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Das Modell zeigt, wie sich die Wassermoleküle in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) trennen.
Das Modell zeigt, wie sich die Wassermoleküle in Wasserstoff (weiß) und Sauerstoff (rot) trennen.(Foto: Carl Caleman, DESY/Universität Uppsala)
Dienstag, 15. Mai 2018

Vierter Aggregatzustand : Röntgenlaser auf Wasserstrahl geschossen

Normalerweise braucht Wasser, das man erhitzt, einige Zeit, bis es kocht. Forscher gehen einen anderen Weg. Sie beschießen Wasser mit einem Röntgenlaser und bringen dieses nicht nur zum Kochen, sondern in den vierten Aggregatzustand.

In einigen Billiardstel Sekunden haben Forscher Wasser auf 100.000 Grad Celsius erhitzt. Sie nutzten dazu einen Röntgenlaser, teilte das Forschungszentrum DESY in Hamburg mit. Von weiteren Experimenten mit dem schnellsten Wasserkocher der Welt erhoffen sich die Wissenschaftler neue Einblicke in die besonderen Eigenschaften von Wasser.

"Das ist sicherlich nicht der übliche Weg, Wasser zu kochen", sagte Forschungsleiter Carl Caleman vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY. Zusammen mit Forschern der Universität Uppsala in Schweden stellte er seine Arbeit in den "Proceedings" der US-Nationalen Akademie der Wissenschaften vor. Normalerweise würden die Wassermoleküle beim Erhitzen immer stärker in Bewegung versetzt.

Auf der molekularen Ebene ist Hitze gleich Bewegung. Je heißer, desto stärker bewegen sich die Moleküle eines Stoffs. Das lässt sich beispielsweise durch Wärmeübertragung auf einer heißen Herdplatte erreichen oder im Fall von Wasser direkter mit einem Mikrowellenofen, der die Wassermoleküle dazu anregt, im Takt der Mikrowellen zu schwingen.

Elektronen werden herausgeschlagen

"Unsere Heizung ist ganz anders", betont Caleman. "Der energiereiche Röntgenblitz schlägt die Elektronen aus den Wassermolekülen hinaus und zerstört so die Balance der elektrischen Ladung. Die Atome spüren plötzlich eine starke abstoßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen." In nur 75 Femtosekunden oder 0,000.000.000.000.075 Sekunden werde das flüssige Wasser zu Plasma. Dieses wird auch als vierter Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet. Plasma ist ein Aggregatzustand der Materie, bei dem Elektronen von den Atomen gelöst wurden. Es entsteht eine Art elektrisch geladenes Gas.

"Während aus dem flüssigen Wasser ein Plasma entsteht, behält es jedoch die Dichte des flüssigen Wassers bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich nennenswert zu bewegen", erklärt Ko-Autor Olof Jönsson von der Universität Uppsala. Dieser exotische Zustand kommt auf der Erde nirgends natürlicherweise vor. "Er hat ähnliche Eigenschaften wie einige Plasmen in der Sonne und im Gasriesen Jupiter, hat aber eine geringere Dichte", sagt Jönsson. "Dabei ist er heißer als der Erdkern."

Die Forscher hatten am US-Forschungszentrum SLAC ultrakurze und hochintensive Röntgenblitze mit dem Freie-Elektronen-Laser LCLS auf einen feinen Wasserstrahl geschossen. Die Ergebnisse haben auch Konsequenzen für die Forschung mit Röntgenlasern, mit denen Wissenschaftler unter anderem die atomare Struktur winziger Proben untersuchen.

Quelle: n-tv.de