Pressemitteilung vom 3. September 2026

Unsichtbare Strömungen sichtbar machen

ERC Starting Grant für neue Messmethoden an Gas-Flüssig-Grenzflächen

Der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) fördert Dr. Karin Schwarzenberger vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit einem Starting Grant in Höhe von rund zwei Millionen Euro. In ihrem Projekt InterTrace will sie Strömungen direkt an Gas-Flüssig-Grenzflächen erstmals zuverlässig sicht- und messbar machen. Die dafür entwickelten Tracerpartikel sollen helfen, grundlegende Fragen des Stofftransports in technischen und natürlichen Systemen zu klären – von aufsteigenden Gasblasen bis zur invasiven Schwimmfarnart Salvinia molesta.

Um Strömungen in Flüssigkeiten zu vermessen, nutzen Forschende häufig die sogenannte Particle Image Velocimetry (PIV): Kameras erfassen die Bewegung kleinster zugesetzter Partikel, aus der sich Geschwindigkeit und Richtung der Strömung berechnen lassen. An Grenzflächen – etwa dort, wo Wasser und Luft aufeinandertreffen – versagt dieses Verfahren jedoch. Herkömmliche Tracerpartikel sammeln sich dort an, verklumpen und verändern genau die Strömung, die sie sichtbar machen sollen. Dabei bestimmen Grenzflächen maßgeblich, wie schnell Gase und andere Stoffe zwischen zwei Phasen ausgetauscht werden.

Eine Schlüsselrolle spielen dabei oberflächenaktive Moleküle, sogenannte Tenside. Sind sie an einer Grenzfläche ungleichmäßig verteilt, entstehen Unterschiede in der Oberflächenspannung. Dadurch entstehen entlang der Grenzfläche Kräfte, die von Bereichen niedriger zu Bereichen höherer Oberflächenspannung wirken und so Strömungen in der angrenzenden Flüssigkeit antreiben können. Dieses Phänomen wird als Marangoni-Effekt bezeichnet.

„Wir wissen, dass die Beweglichkeit einer Grenzfläche den Stofftransport entscheidend beeinflussen kann. Aber bislang können wir kaum direkt beobachten, wann eine Grenzfläche beweglich bleibt, wann sie praktisch unbeweglich wird und was dabei mit dem Stofftransport passiert“, erklärt Schwarzenberger. „Genau diese Lücke wollen wir mit InterTrace schließen.“

Zwei Tracersysteme für Feld und Labor

InterTrace setzt deshalb auf zwei sich ergänzende Strategien. Für Messungen im Feld und direkt in laufenden Prozessen entwickelt das Team gut detektierbare Janus-Makrotracer: hohle Glaskugeln mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter, deren Oberfläche zwei unterschiedliche Eigenschaften besitzt. Während einer Polymerisation in der Umgebungsluft bildet sich auf dem aus dem Wasser ragenden Teil der Kugel selbstständig eine wasserabweisende Kappe. So soll sich exakt einstellen lassen, wie der Partikel an der Grenzfläche verankert ist.

Ob die Tracer der Grenzflächenströmung tatsächlich folgen, ohne sie merklich zu beeinflussen, wird unter wechselnder Schwerkraft geprüft. Eine Parabelflugkampagne ermöglicht den Forschenden, zwischen Mikro- und Hypergravitation zu wechseln und dadurch Auftriebseffekte von anderen Einflüssen zu trennen. Ziel sind nahezu auftriebsneutrale Partikel, die auch an gekrümmten Grenzflächen weder abrutschen noch zusammenlaufen.

Für hochaufgelöste Laboruntersuchungen entwickelt das Projekt außerdem fluoreszierende Mikrotracer. Ihre elektrische Ladung wird so eingestellt, dass sich die Partikel gegenseitig abstoßen und nicht verklumpen. An festgehaltenen Gasblasen in einer Gegenströmung sollen damit Grenzflächenbewegung und Gastransport gleichzeitig gemessen werden. Versuche mit löslichen und unlöslichen Tensiden sollen zeigen, wie Marangoni-Kräfte und molekulare Transportbarrieren zusammenspielen.

„Mit InterTrace erschließt Schwarzenberger experimentelles Neuland: Sie macht Vorgänge messbar, die für den Stofftransport in Natur und Technik entscheidend sind, bislang aber im Verborgenen lagen. Der ERC Starting Grant gibt ihr die Freiheit, eine anspruchsvolle neue Methodik von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung im Feld zu entwickeln. Genau diese Verbindung aus wissenschaftlichem Wagemut, technologischer Innovation und gesellschaftlicher Relevanz zeichnet Spitzenforschung am HZDR aus“, sagt Prof. Sebastian M. Schmidt, Wissenschaftlicher Direktor des HZDR.

Der sächsische Wissenschaftsminister Sebastian Gemkow erklärt: „Ich gratuliere Dr. Karin Schwarzenberger sehr herzlich. Die Förderung des Europäischen Forschungsrates wird nur an herausragende Forscherinnen und Forscher vergeben. Dies belegt einmal mehr die Exzellenz und hohe Expertise im europäischen Vergleich, die das Wissenschaftsland Sachsen zu bieten hat. Ich wünsche viel Erfolg und neue, spannende Erkenntnisse in ihrem Forschungsfeld.“

Dem Gasaustausch invasiver Wasserpflanzen auf der Spur

Ein ungewöhnlicher Praxistest wird das Team um Schwarzenberger nach Louisiana in den USA führen. Dort breitet sich Salvinia molesta, die in vielen Teilen der Welt als invasive Art gilt, in Sümpfen, Seen und Teichen stark aus. Die ursprünglich aus Brasilien stammende Schwimmfarnart kann Wasserflächen mit dichten Matten überziehen, Ökosysteme beeinträchtigen und die Nutzung der Gewässer erschweren. Feine Härchen auf den Blättern halten unter Wasser eine dauerhafte Luftschicht, einen sogenannten Plastron. Diese Luftschicht ermöglicht Photosynthese unter Wasser und könnte so zum außergewöhnlich schnellen Wachstum der Pflanze beitragen.

Die Forschenden vermuten, dass temperaturbedingte Unterschiede der Oberflächenspannung Strömungen an dieser Luftschicht auslösen und den Austausch von Sauerstoff, Kohlendioxid und Nährstoffen deutlich beschleunigen. Mit den neuen Makrotracern wollen sie diese Grenzflächenkonvektion zunächst im Labor und anschließend während dreier Feldmesskampagnen in natürlichen Gewässern sichtbar machen.

Darauf aufbauend soll untersucht werden, ob biokompatible Tenside den Gasaustausch gezielt verringern können. Die Ergebnisse könnten langfristig neue Ansätze liefern, das Wachstum der invasiven Pflanze einzudämmen. Zugleich verspricht das Projekt grundlegende Erkenntnisse für natürliche Gasaustauschprozesse und für technische Anwendungen – etwa in chemischen Reaktoren, Belüftungsanlagen und Bioprozessen.

Förderung schafft ein neues Forschungsteam

Das Projekt startet am 1. März 2027 und hat eine Laufzeit von fünf Jahren. Neben Geräten und Verbrauchsmaterialien finanziert die Fördersumme zwei Promotionsstellen, eine Postdoc-Stelle sowie Mittel für die Projektleitung. ERC Starting Grants unterstützen exzellente Nachwuchswissenschaftler*innen dabei, ein eigenständiges Forschungsprogramm und ein eigenes Team aufzubauen. Die Förderung erfolgt im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon Europe.

Weitere Informationen:

Dr. Karin Schwarzenberger | Leiterin Grenzflächenphänomene
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 463 36 627 | E-Mail: k.schwarzenberger@hzdr.de

Medienkontakt:

Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher
Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
Tel.: +49 351 260 3400 | Mobil: +49 175 874 2865 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de