Jerusalem, 9. September 2026 (TPS-IL) — Eine neue Studie von israelischen und internationalen Forschern könnte Ingenieuren eines Tages helfen, Materialversagen zu erkennen, bevor ein sichtbarer Riss sie plötzlich durchreißt.

Die Forscher fanden heraus, dass Brüche mit winzigen beschädigten Regionen beginnen können, die sich langsam ausdehnen, bevor sie sich in einen sich schnell ausbreitenden Riss verwandeln. Diese Erkenntnis könnte Ingenieuren einen potenziellen Weg geben, sich entwickelnde Versagen früher zu identifizieren. Derselbe Mechanismus könnte auch Aufschluss darüber geben, wie Erdbeben beginnen, obwohl die Erkennung dieser sich langsam bewegenden Vorläufer eine große Herausforderung bleibt.

Die Studie wurde von Yuval Paz und Prof. Jay Fineberg vom Racah Institute of Physics der Hebräischen Universität Jerusalem geleitet, zusammen mit Meng Wang vom Beijing Institute of Technology und Mokhtar Adda-Bedia vom CNRS/ENS de Lyon.

Für das menschliche Auge können Glas oder Kunststoff scheinbar augenblicklich brechen. Aber ein großer Teil des Bruchprozesses findet vor dem endgültigen Bruch statt. Unter ausreichendem Druck bildet sich im Material eine winzige beschädigte Region, die sich, anstatt sofort zu einem Riss zu werden, langsam nach außen ausdehnt.

„Unsere Studie vereint drei separate Fragen, die für Menschen, die sich mit Materialien, deren Stabilität und Festigkeit befassen, wichtig sind“, sagte Fineberg gegenüber The Press Service of Israel.

Wissenschaftler verstehen seit langem, wie sich Risse verhalten, sobald sie sich schnell bewegen, aber die Erklärung, wie ein Riss entsteht, war schwieriger. Die Studie liefert eine mechanische Erklärung für diese frühe Phase, die Wissenschaftler als „Kriechen“ bezeichnen.

„Wenn man darüber nachdenkt, ist dies die natürliche Art und Weise, wie ein Defekt in einem Material immer entstehen sollte“, erklärte Fineberg gegenüber TPS-IL.

Die Forscher versuchten zu verstehen, wie ein kleiner Fehler, der anfangs viel kleiner als das Material selbst ist, wächst, bis er es vollständig durchschneidet. Ihre Experimente zeigten, dass sich die beschädigte Region extrem langsam ausdehnt, mit Geschwindigkeiten von Mikrometern bis Millimetern pro Sekunde, und mindestens 75 % des gesamten Bruchprozesses ausmacht.

Der kritische Übergang tritt ein, wenn die beschädigte Region die volle Dicke des Materials erreicht.

„Der Bereich ändert im Wesentlichen seine ‚Topologie‘, wenn er schließlich die Dicke des Materials durchschneidet“, sagte Fineberg.

Einfacher ausgedrückt beginnt die beschädigte Region als ein kleiner Bereich, der sich an seinen Rändern ausdehnt. Sobald er das Material vollständig durchschneidet, wird er zu einem herkömmlichen Riss. Zu diesem Zeitpunkt benötigt der Riss weitaus weniger Energie, um weiter zu wachsen, und kann sich schnell beschleunigen.

Von Fehler zu Bruch

Die Forscher fanden auch heraus, dass Brüche bei einer viel kleineren Größe beginnen können als von der traditionellen Bruchtheorie vorhergesagt: etwa 0,1 Millimeter im Vergleich zu einer traditionellen kritischen Größe, bekannt als Griffith-Länge, von etwa 1 Millimeter.

Die Erkenntnis legt nahe, dass die auf ein Material wirkende Spannung sowie die Größe und Geometrie eines vorhandenen Fehlers eine Rolle bei der Bestimmung des Bruchbeginns spielen.

„Die zugrunde liegende Basis der Theorie ist völlig allgemein und bezieht sich einfach auf die Geometrie der Fehler oder Risse“, sagte Fineberg gegenüber TPS-IL. „Die Stärke unserer Theorie liegt in ihrer Einfachheit. Wir haben einfach den Einfluss der Rissgeometrie korrekt berücksichtigt.“

Die Ergebnisse könnten auch Einblicke in Erdbeben liefern, die auftreten, wenn Spannungen entlang von Verwerfungen die Kräfte überwinden, die tektonische Platten zusammenhalten, und die Platten plötzlich verrutschen lassen.

„Da die Erdbebensdynamik und der Bruchprozess (mathematisch) gleich sind, sagen unsere Ergebnisse voraus, wie sich die Vorläufer von Erdbeben verhalten sollten“, sagte Fineberg gegenüber TPS-IL.

Die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass ein Erdbebenbruch ähnlich mit einer sich langsam ausdehnenden Region beginnen könnte, bevor er sich plötzlich beschleunigt. Fineberg sagte, sein Team habe in der Reibungsforschung bereits einen ähnlichen Übergang beobachtet.

Die Ergebnisse bedeuten nicht, dass Wissenschaftler derzeit Erdbeben vorhersagen oder genau bestimmen können, wann ein Material versagen wird. Die größte Herausforderung besteht darin, diese sich langsam bewegenden Regionen vor einem katastrophalen Versagen zu erkennen.

„Da sie so langsam sind, machen sie beim Ausdehnen keinen ‚Lärm‘“, sagte Fineberg gegenüber TPS-IL, was es schwierig macht, sie durch Schall- oder seismische Signale zu erkennen.

Wenn es den Forschern gelingt, zuverlässige Wege zur Erkennung dieser Vorläufer zu entwickeln, könnten die Ergebnisse praktische Anwendungen haben.

„Wenn wir erfolgreich sind, könnten wir die Nutzungsdauer von Materialien verlängern oder im Falle von Erdbeben möglicherweise eine Frühwarnung geben, dass sie beginnen“, sagte Fineberg gegenüber TPS-IL.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.