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Eisphysik

Flüssiges Wasser bei 130 Grad unter null

Bei tiefen Temperaturen bildet Wasser unter bestimmten Umständen eine zähe Flüssigkeit. Das könnte auch für die Eigenschaften von Kometen bedeutsam sein.
Eisschicht und Eisblumen am Fenster

Experimente eines internationalen Forschungsteams um Thomas Lörting von der Universität Innsbruck deuten darauf hin, dass Wasser unter bestimmten Umständen bei sehr tiefen Temperaturen flüssig ist. Demnach existiert unter speziellen Bedingungen bei etwa minus 130 Grad Celsius ein Temperaturbereich, in dem Wassermoleküle sich frei bewegen können.

Das Team um Lörting untersuchte eine lange ungeklärte Frage, nämlich die nach dem so genannten Glasübergang: An welchem Punkt wird aus amorphem, also unstrukturiertem Eis eine zähe Flüssigkeit? Alle Festkörper ohne Kristallstruktur haben einen Temperaturbereich, in dem ihre Bestandteile sich voneinander lösen und frei zu bewegen beginnen. Das gilt auch für amorphes Eis, das sich bei extrem niedrigen Temperaturen bildet, wie sie zum Beispiel im äußeren Sonnensystem herrschen. Bisher allerdings deutete alles darauf hin, dass sich amorphes Eis schon während dieses Übergangs in einen kristallinen Festkörper umwandelt, so dass bei Temperaturen weit unter minus 100 Grad Celsius nie eine Flüssigkeit entsteht.

Dem widerspricht nun Lörtings Befund: Wie das Experiment zeigt, gibt es unter bestimmten Umständen sehr wohl einen Temperaturbereich, in dem das Wasser eine extrem unterkühlte Flüssigkeit bildet – 130 Grad unter seinem Gefrierpunkt.

Lörtings Arbeitsgruppe wählte eine Heizrate von 0,4 Kelvin pro Minute. Unter diesen Bedingungen begann der Glasübergang bei 121 Kelvin und endete bei 136 Kelvin. Ab diesem Punkt war das Wasser eine unterkühlte Flüssigkeit, zäh wie Honig. Den langsamen Phasenübergang sahen die Forscher um Lörting mit eigenen Augen. Ab dem Beginn des Glasübergangs verwandelte sich die Probe von einem schrundigen, porösen Material langsam zu einem glatten Block. Neutronenstreuungsexperimente offenbarten, dass die winzigen Hohlräume des Materials langsam in sich zusammensackten, je flüssiger das Eis wurde. Die zylindrischen Poren des amorphen Eises gingen in eine dichtere Lamellenstruktur über. Erst ab 144 Kelvin begann das Wasser zu kristallisieren.

Dieses Verhalten des Wassers betrifft quasi automatisch auch die Astrophysik, denn amorphes Eis entsteht nur bei extrem tiefen Temperaturen im interplanetaren Raum weit jenseits der Sonne – dort, wo die Kometen herstammen. So zeigen Untersuchungen der Rosetta-Mission am Kometen Tschurjumow-Gerassimenko, dass der Kometenkern zwar bei extrem niedrigen Temperaturen um 30 Kelvin entstand, bei den ersten Messungen im Jahr 2014 lag seine Oberflächentemperatur jedoch bei über 200 Kelvin. So könnte in Kometenkernen zeitweilig unterkühltes flüssiges Wasser vorliegen und als Medium für die komplexe Chemie primordialer Lebensbausteine dienen.

22/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 22/2016

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