22. Oktober 2020

Humboldt-Forschungspreisträger zu Gast am Institut für Luftfahrtantriebe

Prof. Alexander Vakakis von der US-amerikanischen Universität Illinois erforscht und modelliert nicht-lineare Phänomene bei Schwingungen und Schallwellen.

Eigentlich wollte Alexander Vakakis schon im April 2020 seinen Forschungsaufenthalt an der Universität Stuttgart antreten. Die Corona-Pandemie machte ihm einen Strich durch die Rechnung. Im September war es dann endlich soweit. Und auch da wurde sein Flug zunächst nach Hamburg umgeleitet, wo er drei Tage lang ausharren musste bis das negative Ergebnis eines Coronavirus-Tests ihm die Weiterreise erlaubte.

Vakakis ist Professor an der US-amerikanischen Universität Illinois in Urbana-Champaign und leitet dort zusammen mit zwei Kollegen das Labor für lineare und nicht-lineare Dynamik und Schwingungen an der Fakultät für Maschinenbauwesen. 2019 erhielt der gebürtige Grieche den mit 60.000 Euro dotierten Humboldt-Forschungspreis für sein wissenschaftliches Lebenswerk, der ihm erlaubt, bis zu ein Jahr lang an einer Universität seiner Wahl mit deutschen Forschenden zusammen zu arbeiten.

Prof. Alexander Vakakis und eine Doktorandin seiner Arbeitsgruppe an der Universität Illinois.

Eine Koryphäe seines Fachs

„Professor Vakakis ist eine absolute Koryphäe auf dem Gebiet der nicht-linearen Dynamik mechanischer Systeme und hat dort wesentliche Konzepte vorangetrieben, auf die sich die Fachwelt beruft“, erzählt Malte Krack begeistert, in dessen Arbeitsgruppe Vakakis zurzeit weilt. Der Junior-Professor am Institut für Luftfahrtantriebe hat Vakakis zusammen mit Professor Jörg Wallaschek von der Leibniz Universität Hannover für den Preis nominiert.

Unsere Welt ist nicht linear

Prof. Alexander Vakakis, Humboldt-Forschungspreisträger am Institut für Luftfahrtantriebe

Vakakis erforscht und modelliert nicht-lineare Phänomene bei Schwingungen und Schallwellen. „Nicht-Linearitäten finden sich überall in unserer Welt, zum Beispiel auch bei Turbulenzen in Flüssigkeiten oder bei der Reibung, ohne die das Gehen nicht möglich wäre“, erklärt der Maschinenbau-Ingenieur per Videoschaltung aus dem Gästehaus der Universität, wo er zurzeit wohnt. Auch die Kraft, die ein Tisch aufbringen muss, um eine Flasche zu tragen, verläuft nicht geradlinig, sondern schnellt von Null plötzlich nach oben, sobald die Flasche den Tisch berührt.

Da solche nicht-linearen Phänomene sehr komplex sind, werden Sie bisher weitgehend beim Design mechanischer Systeme ignoriert. Ingenieure legen diese oftmals so aus, als ob eine Linearität bestehen würde. Doch könnten viele technische Anwendungen robuster und effizienter gestaltet werden, wenn auch die tatsächlichen nicht-linearen Gegebenheiten berücksichtigt werden würden. So beschäftigt sich Vakakis Arbeitsgruppe etwa mit dem sogenannten „gezielten Energietransfer“. Dabei geht es darum, wie sich Schwingungsenergie oder Schallwellen in gewünschte Richtungen lenken und absorbieren lassen, indem nicht-lineare Wechselwirkungen ausgenutzt werden.

Schutz vor Materialschäden bei Flugzeugen

Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftler*innen zum Beispiel schon genutzt, um Schwingungsdämpfer für Flugzeuge oder Gebäude zu konzipieren, die noch besser vor Materialschäden infolge von Vibrationen, Erdbeben oder Explosionen schützen können. Außerdem erforscht Alexander Vakakis neuartige Metamaterialien, die es so in der Natur nicht gibt und die zum Beispiel Geräusche, Vibrationen oder Erschütterungen abmildern sollen.

Energiegewinnung für intelligente Systeme

Andererseits können natürliche Schwingungen aus der Umgebung auch gezielt ausgenutzt werden, zum Beispiel um Sensoren oder Aktoren zur Zustandsüberwachung mit Energie zu versorgen. Interessant ist diese Art der Energiegewinnung für intelligente Systeme, die automatisch auf veränderte Umgebungsbedingungen reagieren können. In einem Projekt von Krack bringt Vakakis nun beispielsweise seine Expertise zu Nicht-Linearitäten mit ein, um die Energieausbeute eines solchen Systems zu erhöhen. „Das ist eine sehr interessante Synergie“, sagt Krack, „während Vakakis Grundlagenforschung betreibt, schlagen wir die Brücke zur anwendungsorientierten Forschung und arbeiten enger mit der Industrie zusammen“.

Synergie von Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Forschung

„Der Humboldt-Preis ist eine fantastische Möglichkeit, um unter anderem die langjährige und erfolgreiche Kollaboration mit Professor Krack zu festigen“, erklärt Vakakis. Krack hat 2015 nach seiner Promotion ein Jahr lang in Vakakis Labor geforscht. „Ich kenne die Qualität und Tiefe seiner Arbeit“, lobt Vakakis. Die Entscheidung, einen Teil seines Forschungsaufenthalts an der Universität Stuttgart zu verbringen, sei daher naheliegend gewesen. Und obwohl es sein erster Besuch in Stuttgart ist, hätten sie aufgrund der bereits bestehenden Kollaboration sofort mit der Zusammenarbeit starten können, erzählt Vakakis.

Weitere Besuche geplant

Sein Stundenplan ist vollgepackt: zwei Mal die Woche hält Vakakis eine Online-Vorlesung für Doktoranden der Universitäten Stuttgart und Hannover. An drei Forschungsprojekten von Krack ist er beteiligt und weitere gemeinsame Projekte sind bereits geplant. Die Abendstunden sind aufgrund der Zeitverschiebung seinen Aufgaben und seinen Mitarbeitern an der Universität Illinois vorbehalten. „Freizeit? Was ist das?“, scherzt Vakakis. Einen Ausgleich zur Arbeit findet er momentan auf langen Spaziergängen rund um den Vaihinger Campus, den er sehr „Fußgänger-freundlich“ findet, oder durch den Besuch der Stuttgarter Museen. „Auf jeden Fall plane ich einen zweiten oder sogar dritten Besuch an der Universität Stuttgart im kommenden Jahr, abhängig davon wie sich die Corona-Pandemie entwickelt“, sagt Vakakis, der demnächst die Heimreise antritt.

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