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Wasserphysik

Das merkwürdige Verhalten eiskalten Wassers

Auch tief unter dem Gefrierpunkt kann Wasser noch flüssig bleiben, was beispielsweise in Wolken geschieht. Nun haben Forscher im Labor einen neuen Kälterekord aufgestellt.
Eiswürfel

Wasser ist ein sonderbarer und wichtiger Stoff zugleich, mancher Wissenschaftler nennt es gar eine »magische Substanz«. Denn einerseits wäre ohne Wasser kein Leben möglich. Andererseits zeigt es aber eine ganze Reihe so genannter Anomalien, die es von anderen Molekülen grundlegend unterscheidet. So sind alle Stoffe in fester Form schwerer als in flüssiger. Wasser – dessen Moleküle aus je einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen bestehen – hingegen hat bei einer Temperatur von vier Grad Celsius am wenigsten Volumen, erreicht an diesem Punkt also seine größte Dichte. Aus diesem Grund schwimmen Eisberge im Ozean.

Eine seiner Besonderheiten ist auch, dass es bei vergleichsweise hohen Temperaturen gefriert und siedet. Allerdings liegen diese Punkte längst nicht immer bei null beziehungsweise 100 Grad. Beispielsweise kann Wasser auch bei Temperaturen, die ein ganzes Stück unterhalb des Gefrierpunktes liegen, flüssig bleiben. Experten sprechen in diesem Fall von »unterkühltem Wasser« – und erreichen in Laborversuchen immer tiefere Temperaturen, bei denen der sonderbare Zustand Bestand hat.

Ein neuer Rekord

Ein internationales Forscherteam um Robert Grisenti von der Goethe-Universität Frankfurt hat dabei vor Kurzem einen neuen Rekord aufgestellt und Wasser bei minus 42,5 Grad Celsius flüssig gehalten. Wesentlich dafür war eine neue Technik, mit der die Wissenschaftler eiskaltes Wasser künftig eingehender untersuchen wollen als bisher – und mit der sie dem Aggregatzustand vielleicht weitere Geheimnisse entlocken können.

In Zirruswolken können Wassertröpfchen bis zu minus 37,5 Grad Celsius Bestand haben

Tatsächlich ist unterkühltes Wasser noch in vielerlei Hinsicht rätselhaft. So nehmen einige der physikalischen Messgrößen, mit der Wissenschaftler die Eigenschaften von Stoffen beschreiben, mit sinkender Temperatur immer weiter zu. Dazu zählen etwa die so genannte Wärmekapazität sowie die Kompressibilität. Sie geben Auskunft darüber, wie viel Energie man aufwenden muss, um Wasser zu erwärmen, beziehungsweise wie viel Kraft notwendig ist, um es ein Stück weit zusammenzuquetschen.

Relevanz für die Klimaforschung

Das Verständnis all dieser Größen ist insbesondere für die Klimaforschung wichtig, denn hoch oben in den Wolken liegt viel Wasser in teilweise stark unterkühlter Form vor. Wann und wo sich eiskalte Tröpfchen halten können, hat wiederum einen Einfluss auf die Bildung neuer Wolken. Da die Eisbildung von winzigen, embryonalen Eiskristallen ausgeht, kann hochreines Wasser, das so gut wie keine Verunreinigungen aufweist, bis gut minus sieben Grad Celsius flüssig bleiben.

In einigen Kilometern Höhe, wo sich ein guter Teil des Wetters abspielt, liegen die Temperaturen noch einmal deutlich tiefer. In dieser Schicht der Atmosphäre, in Zirruswolken, können Wassertröpfchen noch einmal deutlich kälter werden und sogar bis zu minus 37,5 Grad Celsius Bestand haben, vermuten Wissenschaftler.

Generell kann Wasser auf zwei Weisen gefrieren: In tieferen Luftschichten gibt es eine Menge Aerosole, winzige Staubteilchen, die aus industriellen Verbrennungsprozessen oder auch aus pflanzlichen Quellen stammen – etwa Ruß oder Pollen. Kommt ein Tröpfchen mit ihnen in Berührung, gibt es einen Teil seiner Wärme ab und gefriert daraufhin. Weiter oben in der Atmosphäre hingegen fliegen nur noch wenige dieser Teilchen umher, so dass Tropfen ohne Verunreinigung länger flüssig bleiben können.

Vakuumkammer
Eiskaltes Wasser | Der Versuchsaufbau am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung wirkt unscheinbar. Doch im Inneren der Vakuumkammer konnten Forscher Wassertropfen bis zu einer Temperatur von minus 42,6 Grad flüssig halten.

In diesem hochreinen Wasser geht die Eiskeimbildung darauf zurück, dass sich einige Wassermoleküle in einem unterkühlten Tropfen spontan zu winzigen Eiskristallen zusammenlagern. Dieser kann sich entweder schnell wieder auflösen – oder aber er wächst, wenn sich weitere Wassermoleküle an ihn anlagern. Wenn er eine kritische Größe von einigen Dutzend bis hundert Molekülen erreicht, lässt sich die Entwicklung nicht mehr stoppen und schließlich gefriert der gesamte Tropfen.

Eiskaltes Wasser im Vakuum

So wichtig das Verständnis dieser eiskalten Wassertröpfchen für Klimamodelle ist, so schwierig sind sie experimentell nachzustellen. In einer einfachen Kühlbox kann man unterkühltes Wasser praktisch nicht erforschen: Es friert darin sofort an den Wänden fest. So gibt es zu dem sonderbaren Wasserzustand zwar viele theoretische Arbeiten – allerdings nur wenige Experimente, die diese Theorien stützen oder widerlegen könnten.

Die Wissenschaftler um Grisenti verfolgten deshalb eine Idee, an der sich auch andere Forschergruppen schon versucht haben. Sie zerstäubten hochreines, lauwarmes Wasser über eine feine Düse in Tröpfchen einer fest definierten Größe und bliesen diese in eine stark gekühlte Vakuumkammer. Im Schnitt hatten die Tröpfchen nur einen Durchmesser von gut 0,006 Millimetern. Im annährend luftleeren Raum sank die Temperatur des Wassers dann sehr schnell und erreichte schließlich bis zu minus 42,5 Grad Celsius.

Wesentlich hierfür war ein physikalisches Phänomen, das auch dem Schwitzen zu Grunde liegt: Bei der so genannten Verdampfungskühlung entweichen die energiereichsten Wassermoleküle an der Oberfläche eines feuchten Körpers und gehen vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Dabei transportieren sie Energie ab und lassen einen kühleren Ausgangskörper zurück.

Kühlung durch Verdunstung

Im Experiment der Frankfurter Forscher verloren die Tröpfchen rund drei Prozent ihres Durchmessers infolge der Verdunstung. Insgesamt beobachteten die Physiker mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitslaseroptik während des sechsminütigen Experiments rund eine Milliarde Wassertröpfchen, die durch die Vakuumkammer flogen: Binnen einer tausendstel Sekunde legten sie eine Strecke von 25 Millimetern zurück. »Man benötigt einen stabilen Strahl mit exakt gleich großen Tröpfchen«, erläutert Grisenti das Erfolgsgeheimnis der Messung.

Ein Vorteil der Zerstäubungsmethode ist etwa, dass in kleinen Tropfen nur sehr selten »Gefrierkeime« stecken. Außerdem ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen größer als bei größeren Tropfen. Die Abkühlung findet also wesentlich schneller statt. Zudem half den Forschern das starke Vakuum, in dem sie ihr Experiment durchführten: Es verstärkt den Verdampfungseffekt. In normaler Atmosphäre würde dieser zu langsam ablaufen, und so tiefe Temperaturen wären nicht zu erreichen gewesen.

Über eine Lasermessung konnten die Forscher die Schrumpfung der Tröpfchen und damit letztlich ihre Temperatur bestimmen. Bei der neuen Methode muss man nicht mehr viele Parameter in die Berechnung der Temperatur stecken, sondern kann sie direkt anhand der Tröpfchengröße bestimmen. Ein Thermometer an die Tröpfchen zu halten, verbietet sich leider: Sie würden umgehend festfrieren.

Konkurrierende Experimente

Grisenti und seine Kollegen halten nun laut eigener Aussage den aktuellen Kälterekord für frei vorliegendes Wasser. Auch andere Experimente sind zwar in ähnliche Temperaturbereiche vorgestoßen, die Messungen waren aber mit einem deutlich größeren Fehler behaftet. 2014 gelang einem Team um Jonas Sellberg am SLAC National Accelerator Laboratory sogar eine noch stärkere Kühlung; das Ergebnis gilt in der Forschergemeinschaft aber als umstritten. Alle anderen Experimente mit tieferen Temperaturen fanden hingegen in speziellen Nanoporen oder Salzlösungen statt.

Als Nächstes wollen die Forscher die Eigenschaften der Wassertröpfchen mit verschiedenen Methoden untersuchen, unter anderem mit Hilfe von Röntgenstrahlung. Natürlich wäre es interessant, noch kleinere Tröpfchen zur Verfügung zu haben. »Allerdings sind die von uns erzeugten Wassertröpfchen bereits die kleinsten, die je untersucht wurden«, sagt Grisenti. Für noch kleinere Tröpfchen benötigt man dementsprechend noch feinere Düsen. Solch kleine Düsen werden aber schon durch winzigste Partikel verstopft und lassen keine kontinuierlichen Messungen zu.

Noch ein kleines Stückchen unterhalb der jetzt erzielten Temperaturen wird es dann richtig spannend: Wenn man die Messungen der Experimente aus den vergangenen Jahren extrapoliert, sollten sich bei rund minus 45 Grad Celsius einige physikalische Eigenschaften dramatisch ändern. Ob hier ein bislang unbekannter Phasenübergang stattfindet oder welche Phänomene dann zu sehen sein werden, ist bislang ein großes Rätsel. Noch wehrt sich das Wasser, seine letzten Geheimnisse preiszugeben – und erstarrt lieber zu Eis.

18/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18/2018

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