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Sonolumineszenz

Eine Luftblase in Wasser vermag Schallenergie so stark zu bündeln, daß sie ultrakurze Lichtblitze aussendet. Im Brennpunkt herrschen dabei höhere Temperaturen als an der Sonnenoberfläche. Obwohl das Phänomen seit Jahrzehnten bekannt ist, entzieht es sich bislang einer schlüssigen Erklärung.

Stellen Sie sich vor, Sie fahren Achterbahn. Zuerst bewegt sich Ihr Wagen eine lange Steigung hinauf, um dann fast im freien Fall immer schneller niederzurasen, bis Sie beim Durchlaufen des unteren Bahnbogens mit atemberaubendem Druck in Ihren Sitz gepreßt werden. Ein ähnliches Erlebnis böte der Ritt auf einer pulsierenden Luftblase im Wasser – wobei diese jedoch Überschallgeschwindigkeit erreicht und die Beschleunigungskräfte milliardenfach stärker sind.

Das hielte keine lebende Zelle, geschweige denn Ihr Körper aus. Die Luftblase sendet in Reaktion auf diese außerordentliche Belastung nur winzige Sekundenbruchteile dauernde Lichtblitze aus. Deren Wellenlängen gehören größtenteils zum ultravioletten Bereich des Spektrums – ein Zeichen dafür, daß das Innere der Blase beim abrupten Ende der Kompression um ein Vielfaches heißer als die Sonnenoberfläche wird. Dieser Prozeß läßt sich durch ein fokussiertes Schallfeld mehr als 30000mal pro Sekunde anregen.

Bei der Sonolumineszenz, wie diese Umwandlung von Schall in Licht genannt wird, konzentriert die Luftblase die Energie der akustischen Schwingungen auf das Billionenfache: Obwohl die Schallwellenlänge einige Zentimeter mißt, entsteht der Blitz in einem Bereich von atomaren Dimensionen.

Eine genaue Erklärung steht noch aus. Die Blitze sind so kurz, daß noch schnellere Photodetektoren zu ihrer Messung erforderlich sind als in der Hochenergiephysik. Die Sonolumineszenz ist sogar das einzige bekannte Verfahren, das ohne Laser Lichtpulse von Pikosekunden (billionstel Sekunden) Dauer erzeugt.

Diese Art, Energie so effektiv zu fokussieren, könnte als Modell bei der Entwicklung von Verfahren zur kontrollierten Kernverschmelzung dienen. Auch deshalb befassen wir uns wie andere Laboratorien intensiv damit. Aber alle Versuche, die Hintergründe zu verstehen, werfen neue Fragen schneller auf, als sich die alten beantworten ließen.

Skepsis und Enthusiasmus

Als mir Mitte der achtziger Jahre mein Studienkollege Thomas Erber vom Technologie-Institut von Illinois in Chicago zum ersten Mal über Sonolumineszenz berichtete, war ich ziemlich ungläubig. Er bestand jedoch darauf, daß dieser Effekt schon vor längerer Zeit beschrieben worden sei. Zusammen mit Ritva Löfstedt, einer jungen Studentin bei uns an der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA), machte ich mich daran, in alten Fachveröffentlichungen nach entsprechenden Berichten zu suchen.

So fanden wir heraus, daß man bereits in den zwanziger und dreißiger Jahren auf ein ähnliches Phänomen gestoßen war. Damals experimentierten Chemiker mit Lautsprechern, die während des Ersten Weltkriegs für Sonarsysteme entwickelt worden waren, weil ein starkes Schallfeld Reaktionen in einer wäßrigen Lösung katalysieren kann. Reinhard Mecke (1895 bis 1969), Professor für Physikalische Chemie an der Universität Heidelberg, glaubte, die erforderliche Energie entspräche derjenigen, die ein Atom zum Aussenden von Licht anrege; er schlug deshalb vor, gezielt nach solchen Lichtsignalen zu suchen. Kurz darauf, im Jahre 1934, fand Herrmann Frenzel (1895 bis 1967), damals Oberarzt der Hals-Nasen-Ohren-Klinik der Universität Köln, gemeinsam mit seinem Mitarbeiter H. Schultes Sonolumineszenz in einem beschallten Wasserbad.

Läuft man über einen Teppich und erfaßt dann einen metallenen Gegenstand, springt oft ein Funke über. Frenzel und Schulte beschrieben die beobachteten Lichtblitze als eine solche Form der Reibungselektrizität. In ihrem Experiment erzeugten die Schallwellen Kavitation, regten also die Bildung von Gasblasen an, die rasch wieder kollabieren (gewöhnlich entstehen bei diesem Vorgang infolge der plötzlichen Volumenänderung sehr starke Druckstöße, die intensiven Schall abstrahlen). Sie verglichen die Bewegung dieser Blasen durch die Flüssigkeit mit dem Schlurfen der Schuhsohlen auf einem Teppich und meinten, durch diese Reibung würden elektrische Ladungen in ursprünglich neutralen Medien getrennt; durch den Funkenüberschlag entlade sich die Spannung. Ihren Artikel schlossen sie allerdings mit der Bemerkung, es gäbe Wichtigeres zu untersuchen.

Andere Wissenschaftler unternahmen Spektralmessungen, bekamen aber wegen der Kürze der Lichtblitze kaum Ergebnisse. Bei der Bestrahlung mit starken Schallfeldern entstanden nämlich regelrechte Wolken von Bläschen, die dann unabhängig voneinander und zu unvorhersehbaren Zeitpunkten in sich zusammenfielen und Lichtblitze aussandten.

Nach diesem Ausflug in die Historie versuchten Bradley P. Barber – damals Diplomstudent an der UCLA – und ich, die Sonolumineszenz eingehend zu beschreiben und ihre physikalischen Grundlagen zu verstehen. Kurz zuvor war zwei anderen Wissenschaftlern ein wichtiger Schritt gelungen: D. Felipe Gaitan, der nun an der Postgraduate School der US-Marine in Monterey (Kalifornien) lehrt, und Lawrence A. Crum, inzwischen an der Universität von Washington in Seattle tätig, hatten eine einzelne lichtemittierende Blase in teilweise entgastem Wasser an einem Ort fixiert. Ich war von ihrem Erfolg fast begeisterter als sie selbst, und ließ mir zeigen, wie mit unseren Geräten Sonolumineszenz in einer einzelnen Blase zu erzeugen sei.

Zu Beginn der Untersuchungen verfügten wir über nichts weiter als einen Kochkolben aus dem Chemielabor, ein Oszilloskop aus dem Einführungspraktikum, meine Stereoanlage, einen auf Kredit gekauften Photomultiplier und Einmal-Kanülen, um Luftblasen ins Wasser zu injizieren.

Mittlerweile erzeugen piezoelektrische Wandler auf einem mit Wasser gefüllten zylindrischen Gefäß das Schallfeld (Bild 1). Ein solcher Wandler besteht aus einem keramischen Material, das eine oszillierende elektrische Spannung in mechanische Schwingungen umwandelt. Im Wasser befindet sich ein kleiner Heizdraht, um es zum Kochen zu bringen. Dabei entsteht zunächst eine mit Wasserdampf gefüllte Blase; bevor dieser wieder kondensiert, diffundiert Luft aus dem Wasser in den Hohlraum.

Dieses Luftbläschen schwebt in der Mitte des Zylinders – dort, wo der Druck der Schallwellen genau die Auftriebskraft kompensiert. Für geeignete Blasenpulsationen benötigt man Schallwellen von etwa 110 Dezibel, was etwa dem Lärm einer nur Zentimeter entfernten Rauchmelder-Sirene entspricht. Die für unsere Versuche erforderliche Schallfrequenz ist glücklicherweise unhörbar; sie liegt bereits im Ultraschall-Bereich.


Untersuchungen an einer schwingenden Blase

Zunächst interessierte uns das zeitliche Verhalten des Systems, insbesondere die Dauer der Lichtblitze. Erstaunt mußten wir damals feststellen, daß zu deren Messung die schnellsten überhaupt verfügbaren Lichtsensoren erforderlich waren. Die Leuchtdauer betrug demnach höchstens 50 Pikosekunden. Die Blitze zuckten etwa alle 35 Mikrosekunden (tausendstel Sekunden) auf – wobei sich diese Intervalle um nicht mehr als 40 Pikosekunden unterschieden.

Barber maß dann den Durchmesser sonolumineszierender Blasen, indem er sie mit einem Laser bestrahlte (Bild 1) und die Intensität des gestreuten Lichts maß, die bei einem kugelförmigen Gegenstand proportional zum Quadrat seines Durchmessers ist. Demnach waren sie anfänglich einige Mikrometer klein. In den Druckminima des durch das Wasser wandernden Schallfeldes dehnt sich die Blase so lange aus, bis sie wieder in eine Verdichtungsphase gerät; der Radius kann dabei 50 Mikrometer erreichen (Bild 2).

In diesem Stadium größter Ausdehnung herrscht in ihrem Inneren nahezu ein Vakuum; denn obzwar sich das Volumen vervielfacht hat, ist die Zahl der eingeschlossenen Moleküle unverändert. Außerhalb herrscht jedoch normaler atmosphärischer Druck, so daß die Blase schließlich unter der Druckdifferenz kollabiert. Dabei schrumpft ihr Radius auf etwa 0,5 Mikrometer. Dann stoppt die Implosion der Blasenoberfläche abrupt, denn abstoßende Kräfte zwischen den Atomen und Molekülen im Gas (Van-der-Waals-Kräfte) lassen keine weitere Kompression zu. Der Blitz wird emittiert, wenn die Blase am kleinsten ist (Bild 3). Danach pulsiert sie noch eine Weile, bis sie zur Ruhe kommt oder die nächste Schallwelle sie trifft.

Zwar ist der Blasenradius meßbar, doch gibt es noch keine Theorie, die gefundenen Werte zu erklären. Einer naheliegenden Vorstellung zufolge hängt die Größe einer Blase von ihrem Gasvolumen ab. Zusammen mit Ritva Löfsted untersuchte ich deshalb die Mechanismen der Diffusion des im Wasser gelösten Gases in den kleinen Hohlraum. Im Innern einer sich ausdehnenden Blase herrscht niedriger Druck, und demzufolge strömt Gas ein; sobald die Blase kollabiert, geschieht das Gegenteil. Ihr durchschnittliches Volumen sollte demnach vom Gleichgewicht zwischen ein- und ausströmenden Luftmolekülen bestimmt sein.

In einem schwachen Schallfeld scheint dieses Modell dem Geschehen auch zu entsprechen. Bei großen Druckamplituden und Sonolumineszenz ergeben sich jedoch Widersprüche (Bild 4). So müßte der Radius der Blase mit zunehmender Lautstärke gleichmäßig wachsen. In der Praxis beobachtet man jedoch gerade beim Einsetzen der Sonolumineszenz eine Diskontinuität: Der mittlere Radius nimmt plötzlich ab, dann mit der Schallamplitude weiter zu (Bild 4). Irgendein neuer (und bislang unbekannter) Massenflußmechanismus muß dabei im Spiele sein.


Das heiße Blaseninnere

Im Jahre 1991 bestimmte mein Student Robert A. Hiller das Spektrum des abgestrahlten Lichts. Demnach ist dessen Intensität im purpurroten Bereich stärker als im roten, noch stärker aber im ultravioletten (Bild 5). Strahlung mit Photonen-Energien von mehr als sechs Elektronenvolt (das entspräche ultravioletten Wellenlängen von mehr als 200 Nanometern) konnten wir nicht messen, weil sie sich nicht im Wasser ausbreitet. (Um überhaupt einen Ultraviolett-Anteil nachzuweisen, mußten wir auch ein Quarzglasgefäß verwenden, denn normales Glas ist in diesem Spektralbereich nicht transparent.)

Ist die Emission thermisch bedingt, entspricht eine Energie von sechs Elektronenvolt einer Temperatur von 72000 Kelvin. Daß sich Gase bei Kompression erwärmen, kennt man von der Luftpumpe oder in größerem Maßstab vom Fallwind im Lee von Gebirgen, dem Föhn. In unseren Experimenten spielt sich das allerdings wesentlich dramatischer ab: Schrumpft der Radius einer sonolumineszierenden Blase auf ein Hundertstel, verringert sich ihr Volumen auf ein Millionstel. In den fünfziger Jahren berechneten B. E. Noltingk und E. A. Neppiras vom Mullard-Labor für Elektronikforschung in Surrey (Großbritannien), daß bei dieser adiabatischen – also ohne Wärmeaustausch stattfindenden – Kompression Temperaturen bis zu 10000 Kelvin und Drücke von mehr als 10000 Atmosphären entstehen. (Die Blasenoberfläche verdampft dabei nicht – möglicherweise, weil Druck und Wärme extrem rasch im Zentrum zunehmen.)

Hätte der englische Physiker Lord John William Strutt Rayleigh (1842 bis 1919, Nobelpreis 1904 für die Isolation des Argons) im Alpenvorland gelebt, würde ihn die Erfahrung mit Föhnwetterlagen vielleicht zur Vorhersage der Sonolumineszenz veranlaßt haben, als er 1917 im Auftrag der britischen Marine die Ursache für den schnellen Verschleiß von Schiffsschrauben zu ergründen suchte und dabei die Kavitation entdeckte: Kleine Luftblasen entstehen bei der schnellen Drehung der Schraube im Wasser und korrodieren die Materialoberfläche, wenn sie mit einem Druck von mehr als 10000 Atmosphären auf ihr wieder zusammenfallen. Bei der Beschreibung der Blasenbewegung nahm Rayleigh jedoch an, daß der Kollaps dem Boyleschen Gesetz folgte, also die Temperatur im Blaseninnern konstant (und das Produkt aus Druck und Volumen ebenfalls unverändert) bleibt; er erkannte nicht, daß der Prozeß zu schnell vor sich geht, als daß ein abkühlender Wärmeaustausch mit der Umgebung einträte.

Aber wie erzeugen hohe Temperaturen Licht? Einige an der Untersuchung zur Sonolumineszenz und Sonochemie arbeitenden Wissenschaftler halten die beim Kollabieren freiwerdende Energie für groß genug, um Moleküle zu spalten. Anschließend sollen die Fragmente wieder zusammenfinden und dabei Licht aussenden. Dieser Effekt wurde als Chemolumineszenz erstmals 1952 von Virginia F. Griffing von der Catholic University of America in Washington beschrieben. Er geht mit einer vorübergehenden Kavitation einher und läßt sich nutzen, um ungewöhnliche chemische Prozesse anzuregen, etwa amorphes Eisen herzustellen (Spektrum der Wissenschaft, April 1989, Seite 60).

Die adiabatische Erwärmung der kollabierenden Blase ist zwar ein gutes Modell für die beobachtete Energiekonzentration, doch vermag sie nicht zu erklären, warum im wesentlichen ultraviolettes Licht abgestrahlt wird. (Anmerkung der Redaktion: Die Ansichten darüber gehen in der Forschung aber auseinander.) Die Energie muß meiner Meinung nach auf andere Weise weiter verstärkt werden. Barber und ich postulierten deshalb, daß die mit Überschallgeschwindigkeit kollabierende Blase in ihrem Innern Stoßwellen erzeugt (Bild 3). Auch wenn die Bewegung der Blasenwand durch die abstoßenden Kräfte zwischen den Gasmolekülen zum Stillstand kommt, könnte sich die Stoßwelle bis zur Blasenmitte fortpflanzen und dort die Implosionsenergie weiter konzentrieren.

Kollegen von der UCLA, Paul H. Roberts und Cheng-Chin Wu, berechneten diese Verdichtung auf der Grundlage eines in den vierziger Jahren von dem deutschen Mathematiker Karl G. Guderley (damals an der Luftfahrtforschungsanstalt Braunschweig, später am Air Force Institute of Technology in Ohio tätig) entwickelten Formalismus. Demnach löst der Kollaps eine immer stärker werdende Stoßwelle aus, die schließlich ihre Bewegungsrichtung umkehrt, quasi explodiert; die damit verbundenen hohen Temperaturen und Drücke wachsen dann noch weiter (siehe Kasten).

Meist stören Instabilitäten die Oberflächen der Schockfronten und schwächen damit die Implosion ab. Bleibt jedoch die von der Blase ausgelöste und sich zum Zentrum fortpflanzende Front bis zu einem Radius von 0,1 Mikrometern um das Zentrum intakt, könnte es in der unmittelbaren Umgebung bis zu 100000 Kelvin heiß werden – genug für das beobachtete, größtenteils ultraviolette Spektrum.

Bliebe die Schockfront sogar bis zu einem Halbmesser von 20 Nanometern unversehrt, stiegen die Werte im Blasenzentrum bis zu einer Million Kelvin (im Sonneninnern ist es zehnmal so heiß) – genug, um weiche (relativ langwellige) Röntgenstrahlen zu erzeugen. Da sich solche Photonen in Wasser nicht ausbreiten, läßt sich darüber derzeit nichts sagen. Die Wahrscheinlichkeit, schwache Röntgenstrahlung mit Schall zu erzeugen, halte ich jedoch eher für gering. Allerdings hatte ich anfangs auch die Existenz der Sonolumineszenz bezweifelt.


Ein edler Zusatz

Wenngleich die physikalischen Hintergründe nur schwer zu klären sind, handelt es sich bei der Sonolumineszenz um eine leicht reproduzierbare und modifizierbare Erscheinung. Doch hängt sie äußerst empfindlich von zahlreichen experimentell steuerbaren Parametern ab. Wird beispielsweise die Wassertemperatur von 35 auf 0 Grad Celsius verringert, steigt die pro Blitz abgestrahlte Lichtmenge um das 200fache auf etwa zehn Millionen Photonen.

Aus der Temperaturabhängigkeit schlossen wir, daß bei der Änderung weiterer Größen neue Einzelheiten zu erkennen wären. So suchten wir nach Anzeichen für Einzelblasen-Sonolumineszenz in anderen Flüssigkeiten, jedoch ohne Erfolg. Anschließend versuchten wir, mit einem anderen Gas als Luft in der Blase zu arbeiten. Dazu wurde das Wasser zunächst in einem Vakuumgefäß entgast, danach ein Gas unserer Wahl darin gelöst.

Hiller, der den luftdichten Apparat gebaut hatte, erzeugte zunächst Blasen aus reinem Stickstoff, von denen er vermutete, daß sie recht ähnliche Eigenschaften wie Luftblasen hätten. (Die Luft besteht zu 78,09 Prozent aus Stickstoff.) Zu unserer Überraschung emittieren sie nahezu kein Licht. Auch reine Sauerstoffblasen sandten nur schwache Blitze aus, desgleichen Blasen mit einer atmosphäre-ähnlichen Mischung aus 80 Prozent Stickstoff und 20 Prozent Sauerstoff. Ebenso erging es uns mit Gas aus einer Flüssigluft-Flasche. Verzweifelt suchten wir nach einem Fehler.

Wie sich aber herausstellte, waren die Messungen korrekt. Normale Luft enthält nämlich auch fast ein Prozent Argon, das aus kommerziell erhältlicher flüssiger Luft entfernt ist – nach Zugabe des Edelgases nahm die Intensität der Lichtblitze wieder zu. Dasselbe funktionierte mit Helium und Xenon (deren gewöhnlicher Anteil 0,0005 beziehungsweise 0,000008 Prozent beträgt), wobei wir jeweils ein anderes, typisches Lichtspektrum registrierten. Der Schlüssel zur Sonolumineszenz scheint also eine etwa einprozentige Verunreinigung der Luft mit einem Edelgas zu sein. Warum dies so ist, bleibt zu klären.

Welche Aussagen können wir aufgrund unserer Versuche nun machen? Zunächst haben wir es mit einem präzise eingestellten Schallfeld zu tun, das eine Gasblase an genau der richtigen Stelle festhält, um darauf symmetrisch und mit größtmöglicher Kraft einzuwirken. Die Theorie einer adiabatischen Kompression, gefolgt von einer allseits zum Zentrum laufenden Stoßwelle, scheint plausibel und könnte als Grundlage weiterer Forschungsarbeiten dienen.

Dabei handelt es sich jedoch um ein vorläufiges Modell, weil zahlreiche Einzelheiten nach wie vor nicht erschöpfend zu erklären sind; dazu gehören die Größe der Blase, die Rolle der inerten Gase und die Mechanismen der Lichtemission. Zudem ließen sich die Grenzen der erreichbaren Energiefokussierung weder theoretisch noch experimentell ermitteln.

Die Sonolumineszenz ist das wohl am wenigsten lineare Phänomen der Natur, und kann dennoch gesteuert und nichtchaotisch ablaufen. Besonders faszinierend daran ist, daß es trotz seiner Stabilität empfindlich genug ist, um bei jeder Änderung eines Parameters neue physikalische Prozesse zu offenbaren.

Literaturhinweise

- Luminescenz in ultraschallbeschicktem Wasser. Von Hermann Frenzel und H. Schultes in: Zeitschrift für Physikalische Chemie, Abteilung B, Band 27, Seiten 421 bis 424, 1934.

– Observation of Synchronous Picosecond Sonoluminescence. Von Bradley P. Barber und Seth J. Putterman in: Nature, Band 352, Heft 6333, Seiten 318 bis 323, 25. Juli 1991.

– Sensitivity of Sonoluminescence to Experimental Parameters. Von Bradley P. Barber, Cheng-Chin Wu, Ritva Löfstedt, Paul H. Roberts und Seth J. Putterman in: Physical Review Letters, Band 72, Seiten 1380 bis 1383, 28. Februar 1994.

– Effect of Noble Gas Doping in Single-Bubble Sonoluminescence. Von Robert Hiller, Keith Weninger, Seth J. Putterman und Bradley P. Barber in: Science, Band 266, Seiten 248 bis 250, 14. Oktober 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1995, Seite 50
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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