Als der Winter richtig knackig in Nordamerika einzog, machten sich viele Menschen einen Spaß – und schleuderten kochend heißes Wasser aus Töpfen in die Luft: Wider den gesunden Menschenverstand gefror es in Sekundenschnelle und rieselte als Eisflocken zu Boden. So kalt ist es in Deutschland zwar noch nicht, doch dieses als Mpemba-Effekt bekannte Phänomen kann man auch im heimischen Gefrierfach nachstellen: Man nehme dazu zwei Gefäße mit heißem beziehungsweise kaltem Wasser und stelle sie dann in die Kälte. Selbst wenn die beiden Gefäße dieselbe Form haben, die gleiche Menge an Wasser enthalten und denselben Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und -druck ausgesetzt sind, kann es geschehen, dass das zu Beginn heißere Wasser zuerst gefriert.

Der Effekt wirkt paradox, muss doch das heiße Wasser das kältere beim Abkühlen erst "einholen" und dann sogar "überholen", um zuerst zu gefrieren. Dabei gibt es dann natürlich auch einen Zeitpunkt, zu dem das Wasser jeweils exakt die gleichen Temperaturen aufweist. Wie kann von diesem Zeitpunkt aus das ehemals heißere Wasser schneller gefrieren? Für die Erklärung dieses Phänomens existieren verschiedene Ansätze. Die einschlägigen Autoren nennen unter anderem Verdunstung, im Wasser gelöste Gase, Konvektion oder Unterkühlung als Einflussfaktoren.

Dabei biss sich schon Aristoteles im vierten Jahrhundert vor Christus die Zähne an einer Erklärung aus. Der erste moderne Versuch findet sich in einem 1969 erschienenen Aufsatz mit dem Titel "Cool?". Verfasst haben ihn der Namensgeber des Effekts Erasto B. Mpemba, damals Schüler in Tanganjika – das heute größtenteils Tansania entspricht – und Denis G. Osborne, der am University College in Daressalaam Physik lehrte. Mpemba und Osborne hatten sich bei einem Besuch Osbornes an Mpembas Schule kennengelernt: Im Jahr 1963 wollte Mpemba in seiner Schule Speiseeis machen. Dabei bemerkte er, dass die aufgekochte mit Zucker versetzte Milch, die er dazu verwendete, schneller gefror, wenn man sie noch heiß ins Gefrierfach des Kühlschranks stellte. Später wiederholte er den Versuch mit Wasser – und demselben Resultat.

Vom Spott zur handfesten Physik

Als Mpemba seinen Physiklehrer fragte, wie sich das erklären ließe, behauptete der Lehrer, so etwas sei ganz unmöglich und das sei höchstens "Mpemba-Physik". Wenn Mpemba von nun an einen Fehler, beispielsweise in der Mathematik beging, sah der Lehrer "Mpemba-Mathematik" am Werk. Auch seine Mitschüler triezten ihn fortan mit derlei Mpemba-Spöttereien. Den Besuch von Denis Osborne im Physikunterricht ließ er dennoch nicht verstreichen, ohne mutig seine Frage zu stellen: "Warum gefriert heißes Wasser schneller als kälteres?" Seine Mitschüler lachten Mpemba aus, doch Osborne konnte die Frage nicht beantworten. Zurück am University College trug er einem Techniker auf, den Versuch durchzuführen. Zu Osbornes Erstaunen war das Ergebnis so, wie Mpemba es vorausgesagt hatte: Das heiße Wasser gefror zuerst.

Wenige Wochen später verfassten die beiden gemeinsam einen Aufsatz mit einem Erklärungsversuch. In verschiedenen Experimenten konnte Osborne zeigen, dass eine Ölschicht auf der Wasseroberfläche das Gefrieren um Stunden verzögerte. Die größte Menge der Wärme ging also über die Oberfläche der Flüssigkeit verloren. Das Volumen der beiden gefrorenen Flüssigkeiten unterschied sich aber nur geringfügig. Trotzdem liest man häufig, der Fall liege eigentlich recht einfach: Das heißere Wasser verdunstet schneller, wobei es an Masse und Volumen verliert. Wenn also das heiße Wasser das kältere "einholt" und beide dieselbe Temperatur haben, ist vom ehemals heißen Wasser weniger übrig, so dass die verbliebene geringere Menge schneller gefriert. Das kann aber nur teilweise die Experimentergebnisse erklären.

Osborne und Mpemba konnten in ihrem Aufsatz im Wasser gelöste Luft als Einflussfaktor ausschließen, da sie Wasser verwendeten, das erst kurz vor den Experimenten aufgekocht und so von der darin gelösten Luft befreit worden war. In Wasser gelöste Gase könnten sich auf die Wärmemenge, die in der Wasserprobe enthalten ist, auswirken oder die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit verändern, da die Gase und das Wasser verschiedene thermodynamische Eigenschaften besitzen. Zudem ist die Löslichkeit von Gasen in Wasser temperaturabhängig. Warmes Wasser nimmt weniger Gas auf als kälteres. Das würde den Mpemba-Effekt tendenziell verstärken. Der Einfluss gelöster Gase wird aber insgesamt als sehr gering betrachtet.

Als einen weiteren möglichen Einflussfaktor sahen Osborne und Mpemba die Konvektion. Unter Konvektion versteht man die kollektive Strömung von Molekülen innerhalb einer Flüssigkeit. Sie gehört neben der Wärmestrahlung und der Wärmeleitung zu den drei Mechanismen des Wärmetransports. Die Einschätzung zur Konvektion teilen sie mit Nikola Bregovic. Der Physikochemiker der Universität Zagreb gewann 2013 einen Wettbewerb, den die Royal Chemical Society zur Lösung des Mpemba-Dilemmas ausgelobt hatte. Von den 22 000 Einsendungen fand die Jury Bregovics zehn Seiten langen Aufsatz am überzeugendsten – er wurde deshalb mit dem Preisgeld von 1000 Pfund Sterling belohnt. Eine eindeutige Erklärung für den Effekt hat auch er nicht gefunden; für ihn spielen jedoch Konvektion und Unterkühlung eine zentrale Rolle.

Welche Rolle spielt die Konvektion?

Eine natürliche Konvektion kann durch einen Wärmegradienten in einer Flüssigkeit entstehen. Wenn sich beispielsweise ein Gefäß mit heißem Wasser in einer kühleren Umgebung befindet, dann kühlen zuerst die Bereiche des Wassers aus, die sich an den Rändern des Gefäßes und an der Oberfläche der Flüssigkeit befinden. In der Mitte des Bechers oder Glases behält das Wasser dagegen am längsten seine Temperatur. Gemeinsam mit diesem Temperaturgefälle entsteht ein Dichteunterschied, denn heißes Wasser hat eine geringere Dichte als kälteres. Dieser sorgt für Umwälzungen innerhalb der Flüssigkeit. Die Gravitation verschafft dem heißeren Wasser in der Mitte Auftrieb: Weil dieses eine geringere Dichte hat, drängt es nach oben. So setzen sich die Flüssigkeitsmoleküle in Bewegung – und es entsteht Konvektion.

Diese transportiert wiederum Wärme: je größer der Temperaturunterschied zwischen Wasser und Umgebung, desto stärker die Konvektion in der Flüssigkeit und desto schneller auch die Abgabe von Wärme, die zur Abkühlung führt. Man nutzt dies auch, wenn man seinen heißen Kaffee oder Tee umrührt, um ihn schneller abkühlen zu lassen – freilich ist die Konvektion in diesem Beispiel von außen erzwungen.

Bregovic argumentiert, bei heißeren Flüssigkeiten trete eine stärkere Konvektion auf als bei kühleren. Das hänge mit der geringeren Viskosität bei höherer Temperatur zusammen. Die stärkere Konvektion der heißeren Probe halte über den Zeitpunkt hinaus an, zu dem die beiden Wasserproben dieselbe Temperatur haben, schreibt Bregovic weiter. So spalteten sich die beiden Proben an dieser Stelle des Experiments in zwei unterschiedliche Pfade auf, an deren Ende die ehemals heißere Flüssigkeit eher gefriert als die kältere.

Der Wissenschaftler hat selbst eine Reihe von Experimenten durchgeführt. Er hat beobachtet, dass bei der Abkühlungskurve um vier Grad Celsius eine Plateauregion auftritt, in der das Wasser für einen kurzen Zeitraum nicht weiter abkühlt. Wasser weist gegenüber den meisten anderen Stoffen eine Anomalie auf, denn es besitzt seine höchste Dichte nicht im gefrorenen Zustand, sondern bei vier Grad. Die Plateauregion dort deutet darauf hin, dass die Dichte des Wassers bei seinem Abkühlungsprozess eine wesentliche Rolle spielt. Und die Dichte wiederum ist der wesentliche Faktor für die Entstehung und den Verlauf von Konvektion. Zudem hat sich in weiteren Experimenten Bregovics gezeigt, dass eine Störung der natürlichen Konvektion durch einen Magnetrührer im Wasser den Mpemba-Effekt wesentlich verringert.

Vorsicht beim Selbstversuch

Dass das Phänomen trotz Rührens immer noch Auftritt, schreibt Bregovic der Temperaturabhängigkeit der Unterkühlung einer Flüssigkeit zu. Unterkühlung beschreibt den Fakt, dass die Temperatur einer Flüssigkeit unter ihren Gefrierpunkt absinken kann, ohne sie erstarren zu lassen. Das Verhalten einer Flüssigkeit bei Unterkühlung könne von ihrer Vorgeschichte abhängen, schreibt Bregovic, beispielsweise wenn sie früher schon einmal erhitzt oder eingefroren worden sei.

Bis zum heutigen Tage gibt es trotz vieler Versuche keine universell akzeptierte Erklärung des Mpemba-Effekts. Sobald es draußen kälter wird, befassen sich viele Menschen nichtsdestotrotz mit der "Magie des kleinen, einfachen Wassermoleküls", wie es Bregovic schön ausdrückt. In den spektakulärsten Videos, die im Internet kursieren, schüttet beispielsweise ein Russe in Novosibirsk bei minus 41 Grad Celsius einen Topf heißen Wassers vom Balkon. Man hört leise wie die spontan entstandenen Hagelkörner auf dem Boden aufschlagen, nachdem sie aus der metergroßen weißen Dampfwolke ausgefallen sind. Ein Mann in den USA füllt heißes Wasser in eine Wasserpistole und verschießt einen feinen Strahl des weißen Dampfes, der schnell in der Luft zerstäubt – auch hierfür ist "Mpemba-Physik" verantwortlich. Falls der Winter auch hierzulande noch frostig wird, sollte man jedenfalls beim Selbstversuch aufpassen, wie die Filmchen ebenfalls zeigen: Mitunter verbrühen sich die Experimentatoren am heißen Wasser – weil es doch nicht so schnell gefriert, wie erhofft.