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Jugend forscht: Von Sandmännern und Sandmänteln

Sandkörner - jene mikroskopisch kleinen Archive der Erdgeschichte - haben ein Geheimnis, dass sie nur ungern preisgeben wollen: An manchen Meeresstränden und in einigen einsamen Wüstengegenden erzeugen die Körner gelegentlich Klänge, die schon vor Jahrhunderten die Fantasie der Menschen beflügelte. Welche physikalischen Ursachen sich hinter dem Phänomen der musikalischen Sande verbergen könnten, hat ein junger Physiker aus Heidelberg ergründet.
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Die Ödnis sei erfüllt von Dämonen, die mit ihren teuflischen Gesängen die Luft erfüllten, berichtete Marco Polo über die Wüsten Asiens. Sicher schenkten ihm nicht alle Zeitgenossen und Nachfolger Glauben. Aber selbst Charles Darwin bezeugte seltsame Klänge in der Nähe großer Sanddünen, für die der Naturwissenschaftler keine Erklärung fand. Inzwischen ist das Mysterium der "dröhnenden Dünen" zumindest teilweise nüchterner Erkenntnis gewichen. Ihr Getöse, das zuweilen mit Trompeten-, Nebelhorn- oder Glockenklängen verglichen wird, beruht auf der Bewegung des Sands und der Reibung der Sandkörner. Mindestens dreißig dröhnende Dünen wurden auf allen Teilen der Erde entdeckt.

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Sandrippeln | Sand – hier in der typischen Rippelstruktur an der Küste von Sylt – gibt mitunter merkwürdige Geräusche von sich.
Und nicht nur die Wüsten sind musikalisch: "Wenn man in Binz auf der Insel Rügen oder in Dueodde auf Bornholm auf dem ersten trockenen Streifen ganz nah am Wasser mit nackten Füßen herumrutsch", erzählt Cornelius Claussen, "kann man den Sand zum Quietschen bringen". Als bekennender "Jugend-forscht-Süchtiger" weiß Claussen, dass dem tönenden Sand noch längst nicht alle Geheimnisse entrissen sind. Bereits vor drei Jahren erreichte der heute 22-Jährige mit einem Projekt über die Oberflächenstruktur australischer Gespenstschrecken-Eier die Bundesebene des Wettbewerbs für junge Forscher, der 1965 von Henri Nannen (1913-1996) erstmalig ins Leben gerufen wurde und sich seitdem europaweit zum größten Wettbewerb in Naturwissenschaften, Mathematik und Technik entwickelte.

Quietschendes Forschungsprojekt

Mittlerweile studiert Claussen Physik in Heidelberg, und wieder hat es ihm eine Oberfläche angetan – diesmal die des Sandes. Über eine Ausschreibung am Schwarzen Brett auf einem Kongress für den wissenschaftlichen Nachwuchs traf er die zwei Jahre jüngere Frederike Junginger. Sie war es, die das Quietschen unter den Füßen zum Gegenstand eines Forschungsprojekts machen wollte und bei ihm offene Türen einrannte.

Der quietschende Sand am Meeresstrand und die dröhnenden Sandlawinen in den Wüsten Amerikas, Afrikas oder auf Hawaii beruhen auf unterschiedlichen Mechanismen – so Claussen und andere Sandmänner. Gemeinsam ist dem musikalischen Sand nur die Bewegung einzelner Körner. Wer etwa auf Sand läuft, drückt diesen unter der Fußsohle nach unten und zur Seite, wobei kurze, weniger als eine Viertelsekunde andauernde Töne mit einer Frequenz zwischen 500 und 2500 Hertz entstehen. Bei dröhnendem Sand dagegen rutschen einzelne Sandschichten großflächig ab und produzieren dabei ein anhaltendes tiefes Geräusch in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 300 Hertz, das gewöhnlich wenige Sekunden, bei großen Dünen aber auch bis zu 15 Minuten währen kann. Auf Hawaii befinden sich die einzigen Dünen, die zugleich dröhnen und quietschen. Sie bestehen aus Muschelkalk und grollen wie eine Sandlawine, die den Abhang einer Wüstendüne hinunterstürzt, geben aber auch jenes kurze signalhornähnliche Tut-Geräusch von sich, wenn eine Handvoll Sand in einer Tüte zusammengepresst wird. Die Internetseite eines japanischen Forschers preist sogar Sandproben an, die dem Quaken von Fröschen sehr ähnlich sein sollen.

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Sandproben | Quietschende und nicht quietschende Sandproben verschiedener europäischer Strände
Was aber genau manchen Sand zum Quietschen bringt, und warum viele Sande stumm bleiben, ist unklar, und genau das wollten die beiden "Jufos" – wie die Jungforscher sich selbst nennen – herausfinden. Schnell spannten sie dazu ihre Verwandten und Bekannten in das Projekt mit ein: "Jeder musste aus dem Urlaub Sandproben mitbringen, die wir später im Labor mit einem Mörser auf ihre Quietschfähigkeit hin untersuchten", erinnert sich Claussen. Eine Jugendherberge auf Bornholm entpuppte sich zur wichtigsten Sandquelle mit Quietschgarantie.

Sand unterm Mikroskop

Nacheinander haben Claussen und Junginger alle in Frage kommenden physikalischen Faktoren untersucht. Bei Sand handelt es sich um natürlich vorkommenden, zu einer Korngröße von 0,063 bis 2 Millimeter gemahlenen Stein, der von Wind und Wasserbewegung zu Sandstränden oder Dünen aufgehäuft werden kann. Die atomare Zusammensetzung der Sandkörner variiert je nach Entstehungsgebiet: Man unterscheidet Quarzsande, Karbonatsande, Basaltsande oder Korallensande. Meist handelt es sich jedoch um verwitterungsresistenten Quarz oder Siliziumoxid. So auch die quietschenden Sandproben der beiden Jungforscher: "Alle unsere Sandproben bestehen aus vielen verschiedenen Siliziumverbindungen, gespickt mit anderen Substanzen, die aus Verunreinigungen stammen".

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Quietschender Sand | Die rasterelekronenmikroskopische Aufnahme zeigt, dass die quietschenden Sandkörner aus Dueodde eine eher raue, unebene Oberfläche aufweisen.
Vergleichen Sie hierzu auch die Hörprobe unter "Medien".
Zunächst untersuchten Claussen und Junginger die Sandkörner im Mikroskop. "Wir stellten dabei fest, dass der quietschende Sand im Vergleich zu den übrigen Proben eine kantigere Oberfläche aufweist." Auch Feuchtigkeit hat einen Einfluss auf das Quietsch-Vermögen: "Wenn der Sand nass ist, quietscht er überhaupt nicht. Es genügen oftmals nur ein paar Tropfen auf einen zehn Liter Eimer, um den Effekt komplett zu unterbinden."

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Nicht quietschender Sand | Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der eher abgerundeten Sandkörner des nicht quietschenden Sandes aus Breezand in den Niederlanden
Mit einer Art Lasersieb haben die beiden Jungforscher dann die Korngrößenverteilung ihrer Sandproben gemessen. "Ein wenig verwundert waren wir schon, dass unsere Sandproben – ob klingend oder nicht – alle die gleiche Körngröße aufwiesen. Früheren Ergebnissen zufolge soll der quietschende Sand zumeist aus kleineren Sandkörnern bestehen." Zum Leidwesen der beiden Forscher nutzte sich der quietschende Sand während der der Experimente ab – er "quietschte sich kaputt".

Nachschubprobleme

Angesichts der geografischen Lage Heidelbergs entstanden gravierende Nachschubprobleme: "Die Jugendherbergseltern in Bornholm verschickten den Sand nur in 200-Gramm-Portionen." Doch genau diese Zwangslage sollte sich zum Forschersegen entwickeln: Claussen und Junginger versuchten den Sand mit allen Chemikalien, die sie finden konnten, wieder zu beleben. "Wir haben ihn mit Salzsäure und Natronlauge übergossen und anschließend im Backofen getrocknet – mit keinem positiven Ergebnis. Kaliumpermangant ließ sogar den Sand verstummen, der vorher noch leise Töne von sich gab."

Welche Reaktionen der Sand und das Kaliumpermangant eingehen, darüber kann Claussen bislang nur spekulieren: "Auf der Oberfläche eines Sandkorns kann eigentlich nicht mehr viel reagieren, und Kaliumpermanganat ändert nichts von den physikalischen Eigenschaften, wie Korngröße oder Rauhigkeit." Claussen vermutet, dass die quietschenden Sandkörner über eine spezielle Oberflächenbeschichtung aus Silizium verfügen. "In der Industrie beispielsweise werden Jacken und Papier mit einer Oberflächenbeschichtung aus Siliziumgel griffiger gemacht. Bierschaum erhält durch einen Schuss Silizium die gewünschte Form und Festigkeit." Die Beschichtung von Sand bringt jedoch gewisse Tücken mit sich: "Unser Fall gestaltete sich etwas schwieriger, da wir ein Granulat überziehen wollten; dass heißt, jedes Sandkorn musste einzeln, ohne mit den anderen zu verkleben, beschichtet werden"

Nach einem ersten missglückten Versuch, bei dem die Unterlage – ein Backblech seiner Mutter – einen irreparablen Schaden erlitt, schafften es die beiden Jungforscher beim zweiten Anlauf, die einzelnen Sandkörner mit einer Siliziumschicht zu überziehen. Und tatsächlich: Der Sand quietschte wieder! Und nicht nur das: "Mit Silizium kann man eigentlich jeden Sand quietschend machen. Wir konnten damit beweisen, dass andere physikalische Parameter wie Größe und Rauhigkeit – wenn überhaupt – nur eine untergeordnete Rolle spielen."

Eine Oberflächenbeschichtung könnte auch andere Eigentümlichkeiten der quietschenden Sande erklären: Siliziumgel ist extrem hygroskopisch – es kann bis zu sechzig Prozent seines Eigengewichtes an Wasser einlagern – und verändert dadurch die physikalischen Eigenschaften der Sandkörner. "Das würde erklären, warum nasser Sand nicht mehr quietscht. Auch das nachlassende Quietschvermögen spricht für eine Beschichtung mit Siliziumgel. Der künstlich hergestellte quietschende Sand geht wesentlich schneller kaputt als der natürliche. Vermutlich, weil die Beschichtung nicht so stabil ist."

Der endgültige Beweis für eine Oberflächenbeschichtung aus Siliziumgel steht jedoch noch aus. "Dazu müssten wir die molekulare Zusammensetzung der Sandkörner analysieren, was schwierig und zugleich kostenintensiv ist." Doch Claussen möchte das Projekt weiterführen. Einer seiner Physik-Professoren hat bereits reges Interesse bekundet.
03.07.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 03.07.2004

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