Hochleistungslaser LCLS Im schnellsten Wasserkocher der Welt erreicht Wasser einen exotischen Zustand

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

Mit Röntgenblick die Nanowelt erkunden
Röntgenlaser XFEL
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Nach fünfjähriger Bauzeit ist die Röntgenlaseranlage European XFEL am Hamburger Stadtrand nahezu fertig. Auf einer Feier mit 400 Gästen wird die Anlage am Donnerstag (6. Oktober) symbolisch in Betrieb genommen.

Im Beschleuniger-Tunnel
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Nach der Zeremonie in der Experimentierhalle in Schenefeld wird es allerdings noch einige Zeit dauern, bis der erste Elektronenstrahl durch die 3,4 Kilometer lange Tunnelanlage rast. Zunächst muss der Elektronen-Beschleuniger auf minus 271 Grad heruntergekühlt werden, nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt. (Foto: DESY)

Start Anfang 2017
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Der erste Elektronenstrahl soll Anfang 2017 auf die Reise geschickt werden, einige Zeit später dann der erste Röntgenstrahl. Ein 1,7 Kilometer langer Linearbeschleuniger soll die Elektronenpakete auf annähernd Lichtgeschwindigkeit bringen.

XFEL-Kontrollraum
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Mit großer Spannung sehen die Forscher und Konstrukteure des europäischen Projekts dem Start des Nutzerbetriebs Mitte 2017 entgegen. Die Wissenschaftler wollen mit den ultrahellen Röntgenblitzen Prozesse in der Nanowelt sichtbar machen. (Foto: DESY)

Röntgenlaser XFEL
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Forscher hoffen, die Struktur von Biomolekülen entschlüsseln zu können. Sie wollen das Verhalten von Materie unter extremem Druck beobachten und daraus zum Beispiel Rückschlüsse auf die Verhältnisse auf anderen Planeten ziehen. (Foto: DESY)

Größter Röntgenlaser weltweit
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Der European XFEL (X-ray Free-Electron Laser) wird der größte und leistungsfähigste Röntgenlaser weltweit sein. Die USA und Japan haben bereits derartige Anlagen, allerdings nicht mit der Kapazität. Auch Korea und die Schweiz bauen eigene Röntgenlaser. (Foto: DESY)

XFEL-Zentrale in Hamburg
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An dem europäischen Konsortium sind 17 Forschungseinrichtungen beteiligt. Die Federführung liegt beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg, das auch Hauptgesellschafter des European XFEL ist. (Foto: DESY)

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.

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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1 Kommentar zu "Hochleistungslaser LCLS: Im schnellsten Wasserkocher der Welt erreicht Wasser einen exotischen Zustand"

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  • „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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