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15.05.2018

11:27 Uhr

Hochleistungslaser LCLS

Im schnellsten Wasserkocher der Welt erreicht Wasser einen exotischen Zustand

VonThomas Trösch

In einigen Billiardstel Sekunden haben Forscher Wasser von Zimmertemperatur auf 100.000 Grad Celsius erhitzt. Natürlich nicht nur zum Spaß.

Im schnellsten Wasserkocher der Welt wird Wasser exotisch

Wasser wird exotisch

Nach knapp 70 billardstel Sekunden (Femtosekunden) haben sich die Wassermoleküle bereits weitgehend in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) getrennt. (Foto: Carl Caleman, DESY/Universität Uppsala)

BerlinDieser Wasserkocher schlägt alle Rekorde – sowohl was Geschwindigkeit als auch was Leistung angeht: Mit dem Freie-Elektronen-Laser LCLS haben Wissenschaftler am US-Forschungszentrum SLAC in Sekundenbruchteilen Wasser von Zimmertemperatur auf 100.000 Grad Celsius erhitzt.

Ganze 75 Femtosekunden dauerte der Prozess – das sind genau 0,000000000000075 Sekunden. „Das ist sicherlich nicht der übliche Weg, Wasser zu kochen“, so Forschungsleiter Carl Caleman vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) am Forschungszentrum DESY in Hamburg. „Normalerweise rüttelt man quasi immer stärker und stärker an den Wassermolekülen, wenn man Wasser erhitzt.“

Tatsächlich ist auf der molekularen Ebene Hitze gleich Bewegung. Mit zunehmender Hitze bewegen sich die Moleküle eines Stoffs immer mehr. Der Röntgenlaser dagegen arbeitet anders: Der energiereiche Röntgenblitz schlägt Elektronen aus den Wassermolekülen heraus und zerstört so die Balance der elektrischen Ladung. Als Folge davon spüren die Atome plötzlich eine stark abstoßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen.

Obwohl der ganze Prozess nur den winzigsten Teil einer Sekunde in Anspruch nimmt, konnten die Forscher verschiedene Phasen beobachten: In den ersten 25 Femtosekunden war praktisch keine strukturelle Veränderung in der Wasserprobe zu beobachten. Danach aber durchläuft das Wasser fast schlagartig eine Phasenumwandlung von flüssig zu einem Plasma. „Dabei behält es jedoch die Dichte des flüssigen Wassers bei“, so Olof Jönsson, einer der Autoren der im Fachmagazin PNAS veröffentlichten Untersuchung.

Ein derart exotischer Zustand kommt auf der Erde nirgends in natürlicher Form vor. Vielmehr hat das so erhitzte Wasser Eigenschaften, wie wir sie von Plasmen in der Sonne oder in Gasplaneten wie Jupiter kennen. Allerdings ist es weniger dicht – und heißer als der Erdkern.

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Die Forscher wollen mit ihrem Hightech-Wasserkocher die besondere Natur des Wassers erkunden – eine Flüssigkeit, die nur auf den ersten Blick alltäglich erscheint. Wasser sei eigentlich eine sehr merkwürdige Flüssigkeit, betont Jönsson: „Ohne ihre besonderen Eigenschaften wären viele Dinge nicht so, wie sie sind – insbesondere das Leben.“

Tatsächlich besitzt Wasser eine ganze Reihe von Anomalien, etwa bei der Dichte oder der Fähigkeit, Wärme zu leiten. Sie besser zu verstehen, ist ein Teil der Forschungsarbeit von Jönsson und Kollegen. Daneben sollen die Versuche aber auch helfen, die Arbeit mit Röntgenlasern zu verbessern, mit denen Wissenschaftler unter anderem die Strukturen winziger Proben untersuchen.

„Die Studie lässt uns besser verstehen, was mit den verschiedenen Proben geschieht“, so Ko-Autor Nicusor Timneanu. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend, seien sogar Techniken zur Untersuchung einzelner Moleküle denkbar.

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Kommentare (1)

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Herr Frank Plonus

15.05.2018, 12:11 Uhr

„Dabei behält es jedoch die Dichte des flüssigen Wassers bei“, so Olof Jönsson, einer der Autoren der im Fachmagazin PNAS veröffentlichten Untersuchung.
Ein derart exotischer Zustand kommt auf der Erde nirgends in natürlicher Form vor. Vielmehr hat das so erhitzte Wasser Eigenschaften, wie wir sie von Plasmen in der Sonne oder in Gasplaneten wie Jupiter kennen. Allerdings ist es weniger dicht – und heißer als der Erdkern."
Scheiss-Dichte. Die weiß auch nicht, was sie will.........

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