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Das Ultraschallfeld als Kaltgasfalle

Kalte Gase und Eisaerosole werden in die Schwingungsbäuche von stehenden Ultraschallfeldern gezogen, wo sich neue, vielfältig geformte Eispartikel bilden. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses verblüffenden Phänomens reichen vom Studium der Eispartikelbildung in Wolken bis zur Realisierung von Miniatur-Tieftemperatur-Laboratorien.


Eiskristalle faszinieren den Laien durch ihre filigrane symmetrische Form. Doch auch für den Wissenschaftler bilden sie bis heute ein interessantes Studienobjekt, das noch viele Geheimnisse birgt. Zum Beispiel sind winzige Eispartikel, wie sie in hohen Wolken vorkommen, mit einer dünnen flüssigen oder quasiflüssigen Wasserschicht überzogen, die erst bei Temperaturen unter –20 Grad Celsius erstarrt. Bestehen die Teilchen aus mehreren Eiskörnern, so bilden sich in den Zwischenräumen Flüssigwasserkanäle, durch die gelöste Stoffe von außen nach innen gelangen können und umgekehrt.

Beide Phänomene sind, wie man erst jüngst erkannte, von großer Bedeutung für die Chemie der Atmosphäre. In der beweglichen Hautschicht von atmosphärischen Eispartikeln sowie in den Flüssigkeitsadern in ihrem Inneren können nämlich physikalische und chemische Reaktionen zwischen gelösten Gasmolekülen aus der Luft ablaufen. Solche Umsetzungen spielen beispielsweise eine wichtige Rolle bei der berüchtigten Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht.

Eispartikel in der Atmosphäre wirken sich aber auch auf das Klima aus; denn sie reflektieren Sonnenlicht stärker als Wassertröpfchen. Die hohen Cirruswolken bestehen aus solchen Eisteilchen und haben dadurch andere Reflexions- und Absorptionseigenschaften gegenüber einfallendem Sonnenlicht und Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche als Cumuluswolken, die Ansammlungen von Wassertröpfchen sind – mit Folgen für den Strahlungshaushalt der Erde und damit den Treibhauseffekt.

Dies sind nur einige der Gründe, warum wir am GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht Entstehung und Eigenschaften von kleinen Eispartikeln genauer untersuchen. Für solche Experimente kommt es darauf an, einzelne Wassertröpfchen oder Eisteilchen möglichst lange frei in der Schwebe halten zu können. Bei Partikeln mit Durchmessern unterhalb eines zehntel Millimeters ist das in Klimakammern möglich. Größere Teilchen sinken dagegen zu schnell ab. Um sie beobachten zu können, bringen wir sie deshalb in ein stehendes Ultraschallfeld.

Als Ultraschall bezeichnet man gemeinhin akustische Wellen mit Frequenzen jenseits der Hörschwelle – im Bereich von etwa 20 Kilohertz bis zu einem Gigahertz. Dabei werden die Luftmoleküle selbst zum Schwingen angeregt. Die Energie dafür liefert ein Sender, der in unserem Fall einen Durchmesser von einem bis drei Zentimetern hat. Werden die ausgesandten Wellen von einem geeigneten Spiegel reflektiert, der genau ein ganzes Vielfaches der halben Schallwellenlänge entfernt ist, bildet sich ein stehendes Wellenfeld aus. Jeweils im Abstand einer halben Wellenlänge folgen die Schwingungsbäuche aufeinander, die die Form eines Rotationsellipsoids haben. Dazwischen liegen die schmaleren Knoten. In den Schwingungsbäuchen, die sich bei unseren Experimenten bis zu einem Zentimeter ausdehnen, können etwa ein bis sechs Millimeter große Teilchen eingefangen und damit für die Beobachtung fixiert werden – ein als Ultraschallevitation bekanntes Phänomen.

Bei einem entsprechenden Experiment wollte einer von uns (Bauerecker) die Kristallisation eines Wassertröpfchens genauer studieren. Um die Abkühlung zu beschleunigen, brachte er einen massiven Metallstab, den er in flüssige Luft getaucht hatte, in die Nähe des Feldes. Zu seiner Verblüffung kam es aber nicht nur zu dem gewünschten Wärmeübergang; vielmehr wurde das kalte Gas in der Umgebung der Platte regelrecht in das Feld hineingesaugt.

Offenbar waren wir auf einen bisher unbekannten Effekt gestoßen, der es verdiente, gründlicher erforscht zu werden. Systematische Untersuchungen bestätigten, daß ein Gas, wann immer es kälter als die Umgebung ist, in ein stehendes Ultraschallfeld hineingezogen wird. Das gilt auch für Aerosole; die darin schwebenden Partikel werden mitgerissen und im Feld festgehalten.

Das kalte Medium sammelt sich in den Schwingungsbäuchen der stehenden Schallwellen, wobei ein Materieaustausch über die Hälse der Knoten hinweg stattfindet und für eine gleichmäßige Verteilung sorgt. Wird Luft mit feinsten auskondensierten Wassertröpfchen oder Eispartikeln angesaugt, füllt dieser Nebel die aneinandergereihten Rotationsellipsoide entlang der Feldachse und macht so das Schallfeld sichtbar.

Bemerkenswert ist, daß das eingefangene Gas eine bis auf wenige Grade einheitliche Temperatur aufweist. Diese kalte Zone grenzt sich scharf gegen die wärmere Umgebung ab: Innerhalb weniger Millimeter kann ein Temperaturgefälle um bis zu 50 Grad auftreten. Das Ultraschallfeld wirkt also gleichsam als Kaltgasfalle.

Im Unterschied dazu saugt das Feld Medien, die wärmer als ihre Umgebung sind, nicht an – im Gegenteil: heißer Zigarettenrauch zum Beispiel wird aus ihm herausgedrückt. Der physikalische Hintergrund des Phänomens ist noch nicht völlig geklärt. Daß kalte Gase eingefangen, warme hingegen ausgetrieben werden, deutet aber darauf hin, daß die Dichte des Mediums eine Rolle spielt.

Mindestens so interessant wie der Ansaugeffekt ist ein zweites, eng damit verbundenes Phänomen: In einem kalten Eisaerosol, das im Ultraschallfeld gefangen ist, bilden sich mit der Zeit größere Eispartikel. Das geschieht vor allem nahe den Druckknoten des Schallfeldes, also wiederum in den Schwingungsbäuchen. Wir konnten drei Entstehungsmechanismen erkennen: daß größere Partikel kleine Teilchen anlagern, daß sie mit ihresgleichen verklumpen oder daß sich Wassermoleküle aus der Gasphase auf Eispartikeln abscheiden. Offenbar ist für das Zusammenhaften der Aerosolteilchen die flüssige Schicht auf ihrer Oberfläche verantwortlich; denn bei Temperaturen unter etwa –20 Grad Celsius unterbleibt die Aggregation.

Dieser zweite Effekt nun bietet einen faszinierenden neuen Zugang zur Erzeugung und Untersuchung von Eispartikeln. Durch Variation experimenteller Parameter wie Temperatur, Druck, Luftfeuchte und Schallfrequenz oder -intensität läßt sich eine Vielfalt von Eispartikeln und Schneeflocken herstellen. Dabei treten auch Exemplare mit ungewöhnlichen Formen auf, die aus der Natur nicht bekannt sind.

Durch gezielte Störungen des Feldes können wir die Eisteilchen nach Belieben um verschiedene Achsen rotieren oder auch stillstehen lassen. Dies läßt sich zum Beispiel ausnutzen, um auf einfache Weise zu ermitteln, wie Licht an kompliziert geformten Eispartikeln richtungsabhängig gestreut wird. Solche Informationen helfen, den Einfluß von Eiswolken auf den Strahlungshaushalt der Erde genauer zu bewerten.

Die Kaltgasfalle eröffnet aber noch weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Atmosphärenforschung. Zum Beispiel kann man damit die physikochemischen Prozesse an den Oberflächen sich gerade bildender oder bereits ausgereifter schwebender Eispartikel erforschen – beispielsweise die Adsorption von Gasen und Aerosolpartikeln und ihre diversen Reaktionen. Entsprechende Untersuchungen in Klimakammern lassen sich so auf größere Teilchen ausdehnen.

Generell ist vorstellbar, Ultraschallfelder als Miniatur-Tieftemperatur-Laboratorien für die verschiedensten Zwecke zu nutzen. Für uns steht dabei die optische Spektroskopie von unterkühlten Gasen und Molekülclustern im Vordergrund, aber auch wandungsfreie Aerosolreaktoren sind eine faszinierende Perspektive.

Schließlich bietet sich die Chance, andere Teilchen als Eispartikel in der Kaltgasfalle zu erzeugen. Wir denken dabei insbesondere an neuartige Granulate aus feinen Stäuben mit Tröpfchen-Aerosolen als Bindemittel. Sie sollten sich beispielsweise für Medikamente und Lebensmittel verwenden lassen.

Wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten der Kaltgasfalle sein werden, hängt auch davon ab, ob sich die Temperaturdifferenz zwischen Ultraschallfeld und Umgebung auf mehr als 50 Grad steigern läßt. Doch eines ist jetzt schon klar: Das von uns zufällig entdeckte Phänomen wird nicht nur die Theoretiker beschäftigen, sondern auf diversen Forschungsgebieten experimentelles Neuland erschließen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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