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Laser-Schock: Lautester möglicher Knall in Wasser erzeugt

Mehr geht nicht: Fachleute pumpen die größte physikalisch mögliche Energie in eine Schallwelle. Sie ist 100 Millionen Mal lauter als die menschliche Schmerzgrenze.
Wellen in WasserLaden...

Zum Glück waren keine Wale in der Nähe. Eine Arbeitsgruppe am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park hat in einem Wasserstrahl das vermutlich lauteste physikalisch mögliche Geräusch in Wasser erzeugt. Die Arbeitsgruppe um Claudiu A. Stan erzeugte in nur wenige Mikrometer dicken Wasserstrahlen mit Hilfe eines Röntgenlasers Schalldrücke von über 270 Dezibel – diese Stoßwellen seien so intensiv, berichtet das Team in »Physical Reviews Fluids«, dass sie bei noch höheren Energien Kavitation auslösen und so das Fortpflanzungsmedium selbst zerstören würden. Deswegen seien diese Stoßwellen wohl die stärksten, die in flüssigem Wasser physikalisch möglich sind. Hintergrund der Forschung ist, dass man die Strukturen vieler Proteine bestimmt, indem man sie in einem dünnen Wasserstrahl mit Röntgenlasern beschießt. Die dabei entstehenden Stoßwellen könnten die Proben während der Messung beschädigen und so möglicherweise zu verfälschten Ergebnissen führen.

Der von Stans Team verwendete Laser, die Linac Coherent Light Source (LCLS), war allerdings ein wenig stärker als die zur Strukturanalyse verwendeten Strahlungsquellen – der gebündelte Puls von Röntgenphotonen verdampfte das Wasser in winzigen Bruchteilen von Sekunden und riss die Elektronen von den Molekülen. Das erzeugte im Strahl eine Stoßwelle, die nahe ihrem Ursprung Intensitäten im Bereich von einem Gigawatt pro Quadratmeter erreichte; die Schmerzgrenze für menschliche Ohren liegt – an der Luft – bei zehn Watt pro Quadratmeter. Die Stoßwelle wechselwirkt mit den Wänden des Strahls und erzeugt auf diesem Weg quasi Kopien ihrer selbst, von denen sie durch Bereiche niedrigen Drucks getrennt ist. Bei höheren Schallintensitäten als jenen, die im Experiment erreicht wurden, würden sich wegen der enormen Druckdifferenz zwischen Wellenberg und Wellental Gasbläschen bilden und das Fortpflanzungsmedium der Welle selbst zerstören, so die Arbeitsgruppe. Experimente mit Proteinkristallen in Wasser nutzen zwar weit weniger intensive Laserstrahlung, dafür nutzen sie eine große Zahl von Laserpulsen mit Wiederholungsraten im Megahertz-Bereich. Die dadurch entstehenden Stoßwellen könnten die Proben ebenfalls beschädigen.

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