden. Eines der Hauptmerkmale dieser Modelle sind diese Wirbel, über die wir bisher gesprochen haben. Die wirbelnden Strömungen, die die Fische erzeugen würden. Das mathematische Modell für einen dieser Wirbel ist fast identisch mit der Darstellung sogenannter Vertikalachsen-Windkraftanlagen.
(27:01) Ich halte also kurz inne und sage: Die Windkraftanlagen, die Sie gewohnt sind, die Propellerturbinen zu sehen, über die wir gesprochen haben, werden Windkraftanlagen mit horizontaler Achse genannt. Weil sich die Flügel um eine horizontale Achse drehen. Bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Achse drehen sich die Rotorblätter um eine Achse, die vertikal aus dem Boden herausragt. So wäre beispielsweise ein Karussell ein Beispiel für ein System vom Typ mit vertikaler Achse. Diese Systeme können mathematisch fast identisch mit Fischschwärmen dargestellt werden.
(27:31) Und das war der Zusammenhang, bei dem ich sagte: „Nun, lasst uns versuchen, über die Gestaltung von Windparks nachzudenken, die eine Fischschwarm-Ausrichtung haben.“ Deshalb ließ ich ein paar Studenten im Labor für eines ihrer Projekte kurz überlegen, wie dadurch die Leistung von Windparks im Hinblick auf die Energie, die man auf einem bestimmten Grundstück produzieren könnte, verbessert werden könnte.
(27:52) Nehmen wir an, ich gebe dir, Steve, 10 Acres und ich sage, ich möchte, dass du mit den herkömmlichen Windkraftanlagen so viel Strom wie möglich erzeugst. Bei den Propellerturbinen könnten Sie wahrscheinlich nur eine dieser Turbinen auf diesem Grundstück unterbringen. Bei diesen kleineren Windturbinen mit vertikaler Achse zeigt sich, dass man mit Bleistift und Papier zehnmal mehr Energie aus dem gleichen Grundstück herausholen könnte, wenn man sich diese Effekte zunutze macht.
(28:15) Nun, das ist eine Berechnung mit Bleistift und Papier, bis man sagen kann: Nun, das ist eine großartige theoretische Idee. Aber wir hatten das Glück, hier am Caltech zu sein, wo ich zur Abteilung ging und sagte: „Ich würde gerne etwas Land kaufen und das ausprobieren.“ Und das war ungefähr zur Zeit des Marktcrashs 08/09. Und so könnte man recht günstig an Land kommen. Also kauften wir hier im nördlichen Teil von LA County ein paar Hektar Land für, glaube ich, nur 10,000 oder 15,000 Dollar. Und wir haben mit einem der Unternehmen, das diese Windkraftanlagen mit vertikaler Achse baut, einen Vertrag abgeschlossen, wonach sie uns die Turbinen im Austausch für die Daten kostenlos zur Verfügung stellen würden. Weil es für ein Startup wirklich teuer ist, eine neue Turbine zu testen.
(28:54) Und so haben wir einen Satz dieser Turbinen auf diesem Feld aufgestellt. Tatsächlich haben wir auf unserem Feldgelände etwa zwei Dutzend davon gefunden. Und wir konnten in der realen Welt zeigen, dass man mit diesem von Fischen inspirierten Design tatsächlich zehnmal mehr Energie aus einem Grundstück herausholen kann. Es war also eine wirklich aufregende Entdeckung, die wir auch heute noch verfolgen.
Strogatz (29:14): Sehr, sehr, sehr aufregend. Davon hatte ich noch nie gehört. Ich meine, ich hatte eine vage Vorstellung davon, dass Sie an der von Fischschulen inspirierten Platzierung von Windkraftanlagen gearbeitet haben, aber nur um zu hören, wie Sie die Geschichte erzählen und das Land kaufen, ich meine, ich weiß es nicht. Es ist nur eine persönliche Randbemerkung: Ich bin also ein Mathematiker, der niemals Land kauft, um meine Ideen zu testen. Ich frage mich, ob die Leute an die normale Kritik an den großen, hohen Propeller-ähnlichen Windturbinen denken. Ist das Ihrer Meinung nach ästhetisch ansprechender oder weniger ansprechend? Ich könnte mir vorstellen, dass es so aussieht, als ob sie nicht so groß sein müssten oder den Leuten die Sicht versperren müssten.
dabiri (30:00): Genau. Tatsächlich haben wir dies wissenschaftlich untersucht, als ich an der Stanford University arbeitete Bruce Cain, ein Sozialwissenschaftler. Wir konnten in Kalifornien die Einstellungen zu diesen verschiedenen Turbinentypen untersuchen. Und du hast genau recht. Dabei ist die geringere visuelle Wirkung ein wichtiges Merkmal.
(30:17) Noch bedeutsamer ist jedoch die möglicherweise geringere Auswirkung auf Vögel und Fledermäuse, was für die großen Turbinen eine ständige Herausforderung darstellt, da Vögel möglicherweise in die Rotorblätter oder in Fledermäuse und andere Bereiche laufen. Diese Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind, wie Sie sagten, niedriger als der Boden, haben aber auch eine andere visuelle Signatur. Ehrlich gesagt kann ein Vogel bei großen Turbinengehäusen die Rotorblätter einfach nicht sehen, bevor es zu spät ist. Bei diesen Windkraftanlagen mit vertikaler Achse ist die visuelle Signatur viel deutlicher, da sich die Rotorblätter langsamer bewegen als bei diesen großen Turbinen.
(30:54) Der Grund, warum Sie sie angesichts dessen, was ich Ihnen gerade gesagt habe, jetzt nicht überall sehen, ist, dass noch viel zu tun ist, um ihre Zuverlässigkeit zu verbessern, was ich in gewisser Weise gerne sage Keine Raketenwissenschaft, wissen Sie, wir haben Leute hier auf dem Campus, die Rover auf den Mars bringen. Es ist also klar, dass wir in der Lage sein sollten, eine Windkraftanlage zu konstruieren, die beispielsweise den Winter in Alaska überdauern kann. Aber wir sind noch nicht so weit, es wurde einfach nicht viel in diese neuen Arten von Technologien investiert, weil die Entwicklung einer neuen Energiehardware sehr teuer ist. Es ist also in Arbeit.
Strogatz (31:25): Sie haben erwähnt, dass einige der Ideen aus der Mathematik stammen. Es gab zum Beispiel Mathematik im Zusammenhang mit Fischschwärmen, die dann auf den Fall der Windkraftanlagen übertragen werden konnte.
dabiri (31:36): Das stimmt.
Strogatz: Ich versuche mir diese Mathematik vorzustellen. Kannst du etwas mehr sagen? Welche Mathematik steckt dahinter?
dabiri (31:42): Ja, sicher. Wenn wir beispielsweise über einen Wirbel nachdenken, versuchen wir eine einfache mathematische Beschreibung dafür zu finden, wie ein Wirbel die umgebende Strömung beeinflusst. Und so haben wir auf unserem Gebiet etwas namens Potentialflusstheorie. Es handelt sich um eine vereinfachte Darstellung dieser komplexeren Flüssigkeitsströme, die wir beschrieben haben. Der Vorteil besteht darin, dass ich auf einem Blatt Papier eine Gleichung aufschreiben kann, die besagt: Wenn ich an einem bestimmten Ort einen Wirbel habe, verhält sich die gesamte Luft oder das Wasser um diesen Wirbel herum wie folgt. Wir können das in einer einzigen Zeile schreiben.
(32:19) Der Vorteil dieser Potentialströmungstheorie besteht also darin, dass ich, wenn ich beispielsweise einen Wirbel zu meiner Linken und einen Wirbel zu meiner Rechten habe, sofort berechnen kann, wie sie sich gegenseitig beeinflussen, indem ich einfach diese beiden Effekte addiere. Wir nennen das eine lineare Überlagerung, aber wir addieren diese beiden Effekte einfach übereinander.
(32:38) Wenn ich Fischschwärme studiere, bedeutet das, dass ich einmal eine Gleichung schreiben kann und wenn ich die Auswirkungen von 20 Fischen wissen möchte, kann ich die Antwort effektiv mit 20 multiplizieren, mehr oder weniger, ohne es tun zu müssen viel kompliziertere Berechnungen durchführen. Im Fall der Windkraftanlagen gilt: Um einen optimalen Windpark zu entwerfen, kann ich, sobald ich die mathematische Darstellung einer dieser Windkraftanlagen habe, einen ganzen Park mit 1,000 oder, wenn ich möchte, 10,000 Windkraftanlagen optimieren, ohne sie entwickeln zu müssen wirklich jede neue Mathematik. Es ist also eine wirklich praktische Möglichkeit, diese Systeme darzustellen.
(33:13) Es stellt sich heraus, dass diese grundlegende mathematische Darstellung eines Wirbels, den ein Fisch abwirft, fast identisch ist – mit einem Vorfaktor-Unterschied – mit den mathematischen Darstellungen dieser Windkraftanlagen mit vertikaler Achse. Und so ermöglichte uns die einfache Eins-zu-eins-Abbildung des Fischschwarmproblems dem Windturbinenproblem, einen Großteil der gleichen mathematischen Optimierung zu übernehmen, die durchgeführt wurde, um optimale Fischschwarmkonfigurationen zu finden, und diese fast direkt zur Optimierung zu verwenden Windparks.
(33:45) Der einzige Unterschied ist das Ziel. In der Fischschule könnte man sagen, dass die Optimierung darauf abzielt, den Widerstand zu minimieren, den diese Gruppe von Fischen erfährt, wenn sie sich durch das Wasser bewegt, oder die Energie zu minimieren, die alle diese Fische beim Schwimmen verbrauchen. Im Fall des Windparks könnte mein Ziel sein: „Lassen Sie mich die Energiemenge, die ich aus dem Wind sammle, maximieren“ oder „Lassen Sie mich versuchen, dieses System so zu gestalten, dass ich Wind aus bestimmten Richtungen bekomme.“ maximaler Wind, abhängig von der lokalen Topographie, die ich bei der Arbeit habe.“ Die zugrunde liegende mathematische Maschinerie ist also dieselbe. Die Ziele, für die wir optimieren, können unterschiedlich sein.
Strogatz (34:25): Ich denke einfach, dass jeder, der das hört, genau wie ich von der Art von Verstand beeindruckt sein wird, die es braucht, um die Arbeit zu erledigen, die Sie machen. Das breite Interesse, das Sie zeigen, indem Sie sich frei zwischen der Entwicklung von Windparks, den medizinischen Aspekten von Wirbeln im Herzen und der Mathematik bewegen, die zum Verständnis erforderlich ist. Wahrscheinlich haben Sie die Informatik noch nicht einmal erwähnt, aber ich vermute, dass das ins Spiel kommen würde.
dabiri (34:50): Auf jeden Fall. Es macht viel Spass. Ja.
Strogatz: Gute Einstellung.
dabiri (34:55): Nein, das ist es. Ich würde nur sagen, dass man bei Schülern – ob in der High School oder im College – oft den Eindruck hat, dass man sich im Leben für eine Sache entscheiden muss. Ich werde Biologie studieren, oder ich werde Chemie studieren, ich werde Physik studieren. Und das ist die Sache. Tatsächlich liegen einige der interessantesten Forschungsergebnisse tatsächlich an der Schnittstelle dieser verschiedenen Bereiche. Das heißt also nicht, dass es ein einfacher Weg war, sich in diesen verschiedenen Bereichen vertraut zu machen. Hier am Caltech nahm ich in meinem ersten Jahr als Doktorand an einem Biologiekurs teil Franz Arnold, der Nobelpreisträger. Sagen wir einfach, ich habe den Kurs zweimal besucht, weil es beim ersten Mal nicht geklappt hat. Gleichzeitig lohnt es sich meiner Meinung nach, sich mit dem Erlernen dieser verschiedenen Bereiche zu befassen, denn so kann man meiner Meinung nach Probleme aus neuen Perspektiven betrachten.
Strogatz (35:45): Das ist sehr inspirierend. Lassen Sie uns also zu etwas übergehen, mit dem Sie derzeit beschäftigt sind, nämlich der Beratung der Biden-Regierung zu Windkraftanlagen. Können Sie etwas über die Arbeit sagen, die Sie mit der Regierung leisten?
dabiri (36:01): Ja, absolut. Wissen Sie, es war eine Ehre, in dieser Funktion zu dienen. Und ich muss sagen, es hatte wirklich keinen direkten Zusammenhang mit irgendeinem unserer Forschungsziele. Die Gruppe im Rat des Präsidenten ist meiner Meinung nach alle im Großen und Ganzen an der Wissenschaft und ihrer Entwicklung in diesem Land interessiert. Ein besonderer Bereich, der mir besonders am Herzen liegt, besteht darin, zu sehen, dass unsere Forschungsinfrastruktur – und damit meine ich von weiterführenden Schulen über Hochschulen und Universitäten bis hin zu Graduiertenforschungsprogrammen – es den Menschen ermöglicht, diese unkonventionelleren Forschungsrichtungen zu verfolgen, wie wir sie haben darüber gesprochen habe.
(36:39) Im Nachhinein weiß ich es wirklich zu schätzen, wie positiv Sie auf diese Ideen reagieren. Ich kann Ihnen sagen, dass, als ich zum ersten Mal Vorschläge schrieb, um zu versuchen, diese Arbeit zu finanzieren, sie einer nach dem anderen abgelehnt wurden, weil sie etwas seltsam klangen. Wissen Sie, die Idee, dass irgendetwas über das Schwimmen von Quallen Einfluss auf die Herzdiagnostik haben würde oder dass Fischschwärme uns etwas über Windkraftanlagen verraten würden. Es fühlt sich etwas zu fremdartig an, und ich hatte keine Beispiele, auf die ich verweisen könnte, um zu sagen, dass dies unbedingt ein Erfolg sein würde. Die Rezensenten reagierten also normalerweise zunächst: „Was ist, wenn es nicht funktioniert?“ Wo ich immer denke: „Was ist, wenn es funktioniert?“ Wie cool wäre das? Was könnte das freischalten?“ Und leider finanzieren wir Arbeit derzeit normalerweise nicht auf der Grundlage der Frage: „Was wäre, wenn es funktioniert?“ Normalerweise lautet die Frage: „Was ist, wenn nicht?“ Und ich denke, das ist eines der politischen Themen, von denen ich hoffe, dass wir sie im Rat des Präsidenten angehen können.
Strogatz (37:40): Nun, Sie sind also in Kalifornien. Wie in Kalifornien jeder weiß, sind Waldbrände ein großes Problem. Und ich denke, das sollte etwas sein, worüber jemand, der sich für Fluiddynamik interessiert, hätte nachdenken müssen. Gibt es dazu etwas zu berichten?
dabiri (37:55): Stimmt. Im Wissenschaftsrat von Präsident Biden hatte ich das Privileg, einer Gruppe vorzusitzen, die darüber nachdenkt, wie wir Wissenschaft und Technologie nutzen können, um Waldbrände besser zu bekämpfen. Wir wissen, dass sie in den letzten Jahren häufiger und in einigen Fällen schwerwiegender geworden sind, insbesondere hier in Kalifornien. Und doch gibt es Technologien, die wir derzeit nicht nutzen – zum Beispiel die Kommunikation für die Feuerwehrleute, KI [künstliche Intelligenz], um das Fortschreiten der Waldbrände vorherzusagen, und sogar Technologien wie Robotik und Drohnen, die dabei helfen, den Weg des Feuers vor dem Ausbruch zu stören Ersthelfer können eintreffen. Unsere Arbeit hat eine Vielzahl neuer und aufkommender Technologien identifiziert, von denen wir glauben, dass sie dazu beitragen könnten, die negativen Auswirkungen dieser Waldbrandereignisse einzudämmen. Deshalb freuen wir uns darauf, dass sowohl auf Bundes- als auch auf Landes- und lokaler Ebene Maßnahmen zu diesen Empfehlungen ergriffen werden.
Strogatz (38:48): Und die Fluiddynamik spielt da irgendwie eine Rolle?
dabiri (38:52): Ja, die Strömungsdynamik ist tatsächlich einer der wichtigsten Treiber für das Fortschreiten eines Waldbrandes. Denken Sie an die Winde, die brennende Glut transportieren und darüber entscheiden können, ob sie am Ende eine Feuerschneise überqueren oder nicht. Die Winde können bestimmen, wie schnell sich ein Feuer ausbreitet. Wenn wir also wirklich katastrophale Waldbrände hatten, lag das in einigen Fällen daran, dass die Windgeschwindigkeiten manchmal 70 oder 80 Meilen pro Stunde wehten. Eine der größten Herausforderungen bei der Bekämpfung dieser Waldbrände besteht darin, mithilfe von Fluiddynamikmodellen das zukünftige Fortschreiten des Feuers vorhersagen zu können. Es sind neue Arten von Daten über den Wind in Bodennähe erforderlich, die die Daten aus der oberen Luft ergänzen.
(39:31) Aber was wir durch die Simulation verschiedener Standorte auch tun können, ist, gefährdeten Gemeinden dabei zu helfen, sich im Voraus auf Waldbrände vorzubereiten – um ihnen anhand ihrer Topographie und Vegetation und mit diesen Fluiddynamikmodellen sagen zu können, welche Teile es sind Die Mitglieder der Gemeinde werden wahrscheinlich zuerst die Front des Feuers sehen. Das kann zum Beispiel in die Evakuierungspläne einfließen.
Strogatz (39:54): Nun, ich denke, keine Diskussion über Fluiddynamik wäre vollständig, ohne Turbulenzen zu erwähnen. Es wird oft als das größte ungelöste Problem der klassischen Physik bezeichnet. Wissen Sie, was ich gerne hätte, wäre nur ein kleines Tutorial – zum Beispiel: Was ist überhaupt das Problem der Turbulenzen? Was möchten die Menschen verstehen?
dabiri (40:12): Ja. Die einfache Art und Weise, wie ich es manchmal beschreibe, ist, dass wir in der Fluiddynamik eine Reihe von Gleichungen haben, die die Fluidbewegung auf eine Weise erklären, die gut genug ist, um ein Flugzeug zu entwerfen, aber nicht gut genug, um zu sagen, wann das Flugzeug in Turbulenzen gerät . Daher konnten unsere Fluiddynamikgleichungen einige der sehr häufigen Vorkommnisse, die wir in einer Fluidströmung beobachten, nicht vorhersagen. Wenn Sie an Ihren Wasserhahn zu Hause denken und ihn ein wenig aufdrehen, sieht er wirklich glasig aus. Man dreht den Wasserhahn etwas höher und dann wird es spontan deutlich rauer. Es entsteht ein Übergang zu einer turbulenten Strömung. Wir beobachten dies in allen möglichen Laborexperimenten, und wir haben noch keine klare theoretische Erklärung dafür, wann ein solcher Übergang zur Turbulenz auftritt.
Strogatz (41:01): So interessant. Zufällig, letzte Nacht – vielleicht ist es kein Zufall, vielleicht habe ich unbewusst über unsere bevorstehende Diskussion nachgedacht. Aber ich habe gerade darüber nachgedacht Richard Feynman’s Vortrag in seinen berühmten Vorlesungen über Physik – genau dort am Caltech, wahrscheinlich nicht weit von Ihrem Sitzplatz entfernt –, wo er über die Strömung von Wasser und das anhaltende Geheimnis der Turbulenzen spricht. Und er erwähnt sogar, dass man auf einem Ventilator, wenn man auf den Flügel eines Ventilators schaut, etwa auf dem Dachboden oder so, immer eine dünne Staubschicht findet – sehr kleine Staubpartikel. Was rätselhaft erscheint, betont Feynman, denn der Lüfterflügel bewegt sich mit enormer Geschwindigkeit durch die Luft. Und doch bläst es diese kleinen Staubpartikel nicht weg. Und so habe ich das Gefühl, dass wir hiermit enden müssen: dass Sie, das wollte ich sagen, eine Art moderner Leonardo da Vinci sind. Aber jetzt begann ich zu glauben, dass Sie vielleicht auch ein moderner Richard Feynman sind.
dabiri (41:03): Wenn es mir eines Tages tatsächlich gelingt, dieses Turbulenzenproblem zu lösen, können wir vielleicht über eine solche Idee nachdenken. Aber im Moment bin ich nur ein Kind aus Toledo, das Quallen liebt.
Strogatz (42:06): Perfekt. Vielen Dank, John Dabiri, dass Sie heute zu uns gekommen sind.
dabiri (42:10): Danke, dass du mich hast.
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Strogatz (42: 40): Die Freude am Warum ist ein Podcast von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation, die von der Simons Foundation unterstützt wird. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf die Auswahl von Themen, Gästen oder sonstigen redaktionellen Entscheidungen in diesem Podcast oder in Quanta Magazine. Die Freude am Warumwird von Susan Valot und Polly Stryker produziert. Unsere Herausgeber sind John Rennie und Thomas Lin mit Unterstützung von Matt Carlstrom, Annie Melchor und Zach Savitsky. Unsere Titelmusik wurde von Richie Johnson komponiert. Julian Lin hat sich den Podcast-Namen ausgedacht. Die Episodenkunst stammt von Peter Greenwood und unser Logo stammt von Jaki King. Besonderer Dank geht an Burt Odom-Reed von den Cornell Broadcast Studios. Ich bin Ihr Gastgeber, Steve Strogatz. Wenn Sie Fragen oder Kommentare an uns haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an Danke fürs Zuhören.
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