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Themen der Wissenschaft: Photophorese – die Kraft von Licht und Schatten

Man nehme ein Staubteilchen, bringe es in ein Gas mit bestimmtem Druck und bestrahle es mit Licht. Als Folge einer Wechselwirkung zwischen den Gasmolekülen und der erwärmten Oberfläche des Partikels wird sich dieses von der Lichtquelle weg bewegen. Dieser photophoretische Effekt hat immense Auswirkungen auf die Vorgänge in einer protoplanetaren Scheibe und auf die Bildung von Planeten, Kometen und Asteroiden.
Von der technischen Entwicklung seit mehr als hundert Jahren überholt, ist ein alter Effekt fast in Vergessenheit geraten – die Photophorese. Dabei sind die möglichen Anwendungsgebiete gerade in der Astronomie sehr vielfältig: Sie reichen von der Entstehung von Staubringen um junge Sterne, der Sortierung und Konzentration von millimetergroßen Chondren in Meteoriten, über die Eigenschaften von Kometen oder die Bildung und Zerstörung von Planetesimalen und Planeten bis hin zu stabilen Staubschichten in der Erdatmosphäre und der Staubdynamik auf dem Mars. Man sollte denken, dass der Effekt angesichts einer solchen Anwendungsbreite schon lange ausgiebig erschlossen und in Modelle integriert wurde. Weit gefehlt – seine Renaissance im planetaren Umfeld hat gerade erst begonnen.Sie haben noch nie von Photophorese gehört? Auch wenn der am Anfang nicht leicht auszusprechende Name wenig bekannt ist: Eine Anwendung des Effekts ist Ihnen womöglich schon einmal begegnet, und zwar in Form der dekorativen Lichtmühlen, auch Crookes’sche Radiometer genannt (siehe Kasten »Wirkungsweise einer Lichtmühle« oben). Das Wort Photophorese entstammt dem Griechischen und heißt so viel wie vom Licht getragen oder vom Licht bewegt (von photo = Licht, und phorein = forttragen, wegbringen). Die Lichtmühle geht auf den englischen Physiker Sir William Crookes (1832 – 1919) und seinen deutschen Fachkollegen Heinrich Geißler (1814 – 1879) zurück. In einem evakuierten Glaskolben ist ein Rotor auf einer Nadel reibungsarm gelagert und dreht sich, sobald er beleuchtet wird. Zu Zeiten Crookes’ und Geißlers war man daran interessiert, ein messbares Maß für die Stärke des Lichts zu bekommen, und in der Tat ist die Rotation von der Intensität des eingestrahlten Lichts abhängig. Sonnenstrahlung versetzt den Rotor in eine sehr schnelle Rotation, der man bei gut gelagerter Lichtmühle mit bloßem Auge nicht mehr folgen kann; aber auch eine einfache Taschenlampe reicht, um die Rotoren in Drehung zu versetzen. Entgegen der landläufigen Meinung ist es nicht der Strahlungsdruck (also ein Impulsübertrag durch die Lichtteilchen, die Photonen), der die Rotoren antreibt, sondern der photophoretische Effekt. Gerade diese Ähnlichkeit zwischen Strahlungsdruck und Photophorese brachte uns dazu, den Effekt näher zu betrachten.

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