Es bedurfte eines YouTube-Videos, eines begehbaren Gefrierschranks mit minus 20 Grad Celsius und einiger sehr kältetoleranter Ingenieurstudenten, bis Forscher endlich herausfanden, warum gefrierende Seifenblasen wie Glitzer in einer Schneekugel aussehen. Der Trick selbst ist ein beliebtes winterliches Wissenschaftsexperiment, wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen: Gehen Sie nach draußen, pusten Sie eine Seifenblase, legen Sie sie vorsichtig auf Schnee oder Eis und beobachten Sie, wie Kristalle auf der Folie herumtanzen, bis das Ganze eine zarte Eiskugel ist. Es ist visuell atemberaubend – aber bis vor kurzem wussten die Menschen nicht genau, warum Seifenblasen auf diese besondere, faszinierende Weise gefrieren.
Normalerweise, wenn ein Wassertropfen oder eine Pfütze gefriert, beginnt sie an der kältesten Stelle zu Eis zu erstarren, wo sie in Kontakt mit anderem Schnee oder Eis kommt. Frisches Eis gefriert das benachbarte Wasser, wodurch ein schöner, geordneter Verlauf über die Pfütze entsteht, der als Gefrierfront bezeichnet wird. Aber wenn man eine Blase in einem kalten Raum einfriert, ist diese Ordnung schnell dahin.
Sie beginnt normal zu wachsen und gefriert von unten, wo sie das Eis berührt, nach oben, aber dann erscheinen plötzlich Hunderte von Gefrierfronten auf der Oberfläche der Blase. „Es sieht ein bisschen aus wie die wirbelnden Kristalle, die man in einer Spielzeugschneekugel sieht. Deshalb nennen wir es Schneekugel-Effekt“, sagt Jonathan Boreyko, Co-Autor eines neuen Artikels über den Schneekugel-Effekt, der soeben in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde.
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Boreyko, ein Maschinenbauingenieur, leitet ein Labor an der Virginia Tech, das sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten beschäftigt – unter anderem damit, wie Pfützen und Tröpfchen gefrieren. Als einige seiner Doktoranden wissen wollten, ob sie untersuchen könnten, warum Blasen in populären YouTube-Videos in diesen ausgeprägten Mustern gefrieren, war er begeistert. „Ich glaube, das ist das erste Mal in meinem Leben, dass ich sagen kann, dass meine Arbeit von YouTube inspiriert wurde“, sagt Boreyko. Jahrelang haben sich der Doktorand Farzad Ahmadi und der Student Christian Kingett regelmäßig in Jacken gewickelt und sich den begehbaren Gefrierschrank eines benachbarten Labors ausgeliehen – gekühlt auf minus 20 Grad Celsius – um mit Pipetten vorsichtig Seifenblasen auf Eis aufzutragen.
Als Ergebnis all dieser kalten Arbeit fanden sie heraus, dass der Schneekugel-Effekt durch etwas angetrieben wird, das Marangoni-Strömung genannt wird. „Das ist nur ein schickes Wort für die Tatsache, dass Flüssigkeiten an einer Grenzfläche von heiß nach kalt fließen“, sagt Boreyko. Während die Blasen im Gefrierschrank gefroren, bewegte sich der noch flüssige Teil der Blase weiter, riss Eiskristalle von der wachsenden Gefrierfront ab und schleuderte sie herum. Diese Eiskristalle erzeugten jeweils ihre eigene Gefrierfront, wodurch sich die Oberfläche der Blase schneller verfestigte.
Aber wie konnten sich in einem Gefrierschrank, in dem alles die gleiche Temperatur hat, Teile der Blase so stark erwärmen, dass die Strömung entstand? „Es stellte sich heraus, dass die Antwort im Gefriervorgang selbst liegt“, sagt Boreyko. „Es ist sehr kontraintuitiv für Leute, die nicht auf dem Gebiet sind, aber wenn man Wasser einfriert, erwärmt es sich tatsächlich.“ Dieses winzige bisschen Wärme (normalerweise nur ein paar Grad) reicht aus, damit sich die Seife nach oben in die Blase bewegt, wo der Gefrierschrank sie immer noch kalt hält.
Nachdem die Studenten ein wenig aufgetaut waren, versuchten sie dasselbe Experiment bei Raumtemperatur, indem sie erneut Blasen auf einen Eisblock bliesen. Die Ergebnisse waren sehr unterschiedlich, wie Sie in diesem Video sehen können:
Anstatt vollständig zu gefrieren, hört die Gefrierfront auf halber Höhe der Blase einfach… auf. Die wärmere Luft im Raum hält die Blase in einem seltsamen Fegefeuer, bis die Luft langsam aus winzigen Löchern in der gefrorenen Hälfte der Blase zu entweichen beginnt. Die Löcher sind so klein, dass Boreyko sagt, dass es mehrere Minuten dauerte, bis einige der halb gefrorenen Blasen vollständig kollabierten.
Beide Experimente haben wild aussehende Ergebnisse, und wenn Sie in einem kalten Klima leben, bekommen Sie vielleicht die Chance, die Experimente in diesem Winter selbst zu versuchen. Alles, was Sie brauchen, ist eine Seifenlösung, eine kalte Oberfläche (wie Schnee) und einen Tag, an dem die Luft unter dem Gefrierpunkt liegt.
„Es ist ziemlich einfach für die Leute zu machen und das ist ein Teil, warum ich das machen wollte“, sagt Boreyko. „Jeder kann die Effekte selbst sehen, und das kann über das Warum hinter der Schönheit, die sie sehen, informieren, wenn sie daran interessiert sind, mehr darüber zu erfahren.“