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Eis und heiss: Erforsche die Schmelzwärme

Der Winter ist die perfekte Zeit für Experimente mit Eis und Schnee. Ein ganz einfaches habe ich heute für euch – Aber Achtung! Es besteht die Gefahr, dass es das ein oder andere Weltbild erschüttert!

Wenn man etwas in einen Topf füllt und das Ganze auf dem Herd erhitzt, wird es stetig wärmer. Klar. Wärme ist schliesslich eine Form von Energie, die von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann, und dabei nicht verloren gehen darf….Wirklich? Habt ihr schon einmal versucht, Eiswasser zu erwärmen?

Ihr braucht dazu

  • einen Herd
  • einen kleinen Kochtopf (der Topf auf dem Artikelbild ist zu gross bzw. enthält zu wenig Eis!)
  • Eis oder Schnee von draussen oder Eiswürfel aus dem Tiefkühlfach (ihr solltet den Topf gut damit füllen können)
  • kaltes Leitungswasser
  • einen Kochlöffel zum Rühren
  • ein Thermometer mit einem Anzeigebereich mindestens von -10°C bis +50°C, besser +100°C
  • etwas zum Schreiben (z.B. Tafel oder Notizblock)
  • ggfs. eine Uhr

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Füllt Eis oder Schnee in den Topf und gebt ein wenig kaltes Wasser dazu. Der Boden des Topfes sollte mindestens 1cm hoch mit Wasser bedeckt sein (das Thermometer muss eintauchen können).
  • Messt sofort die Temperatur des Eiswassers und notiert sie
  • Stellt den Topf mit dem Eiswasser auf den Herd und heizt langsam ein. Rührt dabei laufend um.
  • Behaltet das Thermometer dabei im Wasser. Beobachtet während des Rührens die Anzeige. Ihr könnt in regelmässigen Zeitabständen die Temperatur notieren.

Was ihr beobachten könnt

  • Die Temperatur steigt von negativen Werten bis auf 0°C, zunächst aber nicht nennenswert darüber hinaus!
  • Das Eis schmilzt langsam, sobald eine Temperatur von 0°C erreicht ist.
  • Erst nachdem alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers merklich an.
Nach dem Schmelzen steigt die Temperatur schnell an.

Erst nachdem das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur schnell an. Damit dieses Phänomen deutlich messbar wird, solltet ihr den anfangs gut mit Eis und mit wenig Wasser gefüllten Topf langsam erwärmen!

Was passiert da?

Die Energie in Form von Wärme, die von der Herdplatte ausgeht, scheint zu verschwinden, anstatt in den Topf und seinen Inhalt über zu gehen! Laut dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist aber genau das – das Auftauchen oder Verschwinden von Energie aus bzw. in dem Nichts – verboten!

Aber keine Sorge – ich habe die Physik nicht aus den Angeln gehoben. Der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, die während des Schmelzvorgangs in dem verflüssigten Stoff “gespeichert” wird. Was Energie eigentlich ist und in welcher Weise sie umgewandelt und weitergegeben werden kann, hat sie uns in diesem Artikel übrigens selbst verraten.

Warum nun ein Schmelzvorgang Energie erfordert, und in welcher Weise sie in geschmolzenen Stoffen Eingang findet, erkläre ich anlässlich meines persönlichen AHA-Erlebnisses mit diesem Experiment hier genauer. Kurzum: Wärme ist eigentlich nichts anderes als Bewegung – und alle Stoffe bestehen aus mehr oder minder bewegten kleinen Teilchen. Beim Schmelzen gewinnen diese Teilchen ein neues “Level” der Bewegung, das wir nicht als Wärme wahrnehmen – sondern als veränderte Beweglichkeit des ganzen Stoffes: Was vorher fest und greifbar war, ist nach dem Schmelzen flüssig und rinnt uns durch die Finger!

Wie ihr noch weiter forschen könnt

Die Schmelzwärme lässt sich wieder freisetzen

Natürlich könnt ihr die in Beweglichkeit verwandelte Energie wieder zurück verwandeln. Stellt einen Behälter mit dem eben geschmolzenen Wasser einfach ins Tiefkühlfach – oder, wenn es draussen friert, auf die Terrasse oder den Balkon. Mit der Zeit wird das Wasser wieder erstarren, und die zum Schmelzen aufgewandte Energie geht dabei in Form von Wärme in die Umgebung über. Auf dem Balkon oder der Terrasse verliert sich diese Wärme schnell.

Wenn ihr aber einen freistehenden Tiefkühlschrank verwendet, fühlt einmal an dessen Rückseite. Die ist ganz warm! Sollte sie auch – der Tiefkühlschrank ist schliesslich eine Maschine, die ihrem Innenraum Wärme entzieht – auch die Schmelzwärme aus den Dingen, die wir darin “einfrieren”. Und laut den Gesetzen der Thermodynamik muss diese Wärme irgendwo hin  – vorzugsweise nach draussen. Genau da befördert die Tiefkühlschrank die Energie aus seinem Inhalt über verschiedene Stationen und Umwandlungen hin.

Verdampfungswärme: Das Gleiche “in Grün”

Wenn ihr ein Thermometer habt, das auch bei über 100°C noch funktioniert, könnt ihr das Experiment auf dem Herd einfach weiter laufen lassen. Nach dem Schmelzen der Eiswürfel wird die Temperatur des Wassers stetig ansteigen – bis sie rund 100°C erreicht. Das Wasser wird sieden und die Temperatur wird wieder weitgehend gleich bleiben – bis das Wasser vollständig verdampf ist. Erst der Wasserdampf kann theoretisch eine Temperatur über 100°C erreichen.

Auch das Verdampfen – der Vorgang, bei welchem eine Flüssigkeit zu einem Gas wird, verleiht dem Stoff ein neues Beweglichkeits-Level, das zu erreichen Energie erfordert.

Diesen Umstand habt ihr sicher schon einmal am eigenen Leib erlebt: Wenn ihr aus der warmen Dusche oder Badewanne steigt, verlangt es euch sicher ganz schnell nach einem Handtuch. Das warme, flüssige Wasser auf eurer Haut neigt nämlich dazu, recht rasch zu verdunsten – d.h. vor Erreichen des Siedepunkts zu Wasserdampf zu werden. Die dazu nötige Verdampfungswärme bezieht das Wasser dabei aus seiner Umgebung – und bedient sich dabei fleissig an eurer Körperwärme. Der Körper quittiert das dementsprechend ungehalten: Er signalisiert “es ist kalt!” – und ihr friert im eigentlich warmen Badezimmer!

Wenn es im Sommer richtig heiss ist, nutze ich diesen Effekt übrigens gerne aus: Ich tränke einen Sonnenhut aus Stoff mit Wasser – das nicht unbedingt kalt sein muss – und setze ihn triefnass auf. Sonne und Umgebungswärme lassen das Wasser im Hut rasch verdunsten, wobei es einen guten Anteil der nötigen Verdampfungswärme aus meinem Kopf bezieht – der so überschüssige Körperwärme einfach los wird. So bewahre ich auch bei Hitze buchstäblich “einen kühlen Kopf” – zumindest so lange, bis alles Wasser aus dem Hut verdunstet ist.

Habt ihr schon mit Schmelz- oder Verdampfungswärme experimentiert? Wenn nicht, probiert es unbedingt aus. Ich wünsche euch viel Spass dabei!

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Eis und heiss: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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DIY Spektroskop im Advent

Dieser Beitrag füllt das 8.Türchen von Tabeas wunderbarem Blogventskalender auf habutschu.com. Jeden Tag findet ihr dort eine neue Überraschung für einen spannenden und stimmungsvollen Advent!

Türchen 8 im Blogventskalender!

Advent, Advent, ein Lichtlein brennt…das ist die Gelegenheit, sich die Wartezeit aufs Christkind zu vertreiben und ein Geheimnis des Lichts zu erforschen: So baut ihr euer eigenes Spektroskop – mit ein paar Kleinigkeiten aus eurem Alltag!

Die meisten Lichtquellen im Alltag erscheinen uns weiss oder zumindest gelblich weiss. Dazu zählen auch die vielen Kerzenflammen, die sich in der Advents- und Weihnachtszeit Räume und Gemüt erhellen. Nun ist Weiss eigentlich gar keine Farbe, sondern ein Gemisch aus vielen Farben, das unsere Augen als weiss wahrnehmen. Und eine Farbe ist unsere Wahrnehmung der Wellenlänge der jeweiligen Lichtwelle.

Wie farbiges Licht entsteht, und was Atome mit den Farben in der Welt zu schaffen haben, erfahrt ihr in meinem Beitrag zu “Farben, Licht und Glanz“.

Der Umstand, dass Licht aus Wellen besteht und verschiedenfarbiges Licht verschiedene Wellenlängen hat, erlaubt es euch, das Wellengemisch in weissem Licht gemäss den Brechungsgesetzen der Physik nach Farben zu “sortieren”. Dazu könnt ihr entweder ein Prisma verwenden – einen geometrischen Körper aus Glas oder Kristall – oder eine CD (Compact Disc). Denn die unsichtbar feinen Rillen, in welchen die Daten auf der Scheibe aufgereiht und abgelesen werden, brechen das Licht nach den gleichen Gesetzen wie ein Prisma. Bestimmt sind euch die regenbogenfarbigen Muster auf CDs schon aufgefallen.

Tatsächlich genügt es schon, eine CD schräg ins Licht zu halten, um einen bunten Regenbogen – das Spektrum des Lichtes – zu sehen. Wenn ihr darüber hinaus die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Lichtquellen beobachten möchtet, müsst ihr das Licht, welches auf die CD fällt, auf einen engen Raum begrenzen. Das geht am einfachsten, indem man das Licht durch einen engen Spalt in eine ansonsten dunkle Kammer mit einer CD fallen lässt. Und genau solch eine Kammer könnt ihr euch ganz einfach bauen!

Ihr braucht dazu

  • Eine leere Keksschachtel o.Ä
  • Eine alte CD oder einen CD-Rohling (keine DVD*!)
  • Ein Cuttermesser oder eine spitze Schere
  • Ein Stück Pappe zum Unterlegen
  • Klebeband
  • Bleistift und Winkelmesser
  • Zur Verschönerung: etwas Geschenkpapier oder ähnliches

Das braucht ihr für das DIY - Spektroskop

*Eine DVD unterscheidet sich von einer CD darin, dass in der DVD mehrere Schichten mit Datenrillen übereinander liegen. So wird das Licht, das auf eine DVD fällt, auch an mehreren Schichten gebrochen. Ihr würdet deshalb mit einem DVD-Spektrometer quasi “doppelt sehen”. Funktioniert natürlich auch, kann aber stören, wenn es um die Feinheiten geht.

Wie ihr das Spektroskop baut

  • Öffnet die Keksschachtel an beiden kurzen Enden vorsichtig, sodass ihr sie flach auf den Tisch legen könnt.

Keksschachtel flach gefaltet

  • Markiert auf beiden langen, schmalen Seiten auf gleicher Höhe einen Winkel von 60°, indem ihr die beiden Schenkel über die breite Seite hinweg miteinander verbindet.

So zeichnet ihr den ersten Winkel ein!

So zeichnet ihr den ersten Winkel von 60°.


So zeichnet ihr die Verbindungslinie!

Die Verbindungslinie beginnt am oberen Schenkel des Winkels: Die 0-Linie des Geodreiecks liegt auf dem Falz der Schachtel!


So zeichnet ihr den zweiten Winkel ein!

Klappt die Schachtel um wie auf dem Bild. Der schräge Schenkel des zweiten Winkels berührt ebenfalls die Verbindungslinie. So liegen sich beide Winkel genau gegenüber, und ihr könnt später die CD hineinschieben!

  • Legt die Pappe zwischen Ober- und Unterseite der Schachtel und schneidet entlang der durchgezogenen gerade schwarzen Linien (NICHT die Unterseite der Schachtel mit einschneiden!). Entfernt das auf der breiten Seite ausgeschnittene Rechteck, sodass ein Loch zum Hineinschauen bleibt.
Das rechteckige Okular wird ausgeschnitten!

Das geschlossene Rechteck auf der breiten Seite wird ausgeschnitten. Dort könnt ihr später in das Spektroskop hinein schauen!

  • Schneidet einen waagerechten Schlitz in die Verschlusslasche am anderen Ende der Schachtel. Für einen Schlitz von 1mm Breite macht zwei parallele Schlitze und trenn das Stück Pappe dazwischen vorsichtig heraus. Für einen schmaleren Schlitz klebt einen Streifen Klebeband über den breiten Schlitz und ritzt das Band über dem Schlitz einmal ein.
Schmaler Schlitz mit Klebeband

Ein breiterer Schlitz kann mit Klebeband überklebt und anschliessend eingeritzt werden. So entsteht ein sehr schmaler Spalt, der euch ein detailreiches Spektrum beschert!

  • Faltet die Schachtel wieder auf und klebt die beiden Enden sorgfältig wieder zusammen (der Schlitz muss frei bleiben!).

Keksschachtel mit Vorzeichnung und fertiges Spektroskop

  • Schiebt die CD in den 60° geneigten Spalt (Die “Datenseite” zeigt zum Schlitz!) und fixiert sie mit Klebeband. Achtet darauf, etwaige Ritzen sorgfältig zuzukleben, damit kein Streulicht hindurchscheinen kann. Klebt dann das Loch in der Mitte und die spiegelnde Fläche in der Nähe des Sichtlochs ab.

CD mit Klebeband fixiert

  • Wenn ihr das Spektroskop verschönern möchtet, hüllt die Keksschachtel zum Schluss in Geschenkpapier (auch hier muss der Schlitz frei bleiben!).

Das Spektroskop in weihnachtlichem Kleid

Wie ihr das Spektroskop benutzt.

Richtet den Schlitz auf eine Lichtquelle. Schliesst ein Auge und bringt das andere seitlich nah an das Sichtloch. Oder ihr schaut mit beiden Augen über das CD-Ende hinweg in das Sichtloch. Bewegt das Spektrometer ggfs. vorsichtig, bis das Licht durch den Schlitz auf die CD fällt. Ein dunkles Tuch über eurem Kopf und der Spektrometer-Dose kann dabei helfen, Streulicht auszusperren.

Spektroskop im Einsatz

Ein wenig höher als hier müsste ich es halten, damit das Licht der Kerzenflamme direkt durch den Schlitz fällt!

Sobald ihr die richtige Position gefunden habt, seht ihr Regenbogenfarben auf der schrägen CD unter dem Sichtloch: Das weisse Licht besteht aus vielen verschiedenen Farben, die alle in unterschiedlichem Winkel gebrochen werden! Alle Farben zusammen ergeben das Spektrum des Lichtes.

Wenn ihr Fotos machen möchtet, stellt das Spektroskop so ab, dass der Schlitz sich auf Höhe eurer Lichtquelle befindet. Richtet Licht und Gerät so aus, dass ihr des Spektrum im Guckloch sehen könnt.

Spektroskop in Aktion - und die Hände sind zum Fotografieren frei!

Das Spektroskop in Position: So könnt ihr das Spektrum eines Teelichts beobachten und habt die Hände zum Fotografieren frei!

Platziert dann das Objektiv eurer Kamera direkt auf dem Guckloch (ein Makro-Objektiv oder -modus ist dabei von Vorteil!). Stellt das Bild so gut wie möglich scharf und haltet beim Auslösen still. Wenn ihr ein Stativ und einen Fernauslöser verwenden möchtet, könnt ihr das Spektrometer auch auf die schmale Kante stellen, sodass das Sichtloch nach vorne zum Objektiv zeigt.

Welche Lichtspektren ihr sehen könnt

Das Spektrum einer Kerzenflamme ist durchgehend von blauviolett bis tiefrot: Die Flamme strahlt gleichmässig Licht in allen Farben ab. Wenn ihr Kochsalz in die Flamme bringt, kann im orangegelben Bereich eine hellere Linie sichtbar werden: Natrium-Atome strahlen Licht mit zwei dicht benachbarten Wellenlängen im gelben Bereich ab!

Wenn es auf eurer Strasse gelbe Strassenlaternen – Natrium-Dampflampen – gibt, könnt ihr auch in ihrem Licht die gelbe(n) Natrium-Linie(n) ausmachen!

Wenn ihr das Spektrum der Sonne betrachtet (Achtung! Beim Ausrichten NIE direkt in die Sonne schauen!), erscheinen feine, dunkle Linien im Regenbogen: Die Sonnen-“Atmosphäre” enthält verschiedene Atome, vor allem Wasserstoff und etwas Helium, die Licht mit bestimmten Wellenlängen schlucken, sodass es nicht hier auf der Erde ankommt. Deshalb können Astronomen mit Hilfe von Spektrometern herausfinden, welche Atome in Sternen enthalten sind! Mehr dazu erzähle ich in meiner Weihnachtsgeschichte um das Spektrum des Weihnachtssterns.

Das Spektrum einer Leuchtstoffröhre besteht aus mehreren dicken, voneinander getrennten farbigen Linien. In Leuchtstoffröhren wird mit Hilfe von Quecksilberdampf UV-Licht erzeugt, dass Leuchtstoffe auf der Innenwand der Röhre zur Fluoreszenz bewegt: Das UV-Licht hebt Elektronen auf bestimmte höhere Energieniveaus, von wo sie in wohldefinierten Schritten zurückkehren und dabei Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen, die wir im Spektrum sehen, abstrahlen.

Welche Spektren findet ihr noch? Weitere Anregungen und tolle Fotos findet ihr auf dieser (englischsprachigen) Seite!

Hast du das Experiment nachgemacht

DIY-Spektroskop: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Wie fliegen Helikopter?

Gestern habe ich ab der Funktion eines Helikopters gestaunt. Fliegt der wirklich nur von der Kraft der Propeller?

Die ist die Leserfrage der Woche. Und ganz kurz vorweg genommen: Die Antwort lautet “Ja”.

In der Tat ist es ein atemberaubendes Spektakel, wenn sich solch eine unförmige Maschine sich unter grossen Getöse wie von Zauberhand in die Lüfte erhebt. Und spätestens, wenn die Schweizer Armee am Züri-Fest ihre gewaltigen “Super-Pumas” zur Flugshow entsendet, wird diese Frage vielen Zuschauern auf der Zunge liegen: Wie fliegt so ein Heli bzw. Hubi (vom in Deutschland gebräuchlicheren “Hubschrauber”)?

Seit wann gibt es Helikopter?

Das physikalische Phänomen, das Hubschrauber zum Fliegen bringt, ist schon seit Jahrhunderten bekannt. So hat schon Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert seine Idee zu einer “Flugschraube” skizziert. Diese Bezeichnung kommt der Bedeutung des Wortes “Helikopter” übrigens näher als “Hubschrauber”: Es setzt sich nämlich aus den griechischen Wörtern “helix” für Schraube und “pteron” für Flügel zusammen. Ein “heliko-pteron” wäre damit so etwas wie ein Schraubflügler – oder eben eine Flugschraube.

Während die Jahrhunderte vergingen, haben sich viele Erfinder an der Idee der Flugschrauben versucht – darunter mit Jakob Degen übrigens einer, der mit mir den bürgerlichen Namen teilt. Da eine Schraube zum Fliegen jedoch einen leistungsfähigen Antrieb braucht, wurden Helikopter erst im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen des Verbrennungsmotors wirklich nutzbar. Den entscheidenden Kick erfuhr die Hubschrauber-Forschung wie so oft durch das Militär während der beiden Weltkriege. So kamen bereits zum Ende des zweiten Weltkriegs die ersten Militär-Helikopter in Serie zum Einsatz.

Wie fliegt ein Hubschrauber?

Die meisten zivilen Helikopter sind heutzutage einheitlich aufgebaut: Über dem Rumpf befindet sich ein grosser, mehrflügeliger Rotor, der in waagerechter Ausrichtung um eine senkrechte Achse kreist. Dazu kommt ein “Schwanz”, der nach hinten aus dem Rumpf ragt und meist mit einem kleineren Heck-Rotor bestückt ist.

Für das Fliegen ist der grosse Haupt-Rotor zuständig. Der besteht nämlich aus mehreren Rotor-Blättern, die im Querschnitt – also wenn man sie kurzerhand absägen würde – etwa so aussehen:

Querschnitt durch ein Rotorblatt

By Dhaluza (http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PSU-90-125.PNG) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Die Skizze erinnert nicht umsonst an eine Flugzeug-Tragfläche. Flugzeuge und Hubschrauber nutzen nämlich das gleiche physikalische Phänomen zum Fliegen: Der Bernoulli-Effekt.

Wie Flugzeuge fliegen

Ein Flugzeug wird durch Propeller oder Düsen-Triebwerke geradeaus bewegt – und die Tragflächen bewegen sich mit dem stumpfen Ende voran mit. Dabei durchschneiden sie die Luft, welche als “Fahrtwind” oberhalb und unterhalb der Tragfläche entlangströmt. Durch die Wölbung ist der Weg obenherum allerdings länger als untenherum. Dabei bewegen sich alle Teile der Tragfläche (und des Flugzeugs) mit derselben Geschwindigkeit – legen also in einer bestimmten Zeit dieselbe Strecke zurück. Die “Hälften” der Luft, die von der vorderen “Kante” der Tragfläche durchschnitten wird, müssen so an der hinteren Kante nach dem gleichen Zeitabschnitt wieder zusammenfinden. Das bedeutet: Die Luft muss obenherum schneller strömen als untenherum, um den Umweg um die Wölbung zu schaffen.

Die schneller strömende Luft führt zu einem Überdruck unterhalb der Tragfläche im Verhältnis zum Druck darüber (bzw. zu einem Unterdruck oben im Verhältnis zum Druck unten). Wenn dieser Überdruck bzw. der “Auftrieb” durch eine ausreichend schnelle Strömung stark genug wird, um die Schwerkraft zu überwinden, drückt er mit den Tragflächen das gesamte Flugzeug nach oben – es fliegt!

Und beim Heli dreht sich alles im Kreis

Die Rotorblätter eines Hubschraubers funktionieren genauso: Der Druckunterschied, welcher entsteht, wenn die Rotorblätter durch die Luft schneiden, hebt den Rotor mitsamt dem daran hängenden Helikopter empor. Der entscheidende Unterschied zum Flugzeug besteht darin, dass die Rotorblätter sich im Kreis bewegen. Dadurch können sie einen Auftrieb erzeugen, ohne dass der Hubschrauber sich vorwärts bewegen muss. Er kann deshalb senkrecht starten und landen und – wenn es dem Piloten gelingt, die Schwerkraft durch den Auftrieb genau auszugleichen – sogar in der Luft “stehen”!

Da man aber letztlich auch mit dem Helikopter von A nach B gelangen möchte, hat der Pilot die Möglichkeit, seine Rotorblätter so zu kippen, dass der Rotor das Fluggerät nicht senkrecht, sondern leicht schräg nach oben hebt. So kommt zur Bewegung durch den Auftrieb nach oben ein nach vorn gerichteter Anteil – also ein Vortrieb. Je nach Einstellung der Rotorblätter kann dieser Anteil auch nach links, rechts oder hinten gerichtet sein – und der Heli fliegt seitswärts oder rückwärts!

Wozu der Heckrotor dient

Doch dieser super-manövrierfähige Antrieb hat einen Haken: Wenn man einen Kreisel bzw. Rotor auf einen frei schwebenden Gegenstand montiert, versetzt der sich drehende Kreisel unweigerlich auch den Gegenstand in eine Drehbewegung. In einer einfachen Kanzel mit Hubschrauber-Rotor würde dem Piloten deshalb ganz schnell übel und er hätte keine Chance, die Kontrolle über sein Gefährt zu behalten.

Deshalb haben die meisten Helikopter einen Ausleger am Rumpf, dessen Ende mit einem kleineren, senkrecht ausgerichteten Rotor ausgestattet ist. Dieser erzeugt nach dem gleichen Prinzip der Hauptrotor einen Druckunterschied, der zur Bewegung führt – seiner senkrechten Ausrichtung wegen aber nicht aufwärts, sondern vorwärts – und zwar der Kreisel-Bewegung des Rumpfes genau entgegengesetzt! So verhindert der Heckrotor, dass der Hauptrotor den ganzen Rumpf in Drehung versetzt.

Sehr eindrücklich wird das in vielen Actionfilmen dargestellt: Wenn dort einem Hubschrauber der Heckrotor weggeschossen wird, fängt der Rumpf unter dem unbeschädigten Hauptrotor an zu kreiseln und das Ganze stürzt hollywoodmässig spektakulär in die nächste Haus- oder Bergwand.

Der Heckrotor ist übrigens der lauteste Teil eines Helikopters, weshalb auch andere Lösungen für das Kreiselproblem gefunden und umgesetzt wurden.

Dazu gehören zum Beispiel zwei Hauptrotoren an der selben Antriebsachse, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. So hindern sich die beiden Rotoren gegenseit daran, den Rumpf in Drehung zu versetzen. Eine andere Lösung sind zwei oder mehr räumlich voneinander getrennte Rotoren mit einander ausgleichenden Drehrichtungen.

Flugschrauber im Kleinformat

Eine Hubschrauber-Variante aus den 1920er Jahren, die sich während des zweiten Weltkriegs ihrer komplizierten Bauweise wegen nicht durchsetzen konnte, erlebt heute im Kleinformat ein regelrechtes Revival: Der Quadrocopter. Dieses Fluggerät besitzt vier Rotoren an den vier “Ecken” des Vehikels. Je zwei und zwei drehen sich in entgegengesetzter Richtung und halten das Fluggerät nach Wahl sehr ruhig oder äusserst manövrierfähig in der Luft.

Heute begegnet einem dieses Fluggerät in der Regel unbemannt – als Drohne, wie man sie mittlerweile in jedem Kaufhaus erwerben kann, um den Helikopterflug im Kleinformat zu beobachten und selbst auszuprobieren.

Und seit ihr schonmal mit einem richtigen Helikopter geflogen? Oder habt ihr eine Drohne selbst gesteuert?

Lavalampe im Glas

Ihr kennt sie bestimmt – die spacige Leuchte, die in den 1970ern erstmals trendete: Die Lavalampe. Ich habe sie als Teenager während ihres Wiederauflebens in den 1990er Jahren kennengelernt und bestimmt so manche Stunde die auf- und absteigenden lavaartigen Blasen darin beobachtet.

Heute verrate ich euch, wie die geheimnisvollen Lavalampen funktionieren – und wie ihr den Effekt mit einem schnellen, einfachen Experiment nachstellen könnt!

 

Wie funktioniert eine Lavalampe?

Eine Lavalampe enthält zwei unterschiedlich farbige Flüssigkeiten, die sich nicht miteinander mischen. Wenn man die Lampe einschaltet, beginnt die eine Flüssigkeit in lavaartigen Blasen in der anderen Flüssigkeit aufzusteigen – und nach ein wenig Zeit wieder abzusinken. Doch was bewegt die “Lava” in der Lampe?

Die Dichte ist der Schlüssel

Zu den ganz “persönlichen” Eigenschaften jedes Stoffs zählt das Gewicht, welches eine ganz bestimmte Menge dieses Stoffs auf die Waage bringt. Mit anderen Worten: Ein Liter massives Holz ist leichter als ein Liter Wasser. Beides können wir problemlos mit einer Hand heben. Einen Liter Blei zu heben, würde jedoch eine grosse Kraftanstrengung erfordern: Blei ist sehr viel schwerer als die beiden erstgenannten Stoffe.

Physiker und Chemiker sagen: Blei hat ein viel höheres spezifisches Gewicht – bzw. eine viel höhere Dichte – als Wasser oder Holz.

Wie kommt das?

Das Metall Blei besteht sehr dicht gepackten Atomen, deren Atomkerne wiederum aus vielen, d.h. über 200 dicht gepackten Kernteilchen bestehen. Dahingegen besteht Wasser aus Wasserstoff- (1 Kernteilchen) und Sauerstoff-Atomen (16 Kernteilchen), die in kleinen, gegeneinander leicht beweglichen Molekülen miteinander verbunden sind. Diese Anordnung braucht deutlich mehr Platz als die Atom-Packung im Metall.

Kurz und kindgerecht gesagt: Die Blei-Teilchen sind tatsächlich “dichter” beieinander als die Wasserteilchen, sodass in einem Liter Blei mehr Teilchen auf der Waage liegen und so mehr Gewicht zusammenbringen als in einem Liter Wasser.

Von der Dichte zur Schwimmfähigkeit

Wenn man zwei Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen, zusammengibt, schwimmt stets die weniger dichte Flüssigkeit auf der dichteren (das gilt übrigens auch für feste Körper in Flüssigkeiten – so lange man Begleitumstände wie Oberflächenspannung oder das geschickte Ausnutzen des Auftriebs durch Formgebung vernachlässigen kann).

Damit ein Stoff abwechselnd auf einer Flüssigkeit schwimmen und darin sinken kann, muss er also seine Dichte ändern.

In der Lavalampe: Dichteänderung durch Temperatur

Für die meisten Stoffe gilt: Wenn sie wärmer werden, nimmt ihre Dichte ab. Das liegt daran, dass die Teilchen eines Stoffes um so zappeliger sind, je wärmer sie es haben. Die Temperatur eines Stoffes ist damit ein Mass für die Zappeligkeit seiner Teilchen. Und Teilchen, die zappelig sind – also in ihrer festen Anordnung hin und her schwingen oder in einer Flüssigkeit oder einem Gas umeinander wuseln, brauchen dafür mehr Platz als ruhigere Teilchen. So finden in einer warmen Portion eines Stoffs weniger Teilchen Platz als in einer kalten Portion des selben Volumens.

Deshalb ist unten im Sockel einer Lava-Lampe eine Heizung eingebaut. Diese Heizung erwärmt die “Lava”, die im kalten Zustand dichter ist als die klare Flüssigkeit um sie herum. Sobald die Dichte der “Lava” unter die Dichte der klaren Flüssigkeit sinkt, steigt die Lava brockenweise auf bis ans obere Ende des Gefässes (die Nicht-Mischbarkeit der Flüssigkeiten sorgt dabei für die runden Formen: nicht-mischbare Stoffe bevorzugen möglichst kleine Grenzflächen zueinander!).

Oben im Lampengefäss ist es kühler, sodass die “Lava” abkühlt und ihre Dichte zunimmt. Sobald sie die Dichte der klaren Flüssigkeit übersteigt, sinken die Lavabrocken wieder auf den Boden der Lampe, wo sie wiederum erwärmt werden.

Dabei sind die beiden Flüssigkeiten so gewählt, dass ihre Dichten sehr nah beieinander liegen. So genügen wenige Grad Temperaturunterschied, um das Verhältnis der Dichten umzukehren.

Experiment: Lava-Effekt im Glas

Du kannst das Geschehen in einer Lavalampe ganz einfach und ohne Heizung – dafür weniger dauerhaft – mit ein paar Haushaltszutaten nachstellen!

Du brauchst dazu

  • Ein hohes Trinkglas oder ähnliches Glasgefäss
  • Leitungswasser
  • Speiseöl
  • Kochsalz
  • Teelöffel
  • Evtl. Lebensmittelfarben

So führst du das Experiment durch

  • Fülle das Glas halb mit Wasser
  • Gib dann Speiseöl vorsichtig dazu (das Öl schwimmt auf dem Wasser – seine Dichte ist geringer als die von Wasser!), bis sich eine mindestens 1 cm dicke Schicht gebildet hat

Öl schwimmt auf Wasser

  • Streue vorsichtig erst wenig, dann mit dem Teelöffel mehr Salz in das Öl

Das kannst du beobachten

Das Salz fällt durch die Ölschicht, ohne dass es sich auflöst. An der Grenzfläche zwischen Öl und Wassser lösen sich Tropfen aus der Ölschicht und fallen mit dem Salz durch das Wasser auf den Glasboden. Binnen einiger Sekunden lösen sich die Ölblasen wieder vom Glasboden und steigen wieder zur Ölschicht auf. Das Salz bleibt am Glasboden zurück. Mit mehr Salz lässt sich das beliebig wiederholen.

Lavalampe in Aktion

Wenn du es spektakulär und farbig magst, kannst du Öl und Wasser auch mit unterschiedlichen Lebensmittelfarben einfärben und so eine ganz bunte “Lavalampe” kreieren.

Was passiert im Glas?

Kochsalz löst sich nicht in Öl (so wie Öl sich nicht in Wasser löst). Die Dichte des Gemischs aus Öl und Salz ist allerdings grösser als die von Wasser. So sinkt das Öl-Salz-Gemisch durch das Wasser nach unten.

Salz löst sich sehr gut in Wasser: Es zieht die Wechselwirkung mit Wasser derer mit dem Öl vor: Das Salz sinkt innerhalb der Öltropfen nach unten (Salz ist sowohl dichter als Öl, als auch dichter als Wasser), soweit es nicht sogar vom umgebenden Wasser herausgelöst (extrahiert) wird. Das salzfreie Öl mit geringerer Dichte löst sich schliesslich von dem Salz am Boden des Glases ab und steigt wieder zur Ölschicht auf.

So lange du noch Salz zum Nachstreuen hast, kannst du diesen “umgekehrten” Lavalampen-Effekt immer wieder beobachten!

Entsorgung

Wasser, Öl und Salz sind Lebensmittel, die in den Abfluss entsorgt werden können. Seife hilft dabei, Ölreste vom Glas zu lösen.

Und nun wünsche ich dir viel Spass mit deiner Lava im Glas!

Hast du das Experiment nachgemacht: 

DIY-Lavalampe: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Wasser ist spooky: Ein Zaubertrick für Gross und Klein

Bald ist Halloween: Für viele kleine und grosse Hexen und Zauberer rückt damit ein grosser Tag immer näher. Aber was wäre, wenn ihr im schaurig-schönen Kostüm auch tatsächlich zaubern könntet? Ich habe einen einfachen, aber verblüffenden Zauber für euch, mit dem ihr an eurer Halloween-Party sicher für Aufregung sorgen könnt! Und um Ärger mit dem EZD (dem Eidgenössischen Zauberei-Departement…) zu vermeiden, gibt’s auch eine wasserdichte naturwissenschaftliche Erklärung dazu.

Von Harry Potter zum verhexten Wasser

Bestimmt kennst du Harry-Potter – und vielleicht auch seine wilde Begegnung mit einem Drachen in “Harry Potter und der Feuerkelch”. Um eine Aufgabe in einem Wettkampf zu erfüllen, muss Harry diesem Drachen in einer Arena ein Ei entwenden. Um überhaupt eine Chance gegen den wildgewordenen Feuerspeier zu haben, ruft der Jungzauberer  dazu mit einem einfachen Zauber seinen Flugbesen in die Arena. Die Wirkung des Spruchs: Der Besen saust von seinem Lagerplatz ausserhalb der Arena auf den Zauberstab und seinen Besitzer zu.

Diesen Kunstgriff kannst auch du ganz einfach nachmachen – vielleicht nicht mit einem Besen und nicht über eine so grosse Entfernung – aber mit einem einfachen Kunststoff-Zauberstab und Wasser. Und schon das wird deine Freunde verblüffen und vielleicht sogar zum Gruseln bringen!

Was du dazu brauchst

  • Einen Wasserhahn am Waschbecken oder einem Getränkespender – hauptsache, du kannst einen millimeterdünnen Wasserstrahl daraus fliessen lassen
  • Einen Kunststoff-Zauberstab (ein Spielzeug ist ebenso geeignet wie der Einweg-Plastiklöffel, den ich verwende – aber probiere das Experiment vor der grossen Aufführung aus, denn nicht jeder Kunststoff funktioniert gleich gut!)
  • Ein Kleidungsstück aus echter Wolle – zum Beispiel ein Schal, Wollhandschuhe oder eine Strickjacke. Besonders eindrücklich wirkt das Ganze, wenn das Woll-Stück Teil deines Kostüms ist.

Wie du den Zauber vorführst

  1. Öffne den Wasserhahn nur ein wenig, sodass so gerade eben ein stetiger, aber millimeterdünner Wasserstrahl herausläuft.
  2. Reibe deinen Zauberstab kräftig mit dem Kleidungsstück aus Wolle (ein guter Zauberer “beschäftigt” sein Publikum währenddessen anderweitig, zum Beispiel im Gespräch).
  • Führe den Stab vorsichtig in die Nähe des Wasserstrahls und sprich “Accio Wasserstrahl!”. Berühre dabei in keinem Fall das Wasser mit dem Stab!
  • Der zuvor senkrecht fallende Strahl wird sich in Richtung des Stabes krümmen!
dünner Wasserstrahl und verhextes Wasser
Links: Ein dünner Wasserstrahl – Rechts: “Accio Wasserstrahl” – deutliche Krümmung um einen elektrostatisch aufgeladenem Plastik-Löffelstiel!

Was dabei passiert

Letzte Woche habe ich ein Experiment gezeigt, das einen Hinweis darauf gibt, wie Wasser und andere Stoffe aufgebaut sind: Wasser besteht, wie andere Stoffe, aus ganz vielen winzig kleinen Teilchen. Die Wasserteilchen haben dabei eine besondere Eigenschaft: Sie sind elektrisch geladen!

Über elektrisch geladene Teilchen

Elektrisch geladene Teilchen spielen in unserem Alltag eine grosse Rolle. So fliessen solche Teilchen durch Stromkabel, wenn wir das Licht einschalten, und bringen die Lampe zum Leuchten. Diese Teilchen haben meist nur eine Ladung – und die ist positiv (+) oder negativ (-). Dafür, dass solche Teilchen überhaupt strömen, sorgt eine grundlegende physikalische Gesetzmässigkeit: Gleichartige Ladungen stossen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an. So bewegen sich die negativ geladenen “Strom-Teilchen” oder “Elektronen” vom negativ geladenen Minuspol einer Stromquelle weg und zum positiv geladenen Pluspol hin.


Wasserteilchen tragen dagegen zwei verschiedene Ladungen: Wie ein Magnet tragen sie an jeder Seite eine! (Da zwei verschiedene Ladungen einander aufheben, merkt man das den winzigen Wasserteilchen mit unseren groben Sinnen normalerweise nicht an.)

Wasserteilchen mit zwei Ladungs-Schwerpunkten
Ein Wasserteilchen trägt zwei elektrische Ladungen: Die negative Seite (-) ist rot, die positive Seite (+) ist blau schattiert.

Das führt dazu, dass die Plus-Seiten der Wasserteilchen die Minus-Seiten anziehen und umgekehrt. Im Wasser ordnen sich die Teilchen daher so, dass Plus-Seiten den Minus-Seiten gegenüber liegen und niemals gleiche Seiten einander zugewandt sind:

Wasserteilchen: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

Der Kunststoffstab besteht dagegen zunächst aus ungeladenen Kunststoff-Teilchen. Durch das Reiben an der Wolle wird er jedoch aufgeladen (die Wolle übrigens auch – du kannst vielleicht die darauf folgenden Entladungen in der Wollkleidung knistern hören). Wenn er danach in die Nähe des Wasserstrahls kommt, ordnen sich die Wasserteilchen so, dass ihre dem Stab entgegengesetzt geladene Seite zum Stab weist. Die Anziehungskraft zwischen den verschiedenen Ladungen zieht die Teilchen so aus ihrer Flussrichtung – der Wasserstrahl krümmt sich in Richtung des Stabes!

Damit wünsche ich dir viel Spass beim Zaubern – und erzähl doch mal, wie es funktioniert hat!

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Krummer Wasserstrahl: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

Quanten zum Anschauen: Materiewellen sichtbar gemacht

Dieser Artikel ist ein Beitrag zum ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017. Ich freue mich sehr, nach 2015 und 2016 einmal mehr dabei sein zu dürfen! Deshalb gibt es ihn für einmal auswärts zu lesen – und eure Mitwirkung ist gefragt!

Quanten sind in aller Munde – sie werden rege diskutiert und als Erklärung für allerlei Wundersames ge- oder sogar missbraucht. Da verwundert es nicht, dass die Quanten selbst sich in meinen Beitrag eingeschlichen haben und höchstselbst einen grundlegenden Einblick in ihre Welt geben. Wie sich zeigt, ist diese gar nicht so übernatürlich wie sie vielen scheint – sondern wir Menschen sind sie einfach nicht gewohnt.

Was die Quanten Spannendes über ihre ungewohnt seltsame Welt zu erzählen haben, könnt ihr in meinem Wettbewerbsbeitrag auf Astrodicticum Simplex nachlesen und eure eigene Stimme beim Leser-Voting hinterlassen. Dabei könnt ihr sogar etwas gewinnen!

Eine Übersicht über alle teilnehmenden Artikel findet ihr hier. Einzelheiten zu Ablauf und Abstimmung sind am Anfang dieses und des Wettbewerbsbeitrags verlinkt!

Und für alle, die eine Kurzform bevorzugen, habe ich das Geheimnis der Quantenwelt in einem weiteren kleinen Gastbeitrag auf 100Wörter.de auf gerade einmal 100 Worte komprimiert – fast schon Quanten-Massstab für meine Verhältnisse!

Dieser Artikel enthält Affiliate-Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Ich habe für diese Rezension ein Rezensionsexemplar des Buches erhalten. Es besteht kein Interessenkonflikt hinsichtlich des Inhalts in diesem Beitrag und dessen Publikation.

Die Geschichten in Keinsteins Kiste drehen sich in der Regel um den Alltag von heute – und der allein hat reichlich Spannendes zu bieten. Und manchmal scheint es gar so, als wäre die Wissenschaft fertig, könne alles erklären, was das Leben bietet, als könne die Technik alles leisten, was man zum Leben braucht. Und doch erwarten uns im Alltag von morgen unzählige neue Geschichten, die heute noch geradezu unglaublich klingen mögen – oder eben nach Science Fiction. Und genau diesen Geschichten widmet sich der Physiker Gerd Ganteför in seinem spannenden Buch “Heute Science Fiction, morgen Realität? – An den Grenzen des Wissens und darüber hinaus”.

[…]Doch Forschung ist nie am Ende und die Faszination der Wissenschaft ist ungebrochen, so Ganteför. Schliesslich gebe es Tausende von offenen und sehr spannenden Fragen.

Gibt es ein Ende der Welt? Sind wir dazu verurteilt, alt und schwach zu werden und zu sterben? Gibt es ausserirdisches Leben? Werden wir neue und unerschöpfliche Energiequellen entwickeln?

Diese und viele andere Fragen aus verschiedenen Diziplinen der Naturwissenschaft, die heute längst nicht nur Wissenschaftler bewegen, diskutiert Ganteför in seinem Buch – und die Häufigkeit, mit welcher er dabei zu der Antwort “möglich” oder gar “bald möglich” kommt, lässt mich staunen.

Zum Inhalt des Buches

Gibt es eigentlich noch etwas zu entdecken oder wissen wir schon alles? Werden wir immer einen Grossteil unseres Lebens arbeiten müssen, um unseren Lebensunterhalt zu verdienen? Wird es immer Krankheiten geben? […] Werden wir jemals die Sterne erreichen?

Diese Fragen, welche am Anfang des Buches stehen, lassen schon erahnen, dass die Forschung nicht nur in Ganteförs Augen noch lange nicht “fertig” ist. Es gibt noch zahlreiche spannende und überaus weltbewegende Fragen zu beantworten. Überdies sind Visionen und die Forschung daran notwendig für eine weitere Entwicklung und damit den Erhalt der menschlichen Zivilisation.

So soll Ganteförs Buch in einer Zeit, in welcher viele Menschen dem wissenschaftlichen Fortschritt skeptisch gegenüber stehen, Möglichkeiten bzw. Chancen für die Bewältigung der heutigen grossen Probleme der Gesellschaft, die die Wissenschaft von morgen eröffnet, aufzeigen. Dazu sollen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft die Grenzen des heutigen Wissens aufgezeigt werden, um dann einen Blick darüber hinaus auf das zu wagen, was uns hinter diesen Grenzen Aufregendes und Nützliches erwartet.

Ganteför beginnt seinen Rundgang ganz und gar nicht bescheiden mit dem Universum selbst. Zu Beginn miit den Eckdaten unseres Kosmos ausgerüstet geht es an die Fragen nach einer zweiten Erde irgendwo da draussen und möglichem Leben darauf. Mit Wasser scheint beides möglich, doch angesichts des unermesslichen Platzes im Universum und der Zeit, die die Evolution benötigt, ist laut Ganteför fraglich, ob zwei intelligente Zivilisationen in erreichbarer Nähe und zeitgleich erscheinen.

Daraus ergibt sich förmlich die Frage nach Reisen zu den Sternen. Da der Hyperraum uns, könnten wir ihn erreichen, uns der unverletzlichen Kausalität wegen die Rückkehr verweigern und das Beamen an den gleichen unfasssbaren Ressourcenmengen, wie sie schon Lawrence M. Krauss vor 19 Jahren in “Die Physik von Star Trek” beschrieb, scheitern würde, bleibt uns für Langstreckenreisen im Weltraum letztlich die Kombination von Fusionsenergie und einem Staubstrahltriebwerk, das seinen Treibstoff während seiner Reise aus dem Raum aufliest.

Bei der näheren Betrachtung möglicher Energiequellen der Zukunft beschreibt Ganteför neben schwarzen Löchern als recht unwahrscheinliche künftige Energiequelle die Fusionsreaktoren, an welchen heute schon geforscht wird. Die Kernfusion bekommt man darin sogar hin – allerdings sie die Geräte für irgendeine Anwendung noch bei Weitem zu sperrig.

So wendet sich Ganteför als nächstes den Visionen der Biologie zu. Können die Dinosaurier wiederz um Leben erweckt werden? Das ist seit Jurassic Park wohl eine der populärsten Fragen an die Biologie. Unglücklicherweise hält sich DNA, wie gut sie auch konserviert ist, nicht länger als etwa eine Million Jahre, was die Dinos unerreichbar macht. Der Wiederbelebung in jüngerer Zeit ausgestorbener Arten sind Wissenschaftler jedoch aufregend nahe gekommen – wie auch der Molekularbiologie Martin Moder in “Treffen sich zwei Moleküle im Labor” zu berichten weiss.

Eine weitere grosse Frage der Biologie ist jene nach dem Ursprung des Lebens – der heute im Umfeld heisser Quellen am Meeresgrund vermutet wird, wo die ersten Moleküle, die sich selbst reproduzieren können, entstanden sein mögen. Und da man über derartige Moleküle schon ziemlich viel weiss, ist laut Ganteför auch eine “synthetische” Biologie von Menschenhand designter Lebewesen denkbar.

Die grossen Visionen der Medizin sind bei Ganteför die Fragen nach der Heilbarkeit aller Krankheiten einschliesslich Nervenverletzungen durch Unfälle, nach einem ewigen Leben oder zumindest einem verlangsamten Altern und der Erschaffung von “Supermenschen”. In allen drei Bereichen führt Ganteför das Verstehen von Körperfunktionen im ganz Kleinen (also auf molekularer Ebene) als Voraussetzung für diese grundsätzlich möglichen Errungenschaften an und gewährt spannende Einblicke in Gegenstände heutiger Forschung unter anderem zu personalisierter Medizin, Regeneration von Nervengewebe und zu den möglichen Gründen dafür, dass wir altern.

Von der Regeneration von Nervengewebe geht es im Kapitel “Geist und Bewusstsein” zu den Möglichkeiten der Direktverbindung zwischen Computer und Gehirn: Kann man Daten von einem Computer ins Gehirn laden – oder umgekehrt den Inhalt eines Gehirns samt Bewusstsein auf einen Computer-Speicher schreiben? Können Computer Gedanken lesen? Oder gar selbst eine künstliche Intelligenz entwickeln? Was hier reichlich nach Fantasy klingt, ist tatsächlich Gegenstand heutiger Forschung, die Ganteför hier vorstellt.

Von den Visionen geht es schliesslich zu den Grenzen des Wissens in der Physik: Zunächst gibt Ganteför eine Übersicht über das heute etablierte, wenn auch nicht ganz problemfreie Standardmodell der Teilchenphysik, aus welchem sich die Fragen nach einer Weltformel, nach der Natur von Raum und Zeit und Teilchen als solchen bis hin zur Bedeutung des erst vor wenigen Jahren experimentell bestätigten Higgs-Feldes ergeben.

Neben den Teilchen gehören auch scheinbar unverrückbare Naturgesetze und -konstanten zu unserer heutigen physikalischen Welt. Warum die Naturgesetze so sind, wie sie sind, was die Werte der Naturgesetze bestimmt und warum in unserem Universum Leben möglich ist, sind heute noch weitgehend offene Fragen.

Auch das Universum selbst wirft noch unbeantwortete Fragen auf. Heute ist die Urknall-Theorie als Entstehungsgeschichte des Universums anerkannt, obwohl sie Fragen offen lässt: Warum gibt es im Universum keine Antimaterie? Expandierte das Universum am Anfang seines Daseins mit Überlichtgeschwindigkeit? Was war vor dem Urknall? Was ist dunkle Materie und woher kommt die dunkle Energie?

Das elfte und letzte Kapitel ist schliesslich eine Zusammenfassung des vorangehenden bunten Reigens von Visionen und offenen Fragen.

Mein Eindruck vom Buch

Gerd Ganteför bietet seinen Lesern einen spannenden und für Laien gut verständlichen Rundgang durch die Themen der Forschung von morgen: Da erwartet uns in Zukunft viel Aufregendes, das sich in Ganteförs überaus klarem und nüchternem Schreibstil sehr angenehm lesen lässt.

So vielfältig die diskutierten Fragen sind, so oberflächlich werden die einzelnen Forschungsgebiete im begrenzten Umfang des Buches auch dargestellt. Das wird besonders in den Kapiteln deutlich, welche Themen behandeln, die mir besonders vertraut sind: Dort sind mir wiederholt kleine inhaltliche Ungenauigkeiten ins Auge gefallen, wie das Aufzählen der Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante ohne zu erwähnen, dass Licht sich nur im Vakuum mit dieser Geschwindigkeit bewegt, oder die Behauptung, man sei heute noch nicht in der Lage, Energie aus Masse zu gewinnen (genau das ist die Grundlage der Energiegewinnung mittels Kernspaltung!).

Solche Ungenauigkeiten zu erwähnen mag als Korinthenkackerei angesehen werden, aber ich vermag nicht einzuschätzen, inwiefern sie auch in den Abschnitten auftauchen, die mir weniger vertraute Themen behandeln und dort womöglich zur Entstehung fehlerhafter Vorstellungen beitragen.

Wer sich für die beschriebenen Themengebiete näher interessiert, findet jedoch in den Literaturlisten am Ende jedes Kapitels reichlich vertiefendes Material zum Weiterlesen. Dabei kommen auch und vor allem die Netz-Nutzer unter den Lesern nicht zu kurz, denn erstaunlich viele Verweise führen zu Wikipedia und andere Wissens-Sammlungen (was in meinen Augen für die zunehmende Qualität der Inhalte solcher Portale spricht).

Darüber hinaus stellt Ganteför die behandelten Visionen und Möglichkeiten auffallend unkritisch dar. So findet man in seinem Buch keine tödlichen Designerviren, feindlichen Alien-Zivilisationen, ethischen Diskussionen über Tierversuche zur Wiederbelebung ausgestorbener Arten oder Nebenwirkungen von “Verbesserungen” von Menschen.

Das entspricht der Zielsetzung, die der Autor gemäss Einleitung mit seinem Buch verfolgt: Nämlich in einer Zeit, in welcher Wissenschafts- und Fortschritts-Skeptiker vielerorts den Ton angeben, einen positiven Einblick in die Möglichkeiten, die uns die Forschung in Zukunft eröffnen kann, zu gewähren. Und diese Möglichkeiten sind gemäss Ganteför dafür geeignet, die grossen Probleme der Menschheit zu lösen.

Für eine sachliche Diskussion der Möglichkeiten und Anforderungen künftigen wissenschaftlichen Fortschritts an die Gesellschaft liefert das Buch nur eine Seite der Medaille. Wenn man die andere Seite durch den verbreiteten Wissenschafts-Skeptizismus als gegeben annimmt, liefert “Heute Science Fiction, morgen Realität” ein wohltuendes, wenn nicht gar aufregendes Gegengewicht zu weit verbreitetem Pessimismus und vielfältiger Panikmache.

Eckdaten rund um das Buch

(*)

Textlink (Amazon): Gerd Ganteför: Heute Science Fiction, morgen Realität? – An den Grenzen des Wissens und darüber hinaus (*)
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016
Hardcover, 224 Seiten
ISBN: 978-3-527-33881-8

 

Fazit

Mit “Heute Science Fiction, morgen Realität?” bietet Gerd Ganteför auch und gerade absoluten Wissenschafts-Laien einen spannenden und leicht verständlichen Einblick in die Möglichkeiten der Wissenschaft von morgen, welche ebenso vielfältig bunt sind wie das Cover des Buches. Doch dank ebendieser Themenvielfalt bin auch ich als “Wissenschafts-Profi” bei der Lektüre hier und da ins Staunen gekommen.

Die dargestellten Visionen kritisch zu betrachten und ethische Gesichtspunkte abzuwägen bleibt dabei ganz dem Leser überlassen. Wer gerne unkritisch staunt und sich von spannenden Aussichten verzaubern lässt, wird in diesem Buch eine kurzweilige und letztlich auch ermutigende Lektüre finden.

Und was ist eure liebste Zukunfts-Vision?

Collage Sonnenfinsternis

Sommerzeit ist Zeit für die Natur – zum Beobachten und Staunen. Und dieses Staunen über die Natur hat mich schon zeitlebens begleitet – und schliesslich zur Blogparade “Augen auf! Wo mich die Natur zum Staunen bringt“, die noch bis zum 4.9.2016 läuft, inspiriert. Dieser besondere Beitrag dazu – auf dem Blog, der sich ums Staunen dreht, enthält meine Erinnerungen an den Sommer 1999, als meine Schule zum anlässlich eines ganz besonderen Naturereignisses einen klassenübergreifenden Schulausflug veranstaltete: Am 11. August 1999 war über Süddeutschland eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten!

Von Zeit zu Zeit geschieht es, dass der Mond für einige Minuten zwischen Sonne und Erde gerät, damit den Sonnenstrahlen im Weg ist und so einen Schatten auf die Erde wirft. Tatsächlich kommt der Mond auf seiner Bahn sogar jeden Monat in der Region zwischen Sonne und Erde vorbei. Als Resultat dessen weist seine bestrahlte Seite an solchen Tagen von uns weg, sodass wir den Mond nicht sehen können: Es ist Neumond.

Da jedoch die Mondbahn um etwa 5° gegen die Erdumlaufbahn um die Sonne geneigt ist, gerät der Mond den Sonnenstrahlen dabei gewöhnlich nicht direkt in den Weg. Wenn er jedoch ausgerechnet an Neumond auch die Erdbahn um die Sonne kreuzt, wird es auf der Erde dort, wo der Schatten des Mondes hinfällt, auch am helllichten Tag kurzzeitig dunkel. Nicht stockdunkel, aber es bleibt doch nur noch 1/10.000 bis 1/100.000 der normalen Tageshelligkeit.

Denn wie es der Zufall will, reicht die Grösse des Mondes aus, um die Sonne von vielen Positionen auf seiner Umlaufbahn gerade vollständig zu verdecken. Wenn das geschieht, spricht man von einer totalen Sonnenfinsternis. Der Schatten, welchen der Mond dabei wirft, ist allerdings nur bis zu 300 Kilometer breit, und den Bereich der Erde, welcher sich während der Finsternis unter diesem Schatten hindurchdreht, wird Kernschattenzone genannt.

Von einem Bereich wenige Tausend Kilometer ausserhalb der Kernschattenzone gesehen gerät der Mond hingegen nur teilweise zwischen Erde und Sonne – und verdeckt auf diese Weise unser Zentralgestirn nur teilweise. Das Ergebnis ist eine partielle – teilweise – Sonnenfinsternis, wie sie in der Schweiz zuletzt 2015 zu beobachten war.

Und schliesslich kann es vorkommen, dass der Mond im Augenblick einer Sonnenfinsternis zu weit von der Erde entfernt ist, als dass er die Sonne vollständig verdecken könnte. Dann kommt es zu einer ringförmigen Sonnenfinsternis, bei welcher die Sonne rings um den zu klein erscheinenden Mond weiter strahlt.

Da ich in Neuss am Niederrhein, im nördlicheren Westen Deutschlands zur Schule ging, war zur Beobachtung der wirklich totalen Sonnenfinsternis eine mehrstündige Reise nach Süden in die Kernschattenzone unabdingbar – in unserem Fall nach Baden-Württemberg ins Schwabenland. Ich durfte dabei sein, da ich den Grundkurs Physik bei Herrn G. gewählt hatte, welcher Teil der Sonnen-Pilgergruppe war. So sind wir noch vor dem Morgengrauen mit zwei Reisebussen in Neuss gestartet, um bescheidenen Wetterprognosen zum Trotz nach der verfinsterten Sonne zu suchen.

Und ich habe damals mit 17 Jahren während des Ausflugs Protokoll geführt und es über all die Jahre aufbewahrt. Nun ist es an der Zeit, meine wohl älteste Geschichte über die spannende Natur auch offen zu erzählen:

11.8.1999, 3:05

Meine innere Uhr war wieder zuverlässiger als der Wecker: Um punkt 2:55 bin ich aufgewacht, früh genug, um ihn leise zu stellen. Meine Rückenschmerzen sind leider nicht weg, wie ich gehofft habe, aber damit werde ich wohl leben müssen, wenigstens heute noch.

3:55

Mittlerweile sitzen wir im Bus und warten auf Herrn G. und die anderen Begleitungslehrer. Dann kann es von mir aus losgehen. Inzwischen ist Herr T., unsere “weibliche Begleitperson”, eingetroffen und versucht uns zu zählen. Auch Herr S. zeigt sich inzwischen, wahrscheinlich sitzt Herr G. im vorderen Bus. Gerade hält “Sigi”, der Busfahrer, eine Ansprache und aktiviert den “Impulsantrieb” [Ich war zu jener Zeit ein fanatischer Trekkie – man sehe mir daher die Star Trek-Vokabeln nach!]. Es geht los!

5:00

Es ist immer noch dunkel und wir fahren ohne Störungen immer weiter gen Karlsruhe. Gerade wurde in den Nachrichten eine Wetterprognose durchgesagt: Die besten Chancen auf Wolkenlücken gibt es in Saarbrücken, was heisst,  dass wir mit Karlsruhe eine gute Wahl getroffen haben [das ursprünglich geplante Ziel war Stuttgart, jedoch war dort nicht mehr mit freiem Himmel zu rechnen, sodass unsere Reiseleitung kurzfristig umdisponiert hatte].

Die Kernschattenzone der totalen Sonnenfinsternis vom 11. August 1999 vom Atlantik her nach Europa, durch Süddeutschland und am Nordrand der arabischen Halbinsel vorbei bis nach Indien. Die Randzone, in welcher eine partielle Sonnenfinsternis beobachtet werden konnte, erstreckte sich über den Osten Nordamerikas, ganz Europa, einen Grossteil Asiens und Nordafrika.
Animation des Verlaufs von Kernschatten- und Randzone der Sonnenfinsternis am 11.8.1999

Animation des Verlaufs von Kernschatten- und Randzone der Sonnenfinsternis am 11.8.1999

So hatten grosse Teile der Weltbevölkerung Gelegenheit – so denn das Wetter mitspielte – dieses Ereignis zu beobachten, und dementsprechend schlug es auch weltweit hohe Wellen in der Öffentlichkeit.

Ausserdem wurde berichtet, dass in Rio de Janeiro irgend so ein bekloppter Gefängniswärter alle seine wegen Mordes verurteilten Gefangenen freigelassen und sich mit ihnen besoffen hat, da er mit dem Weltuntergang rechnete. Also wenn jemand sagt, der Mensch wäre in den letzten Jahrhunderten irgendwie klüger geworden, muss ich ihm wohl unrecht geben! Heutzutage wird noch genauso viel Furore von wegen Weltuntergang um die Sonnenfinsternis gemacht wie es früher der Fall war, und es wird allerhöchstwahrscheinlich genauso laufen wie immer: Es wird ganz normal Donnerstag werden, dann Freitag, und so weiter.

Es gibt zahlreiche Überlieferungen quer durch die Weltgeschichte, in welchen die kurzzeitige Verdunklung der Sonne als Unglücks-Zeichen oder Missfallen der Götter gedeutet wird (die in der Bibel beschriebene mehrstündige Verfinsterung anlässlich der Kreuzigung Jesu gehört übrigens nicht dazu, denn der Tag der Kreuzigung ist auf einen Feiertag im jüdischen Kalender festgelegt, der niemals auf Neumond fällt).

So soll der griechische Philosoph und Mathematiker Tales von Milet in der Zeit eines Krieges zwischen Medern und Lydern (vermutlich 585 oder 581 v.Chr.) eine Sonnenfinsternis – als einer der ersten Menschen überhaupt – vorausberechnet haben. Als diese dann auch tatsächlich geschah, waren die Kriegsparteien so vom Unmut ihrer Götter erschüttert, dass sie ihre Kriegshandlungen schnellstens eingestellt und Frieden geschlossen haben sollen.

Solcher Aberglaube hat sich auch bis in die heutige Zeit, in der man die Umlaufbahnen von Monden und Planeten kennt und ziemlich genau berechnen kann, erstaunlich gut erhalten. Tatsächlich griffen solche Strömungen schon 1999, relativ zu Beginn des Internet-Zeitalters, derart um sich, dass selbst ich als astronomiebegeisterter Teenager ihren Einflüssen nicht ganz entkommen konnte.

Inzwischen haben wir den Rasthof Brohltal passiert und es beginnt zu dämmern. Ich habe meinen ersten Hunger mit einem Mettwurstbrot gestillt. Draussen giesst es in Strömen.

6:01

Die Fahrt verläuft weiterhin ohne Zwischenfälle. Mittlerweile ist es fast ganz hell, selbst die Bäume, die als letztes Farbe “annehmen”, sind nun grün. Wir sind jetzt irgendwo südlich von Koblenz mitten im Wald und es kommt gerade kein Schild. Eben setzte das Radio wieder ein, es hatte vorhin von einer Sekunde auf die andere aufgehört zu laufen. Ein Funkloch? Jedenfalls war das Einzige, das wir den Nachrichten entnehmen konnten, dass Millionen von Menschen nach Süden strömen (werden), um die Sonnenfinsternis zu sehen.

Wir sind jetzt 38 Kilometer vor Mainz und hören gerade, dass der Papst [damals Johannes Paul II.], ein “grosser Fan von himmlischen Ereignissen” mit seinem “Privatflugzeug” abheben und die Finsternis aus der Luft beobachten will. “Fan von himmlischen Ereignissen”, wie das schon klingt…

Jetzt haben wir schon ein Loch in den Wolken und eine Menge Hoffnung auf gutes Wetter, auch wenn die Meteorologen anderer Meinung sind. Inzwischen sind wir bei Bad Kreuznach und es ist fast taghell.

6:55

Schon wieder ist eine Stunde rum und immer noch keine Komplikationen. In wenigen Kilometern erreichen wir eine Raststätte und machen eine halbe Stunde Pause. Eigentlich könnte ich jetzt durchfahren. Aber wir werden schon langsamer, gehen in den “Orbit” um die Raststätte. Argh! Jetzt ist mir der Deckel vom Stift runtergefallen! – Jetzt heisst es aussteigen.

7:34

Die Pause ist vorbei und die “Impulstriebwerke” laufen wieder auf Hochtouren. In der Raststätte habe ich endlich ein Mittel gegen den rebellischen Rücken gefunden: Eine Tasse heissen Kamillentee. Der soll einerseits bei Verdauungsstörungen helfen, andererseits gibt er an Ort und Stelle Wärme ab, ist also eine Wärmflasche von innen. Warum bin ich darauf nicht schon früher gekommen? Für den Tee und eine Laugenbrezel habe ich 4,50 DM ausgegeben.

Jetzt sind wir wieder unterwegs nach Karlsruhe (ein Hinweisschild habe ich schon vor der Pause gesehen). Gerade sagen sie im hessischen Rundfunk, dass sie in den letzten Tagen die begehrten Finsternisbrillen verlost haben, und dass sie ab morgen wieder überall günstig zu haben sind.

Die Sonne sendet grosse Mengen Licht, aber auch unsichtbare UV- und Infrarotstrahlung bis zur Erdoberfläche. Unsere Augen sind dafür geschaffen, den sichtbaren Anteil dieser Strahlen, wenn sie von unserer Umgebung gestreut und zurückgeworfen werden, mittels lichtgetriebener chemischer Reaktionen zu “sehen”.

Wenn wir allerdings mit unserem Blick direkt die Sonne am Himmel streifen, ist uns das in der Regel höchst unangenehm. Und das aus gutem Grund: Die geballte Strahlung direkt aus der Sonne reicht, bei längerer Einwirkung als nur einen Augenblick, aller abschirmenden Atmosphäre zum Trotz aus, um nicht nur die Chemie in den Sehzellen unrettbar durcheinander zu bringen, sondern auch um die Netzhautzellen regelrecht zu grillen. Und unsere Netzhaut hat selbst keine Schmerz-Sensoren, sodass wir das noch nicht einmal mitbekommen!

Mit anderen Worten: Der direkte Blick in die Sonne, länger als für eine kurze Streifung, kann zur Erblindung führen! Und das gilt selbst für kleinste Bereiche der noch sichtbaren Sonnenscheibe während einer Finsternis! Deshalb müssen für direkte Beobachtung der Sonne hoch leistungsfähige Filter verwendet werden.

Im Vorfeld einer Sonnenfinsternis gab und gibt es deshalb spezielle “Sonnenfinsternis-Brillen” im Handel: Papp-Gestelle, in welchen eine spezielle Mylar-Folie anstelle von Gläsern angebracht ist. Diese Folie ist mit einer dünnen Schicht Aluminium oder einer Chrom-Legierung versehen, die mindestens 99,997% des auf sie treffenden sichtbaren Lichts und mindestens 99,5% der Infrarot-Strahlung einfach spiegelt anstatt sie durchzulassen. Die verbleibenden 0,003% des sichtbaren Sonnenlichts reichen aus, um die Finsternis eindrücklich und sicher zu verfolgen. Der gleiche Effekt kann mit Schweisserglas Stufe 14 erreicht werden. Alle anderen Hilfsmittel sind als Sonnenfilter mehr oder minder ungenügend! Für optische Geräte wie Teleskope, die die Sonnenstrahlung naturgemäss bündeln, müssen sogar noch stärkere Filter verwendet werden, die unbedingt vor das Objektiv gehören, wo sie das Licht filtern, bevor es in das Gerät fällt.

[Die Handschrift wird plötzlich unsauber.] Was ist denn hier mit der Autobahn los? Die ist ja ganz hubbelig!

Mittlerweile haben wir nur noch eine dünne Wolkendecke und hoffen alle, dass wir einen mehr oder weniger klaren Himmel haben werden, auch wenn Herr G. schon ganz skeptisch zum Himmel geschaut hat.

8:20

Wir haben den ersten Stau. Wir bewegen uns schrittweise durch einen Wald. Gerade haben Nacera [meine Schulkameraden aus Marokko und ebenfalls ein “Nerd”] und ich in einer Zeitschrift einen Artikel über kollidierende Galaxien gelesen, als wir feststellten, dass die “Impulstriebwerke” auf Leerlauf geschaltet sind. Ein sicheres Zeichen dafür, dass wir die Kernschattenzone bald erreicht haben dürften.

Je näher wir unserem Ziel kommen, desto mehr festigt sich meine Einstellung, dass das ganze Getue mit dem Weltuntergang reiner Unsinn ist.

8:33

Hoppla! Wir sind ja schon in Karlsruhe! Da waren Nacera und ich so in Zeitschrift und Aufzeichnungen vertieft, dass wir das gar nicht gemerkt haben. Jetzt müssen wir nur noch heil zum Messeplatz gelangen.

9:14

Der “Messeplatz” war gar kein Messeplatz, sondern ein “Messplatz” mit einer Strassenbahnhaltestelle namens “Tullastrasse”. Nach einer gründlichen Analyse des Fahr- und Linienplans sind Nacera und ich überein gekommen, in die andere Richtung zu fahren als die anderen, und haben uns prompt verfahren. Jetzt sind wir mit der Linie 2 unterwegs zum Hauptbahnhof um erstmal einen Stadtplan zu finden.

9:54

Wir haben den Schlossplatz gefunden! Hier wird ab 11:12:12 eine Vertonung der Sonnenfinsternis stattfinden. Auf den Wiesen vor dem Schloss und an den Brunnen lagern bereits einige hundert Leute, und es treffen ständig neue ein. Die Himmelsrichtung Süden zu bestimmen war eine Kleinigkeit, da schon mehrere Fernrohre aufgebaut und ausgerichtet sind. Rund um den Schlossplatz haben sich Fressbuden, Bierzelte, mobile Toiletten und eine Unfall-Hilfestelle der Malteser geschart, und ein Streifenwagen fährt Patrouille.

Alles in allem riecht es hier nach Abenteuer und wir sitzen tatsächlich schon zeitweise in der Sonne, auf dem Rand eines Brunnens zwischen riesigen Lautsprecherboxen.

10:47

Es wird kalt. Aber nicht, weil es dunkel wird, sondern weil eine Wolke vor der Sonne vorbei zieht. Wenn sie in wenigen Minuten vorbei ist, kommt wieder ein Abschnitt mit vielen Sonnenlöchern. Jetzt füllt sich der Schlossplatz so langsam, und mittlerweile ist eine ganze Armada von optischen Geräten auf die Sonne gerichtet.

Nacera und ich haben gerade die Lektüre über einige unglaubliche Energiequellen beendet. Zwei Flugzeuge mit riesigen Bannern ziehen ihre Kreise, leider zu hoch um lesen zu können, was draufsteht. Noch sind die Sonnenstrahlen in einer Wolkennische sichtbar und die Sonnenfilterbrillen werden fleissig erprobt. Die Spannung steigt.

11:12:12

Eine Leuchtrakete wird abgeschossen. Der Beginn der ersten Phase der Sonnenfinsternis wird mit einem elektronischen Tusch eingeleitet. Und genau in diesem Moment schiebt sich eine dicke Wolke davor. Na toll! Die Glocke am Schloss läutet, die Motoren der Flugzeuge rumoren und die Menge ist frustriert.

11:36

Ein Raunen geht durch die Menge. Die Sonne blinzelt durch die Wolken. Ich setze meine Brille auf. Als sich meine Augen an den Filter gewöhnt haben, stelle ich fest, dass die Sonne wie ein angebissener Keks aussieht, der Mond schiebt sich aus dem Nordwesten darüber. Dann legen die “Musiker” los. Es ist faszinierend.

12:00

Gerade beschert uns eine dicke Wolke eine Pause und ich merke – Irrtum! Keine Pause! Die Musik setzt wieder ein und ein Riesenloch erreicht die Sonne, die inzwischen eher wie eine Mondsichel aussieht. Die Schatten der Leute weisen zwar auf die Mittagssonne hin, aber die Intensität des Lichts ist schon merklich geringer.

Ich hatte das Glück, auch die partielle Sonnenfinsternis im März 2015 am späten Vormittag in der Schweiz beobachten zu können. Solch ein Ereignis ist bei klarem Himmel auch nicht zu verpassen, denn selbst bei einer nur teilweisen Bedeckung der Sonne durch den Mond – damals waren “nur” maximal 2/3 bis 3/4 der Sonnenscheibe verdunkelt – nimmt die Helligkeit des Tages merklich, um nicht zu sagen dramatisch ab. Ähnlich wie am 11. August 1999 um 12 Uhr mittags wurde das Licht auch an jenem Tag in der Schweiz schwächer, irgendwie fahl – ähnlich einer vorzeitigen Abendstimmung.

12:15

Die elektronische Musik weist neben Vogelstimmen jetzt erstmals vereinzelt Akkorde auf. Durch vorbeiziehende Wolken glaubt man den Mond wandern zu sehen. Der grosse Augenblick ist nahe und die Wetterprognose ist astrein. Unterhalb der Sonne hängt ein roter Luftballon einsam im Himmel. Der Wind wird merklich kühler.

12:22

Die Finsternis geht ihrem Höhepunkt entgegen. Die Sichel der Sonne misst scheinbar nur noch Millimeter, das Licht wird immer schwächer und die Buh-Rufe der Schaulustigen wegen Wolkenfetzen werden vom Donnern der Lautsprecher begleitet.

12:29

Plötzlich nimmt das Licht ruckartig ab, die Sichel wird kürzer, die Musik weist geheimnisvolle Akkorde auf, Leuchtraketen werden abgeschossen, Jubelschreie werden laut, alle stehen auf wie zum Gebet, wir nehmen die Brillen ab.

12:30

Corona.

Totale Sonnenfinsternis am 11.8.1999, aufgenommen in Frankreich

Totale Sonnenfinsternis am 11.8.1999, aufgenommen in Frankreich. Luc Viatour www.lucnix.be [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

12:40

Es wird erstaunlich schnell wieder hell. Wir werfen letzte Blicke auf die wieder aufflammende Sonne, da die nächsten Wolken nahen. Ich erinnere mich an einen Stern, der unterhalb der Corona stand, wohl ein Planet. Es war überwältigend.

Die Korona ist die Atmosphäre der Sonne – auch wenn man die freilich nicht atmen sollte. Sie besteht nämlich aus ionisiertem Plasma, also elektrisch geladenen Atom-Trümmern, und ist mit einigen Millionen °C um Vieles heisser als die Oberfläche der Sonne mit ihren rund 5000°C. Warum die Korona so furchtbar heiss ist, weiss man noch nicht genau.

Voraussetzung dafür ist jedenfalls, dass die Korona eine sehr geringe Dichte hat, also aus sehr dünn verteilten Teilchen besteht. Denn die Temperatur ist letztlich unsere Wahrnehmung der Bewegungsenergie und damit der Geschwindigkeit dieser Teilchen. Und die brauchen Platz, wenn sie so unglaublich schnell werden wollen, ohne sich ständig ins Gehege zu kommen und einander auszubremsen. Die hohe Temperatur der Korona führt auch dazu, dass sie von sich aus leuchtet, wenn auch längst nicht so stark wie die Sonne selbst. Deshalb wird die Sonnenatmosphäre auch nur während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar, wenn der Mond das Licht der Sonne vollkommen “ausblendet”.

Im Jahr 1999 hatten wir das Glück, dass die Sonne zum Zeitpunkt der Finsternis eine besonders aktive Phase hatte, wie sie alle 11 Jahre vorkommt. So konnte man mit ein wenig vergrössernder Optik in der Korona zahlreiche Protuberanzen beobachten. Das sind Ausbrüche von Materie aus der Sonnenoberfläche, die bei einer Dicke von bis 5000km bis zu 40.000km über die Sonnenoberfläche und damit auch deutlich über den Rand des Mondes hinausragen können. Auf dem Foto sind sie als rote Schleifen, die von der Sonne in die Korona hineinragen, zu erkennen.

Den Beginn und das Ende der totalen Phase markieren übrigens jene Augenblicke, in welchen die letzten Sonnenstrahlen durch die Zacken der Mondgebirge hindurch auf die Erde blinzeln. Das Ergebnis ähnelt einem Sonnenauf- oder untergang in den Bergen: Dort, wo die Sonnenstrahlen ihren Weg durch eine Spalte finden, funkelt der Berg – oder der Mond- gleich einem riesigen Brillianten. Deshalb wird diese Erscheinung des “funkelnden” Mondes vor der Sonnen auch “Diamantring-Effekt genannt.

Jetzt wird aus der fälschlichen Abendstimmung eine fälschliche Morgenstimmung, so auch die Musik: Die “aufgehende” Sonne wird von vogelartigen Klarinettentönen begleitet, die Sichel wächst im Walzertakt. Mittlerweile glaubt man wieder den Mond zu sehen, der da durch die Wolken blinzelt, so ähnlich sieht ihm die Sonnensichel.

Ein Käfer krabbelt über meine Hose, ein Hund bellt: Das Leben kehrt wieder.

18:07

Wir stehen im Stau und sind noch nicht mal richtig auf der Autobahn. Gerade ist eine ewig lange Stauvorhersage zu Ende gegangen, die zum grössten Teil wahrscheinlich unsere Strecke betrifft.

Nachdem die Finsternis vorbei war, fing es an zu regnen und Nacera und ich sind in die Stadt gegangen um etwas zu essen. Da es beim gelben “M” zu voll war, sind wir zu einem Italiener gegangen, bei dem wir dann eine Stunde warten mussten, bis wir bestellen konnten, und eine halbe Stunde, bis die Pizza kam. So wurde aus “einmal eben eine Pizza essen” eine 2-Stunden-Aktion. Danach waren wir mehr oder weniger nass und sind ein wenig mit der Strassenbahn durch Karlsruhe gefahren. Später haben wir uns im Foyer eines Museums aufgewärmt und sind auf Umwegen zum Bus zurück gelaufen und gefahren.

Mittlerweile fährt Sigi uns wieder zurück nach Karlsruhe; wahrscheinlich weiss er einen anderen Ausweg. [Tatsächlich haben wir es dank Sigi noch am gleichen Tag zurück nach Neuss geschafft!]

Die nächste Möglichkeit eine – in diesem Fall ringförmige – Sonnenfinsternis zu beobachten gibt es am 1. September 2016 in Afrika. Die nächste totale Sonnenfinsternis gibt es am 21.8.2017 in den USA. Diese Finsternis wird auch in Mitteleuropa bei Sonnenuntergang als partielle Finsternis sichtbar, allerdings wird hier nur etwa 1/1000 der Sonnenscheibe vom Mond bedeckt werden. Erst am 10.6.2021 wird eine ringförmige Sonnenfinsternis im hohen Norden auch bis nach Norddeutschland hinein partiell zu sehen sein. Eine totale Sonnenfinsternis werden wir in Europa jedoch erst im September 2053, anbei an meinem Geburtstag, in Spanien wieder beobachten können. Meine Karten, die noch zu erleben, stehen bislang recht gut und ich hoffe, dann noch fit genug für eine Reise in den Süden zu sein und dieses beeindruckende Spektakel noch einmal geniessen zu können.

Und hast du auch schon eine Sonnenfinsternis beobachten können? Wie waren deine Eindrücke?

Magnete – wer kennt sie nicht. Harte, dunkle Gegenstände, scheinbar weder ganz Stein noch ganz Metall, von welchen geheimnisvolle Kräfte ausgehen. Schon in meiner frühen Kindheit waren sie nicht aus dem Spielzimmer weg zu denken – hielten sie doch die Waggons meiner Holzeisenbahn zusammen, und ermöglichten einem Kleinkind dennoch, den Zug nach Belieben wieder auseinander zu nehmen.

Noch spannender fand ich dereinst jedoch, die Waggons mit den “falschen” Enden zueinander auf die Gleise zu stellen und einen auf den anderen zuzuschieben, sodass der zweite Waggon wie von Geisterhand vor dem ersten zurückwich…

In der Welt der Grossen sind hingegen Kühlschrankmagnete nicht wegzudenken, oder ebensolche im Büro oder der Schule am Whiteboard. Oder als praktische Scheibenwischer in einer gläsernen Hermetosphäre. Oder…Verwendung für Magnete gibt es in zahllosen Varianten. Und wer zwei davon aufeinander zu bewegt, kann die geheimnisvolle Abstossung spüren, die ich schon als Kind an der Holzeisenbahn beobachten konnte.

Seit meiner Kinderzeit hat sich überdies die Erscheinung mancher Magnete geändert. Sie scheinen kleiner geworden zu sein – und ihre Kräfte gleichzeitig stärker, und häufig schimmern sie metallisch silbern. “Supermagnete” werden diese Kraftpakete oft genannt, und aus seltenen Erden sollen sie bestehen.

Doch wie und wo entstehen die mysteriösen Kräfte der Magnete eigentlich? Was ist “Magnetismus”? Was hat Magnetismus mit Strom zu tun? Welche Stoffe sind magnetisch? Warum sind Supermagnete so stark? Und wie kann ein Supraleiter über einem Magneten schweben?

 

Was hinter den Kräften steckt

Hast du zwei Magnete zur Hand? Oder einen Magnet und ein Stück Eisen? Wenn du beide langsam aufeinander zu bewegst, wirst du schnell feststellen, dass die geheimnisvollen Magnet-Kräfte umso stärker werden, je näher das eine dem anderen kommt. Irgendetwas ist also im Raum um den Magnet herum, das ein Stück Eisen zu ihm hin zieht – und zwar immer schneller, je näher es dem Magnet kommt. Die Physiker nennen dieses Etwas Magnetfeld.

Was ist ein Magnetfeld?

Ein “Feld” nennen die Physiker die räumliche Verteilung einer physikalischen Grösse. Das heisst, diese Grösse hat an jedem Punkt in einem Raum einen bestimmten Wert – das Feld ist die Gesamtheit dieser Werte. Würde man draussen, wenn es kalt ist, ein Lagerfeuer entzünden und an jedem Punkt in der Umgebung die Temperatur messen, könnte man die gesammelten Werte zu einem Temperaturfeld zusammenfassen und seine “Gestalt” beschreiben: Je näher ein Punkt im Temperaturfeld am Feuer liegt, desto höher wird die Temperatur sein.

Neben solch einfachen Grössen wie der Temperatur (Mathematiker nennen solche Grössen “skalar”) gibt es andere physikalische Grössen, die neben ihrem Wert auch eine Richtung haben (solch eine Grösse nennen die Mathematiker “Vektor”): Die Schwerkraft bewegt Gegenstände überall auf und über der Erde nach “unten”, das heisst in Richtung Erdmittelpunkt, ein Zug fährt mit einer bestimmten Geschwindigkeit geradeaus (während die Geschwindigkeit des gleichschnellen Gegenzugs wohl den gleichen Wert hat, aber die entgegengesetzte Richtung).

Auch die geheimnisvolle Kraft im Magnetfeld hat an jedem Punkt eine Richtung. Um die Verteilung der Richtungen im Raum darzustellen zeichnet man Linien, die den  Verlauf der Richtungen andeuten: Ein magnetischer Gegenstand ( auf welchen die “Magnetkraft” wirkt), wird im Magnetfeld entlang dieser “Feldlinien” bewegt.

Ein Magnetfeld ist also die Gesamtheit aller Werte und Richtungen für die “Magnetkraft” in der Umgebung eines Magneten. Zumindest für die Mathematiker. Für die Physiker ist ein Magnetfeld jedoch mehr als eine Sammlung von Zahlen: Es ist wirklich da – ein existierendes physikalisches Etwas, dem Energie innewohnt und das sich mit Hilfe von Gleichungen beschreiben lässt (Felder im Allgemeinen sind tatsächlich “nur” Zahlensammlungen – reale Felder wie das Magnetfeld sind unter diesen etwas Besonderes).

Die Gleichungen für Magnetfelder hat der Physiker James Clerk Maxwell aufgestellt – deshalb werden sie nach ihm “Maxwell-Gleichungen” genannt. In Worten sagen sie in etwa Folgendes über Magnetfelder aus:

  1. Ein Magnetfeld hat weder Ursprung noch Ende – es ist quellenfrei. Die “Pole” eines Magneten markieren also nur die Orientierung des Magnetfelds – welches sich folglich auch im Magneten selbst erstreckt. Dementsprechend sind auch die Magnetfeldlinien ohne Anfang und Ende – sie sind in sich geschlossen, wie eine Rundstrecke beim Autorennen.
  2. Verändert sich ein Magnetfeld mit der Zeit, entsteht dadurch ein elektrisches Feld mit in sich geschlossenen Linien. Magnetismus ist also stets eng verbunden mit der Elektrizität – und umgekehrt.
  3. Denn eine weitere Gleichung sagt aus, dass elektrische Ströme bzw. die Veränderung eines elektrischen Feldes stets ein Magnetfeld erzeugen.
  4. So wird die Maxwell-Sammlung denn auch durch eine vierte Gleichung zu elektrischen Feldern (welche damit auch “real” sind) vervollständigt: Ein elektrisches Feld kann einen Ursprung haben: Es geht von einer elektrischen Ladung aus. Die Feldlinien verlaufen dann von dieser Ladung fort. Das heisst, es gibt elektrische Felder mit nur einem Pol (der entweder positiv oder negativ ist), während Magnetfelder zwecks Darstellung ihrer Orientierung stets zwei Pole haben!
Magnetfeldlinien1

Eisenfeilspäne richten sich entlang von Magnetfeldlinien zwischen Nord- und Südpol eines Magneten aus und machen das Feld auf diese Weise “sichtbar”.(von Berndt Meyer [GFDL oder CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

 

Als Pole eines Gegenstands, welcher ein Magnetfeld erzeugt, werden somit die Bereiche bezeichnet, in welchen die Magnetfeldlinien aus dem Gegenstand aus- bzw. wieder in ihn eintreten. Dabei hat man sich darauf geeinigt, dass die Seite, an welcher die Feldlinien austreten, sich im Magnetfeld der Erde nach Norden ausrichtet – und dementsprechend Nordpol heisst (der Nordpol der Erde ist also ein magnetischer Südpol, denn entgegengesetzte Pole ziehen sich an). Dort, wo die Feldlinien in den Magneten eintreten, ist dementsprechend der Südpol des Magneten.

Ein Magnetfeld ist also die räumliche Verteilung einer Kraft, die auf magnetische und magnetisierbare Materie und elektrische Ladungen wirkt: An jedem Punkt im Magnetfeld hat die Kraft einen bestimmten Wert (eine “Feldstärke”) und eine bestimmte Richtung.

 

Woher kommt die Magnetkraft?

Mit unseren Augen in unserer Welt betrachtet erscheinen die Magnetkräfte mystisch – ganz wie die elektrischen Kräfte, die beispielsweise einen Luftballon an der Wand festhalten, nachdem man ihn am Wollpullover gerieben hat. Und ganz wie die elektrische (Elementar-)Ladung ist auch der Magnetismus eine Eigenschaft der kleinsten Teilchen:

Jedes Proton, Neutron und Elektron ist ein winzig kleiner, unvorstellbar schwacher Magnet (diese Eigenschaft eines Teilchen wird auch magnetisches Moment oder kurz “Spin” genannt)! Und diese winzigen Magnete lassen sich zu grösseren Magneten zusammensetzen, wobei ihre Magnetkräfte sich addieren: Die Protonen und Neutronen, die einen Atomkern bilden, machen den Kern zu einem etwas grösseren Magneten. Die Elektronen der Atomhülle jedoch steuern den Löwenanteil zum Magneten vom Ausmass eines ganzen Atoms bei. Atome verbinden sich zu Molekülen oder Kristallen – und Atom-Magnete vereinen sich Stoffen, die wir sehen und anfassen und deren Magnetkräfte wir wahrnehmen können.

 

Warum sind dann nicht alle Stoffe magnetisch?

Jeder der kleinen Elementarteilchen-Magnete (oder kurz: Elementarmagnete) erzeugt sein eigenes winziges Magnetfeld. Und das hat, wie oben beschrieben, eine bestimmte Orientierung. Das heisst, der Nordpol des kleinen Magnetfelds weist in eine bestimmte Richtung, der Südpol in die Gegenrichtung. Und wenn man Richtungen addiert, kommt nicht immer das raus, was man von der Addition von blossen Zahlen gewohnt ist.

Addition von Vektoren: Die Länge der Pfeile stellt den Wert der Grössen a und b dar, die Pfeilrichtung die zur Grösse gehörende Richtung. Solche Vektoren werden addiert, indem man die Pfeile Schaft an Spitze aneinanderreiht. Unterscheiden sich die Richtungen der Summanden dabei sehr, ist der Wert der Summe (die Länge des schwarzen Pfeils) mitunter kleiner als die Werte der Summanden.

 

Wenn man Grössen mit gar zu unterschiedlichen Richtungen addiert, ist das Ergebnis mitunter kleiner als die Summanden! Und wenn man nur genug Summanden mit unterschiedlichen Richtungen addiert, ist das Ergebnis schliesslich praktisch null.

Die Elementarmagnete in einem Stoff können ihre Orientierung frei wählen – so wie eine Kompassnadel sich frei um ihre Mittelachse drehen kann. So orientiert sich jeder Elementarmagnet in einem Stoff wie er gerade will – und wenn genug Elementarmagnete zusammenkommen, wird die Summe ihrer Orientierungen praktisch null: Es entsteht kein wahrnehmbares, “grosses” Magnetfeld.

Erst wenn Elementarmagnete in ein bereits bestehendes Magnetfeld geraten, zeigen sich Unterschiede zwischen den magnetischen Eigenschaften der Stoffe. Magnetismus ist also nicht gleich Magnetismus. Stattdessen gibt es:

Diamagnetismus

Sobald Elementarmagnete in ein “fremdes” Magnetfeld geraten, richten sie sich entlang der Feldlinien aus, wie Kompassnadeln im Erdmagnetfeld. Und sobald Ordnung herrscht, wird die Summe der kleinen Magnetfelder zu einem spürbar Grossen – allerdings dem “fremden” Magnetfeld entgegen gerichtet. Die Magnetkraft, die der Stoff erst im “fremden” Magnetfeld erhalten hat, hebt die Wirkung ebendieses fremden Magnetfeldes folglich (teilweise) auf.

Da Magnetfeldlinien jedoch nicht einfach unterbrochen werden dürfen, lässt sich dies darstellen, indem man die Feldlinien um den Stoff im Magnetfeld herum führt, als würde der Stoff die Linien verdrängen. Tatsächlich werden solche diamagnetischen Stoffe aus einem Magnetfeld hinausgedrängt wie ein Schwimmer aus dem Wasser!

Diamagnet: Neodym- magnete halten Graphit-Plättchen in der Schwebe

Kohlenstoff ist diamagnetisch: Ein Graphit-Plättchen schwebt im gemeinsamen Magnetfeld von vier vergoldeten Neodym-Magneten

Da die Elektronen unter den Elementarteilchen den Löwenanteil an den magnetischen Eigenschaften eines Stoffes haben, sind für dieses Verhalten im Magnetfeld nur Elektronen nötig – und die gibt es in jedem Atom. Daher ist jeder Stoff, der aus Atomen besteht, ein Diamagnet. Bemerkbar macht sich der Diamagnetismus allerdings nur, wenn der Stoff keine weitere, stärkere magnetische Eigenschaft hat- zum Beispiel bei Wasser oder bei Kohlenstoff.

Die Tatsache, dass damit zwei der wichtigsten Bestandteile von Mensch und Tier diamagnetisch sind, hat die Fantasie einiger Wissenschaftler angeregt: Was wäre, wenn wir dank unseres Diamagnetismus’ auf Magnetfeldern durch die Luft schweben könnten? Einem Frosch ist ebendies dank eines richtig starken Magnetfelds bereits gelungen (wenn auch mit Sicherheit nicht freiwillig):

Dem Frosch ist dabei übrigens nichts passiert. Magnetfelder sind sowohl für Frösche als auch für Menschen nicht direkt spürbar. Ein ausreichend starker Magnet, dessen Feld einen ganzen Menschen in die Luft drängen kann, muss jedoch erst noch gebaut werden.

Paramagnetismus

Während alle Atome Elektronen haben, haben nicht alle Atome automatisch ein magnetisches Moment. Denn zu einem solchen kommen sie nur, wenn sich die Orientierungen der magnetischen Momente ihrer Bestandteile – insbesondere der Elektronen – nicht gegenseitig aufheben.

Wenn Atomen ein eigenes magnetisches Moment gegeben ist, richten sie sich in einem “fremden” Magnetfeld geordnet aus wie alle anderen Elementarmagnete auch – allerdings verläuft das Magnetfeld, das sie so gemeinsam bilden, parallel, also ebenso orientiert wie das “fremde” Magnetfeld. Die Folge davon: Innerhalb eines paramagnetischen Stoffes im Magnetfeld verlaufen mehr Feldlinien in die gleiche Richtung als ausserhalb – und der Paramagnet wird in das Magnetfeld hineingezogen, wenn auch nicht sehr stark.

Zudem gilt, ebenso wie für Diamagneten: Sobald das “fremde” Magnetfeld verschwindet, gewinnt die Wärme, die ständig alle Atome bewegt, die Oberhand und schüttelt die Elementarmagnete in die Unordnung zurück.

Zu den paramagnetischen Stoffen zählen jene Elemente, deren Atome ungepaarte Elektronen, das heisst solche ohne Gegenstück in Sachen Orientierung, enthalten: zum Beispiel die Alkali- und Erdalkalimetalle und die seltenen Erden. Unter den Molekülen sind dementsprechend Radikale (die mindestens ein ungepaartes Elektron besitzen) paramagnetisch – so zum Beispiel Sauerstoff oder Stickstoffdioxid.

Sauerstoff

Bekannt ist die linke Darstellung des Sauerstoffmoleküls. Dass Sauerstoff paramagnetisch ist, lässt jedoch darauf schliessen, dass auch die rechte Darstellung mit zwei ungepaarten Elektronen der Wahrheit nahekommt.

Ferromagnetismus

Die Stoffe, die wir im Allgemeinen als “magnetisch” kennen und aus welchen wir unsere Dauermagnete herstellen, verhalten sich im Prinzip wie Paramagnete. Allerdings ist der Ordnungs-“Sinn” ihrer Elementarmagnete ungleich stärker, sodass Magnetfelder einen ungleich stärkeren Einfluss auf sie haben als auf Paramagnete.

Der bekannteste ferromagnetische Stoff ist Eisen (lateinisch Ferrum) – daher der Name für diese Art von Magnetismus. Ein Ferromagnet verstärkt nicht nur ein “fremdes” Magnetfeld ungemein. Seine Elementarmagnete können ihre Ordnung zudem auch nach dem Verschwinden des ordnenden Magnetfeldes beibehalten, sodass “ihr” Stoff dauerhaft ein Magnetfeld erzeugt!

Der verstärkte Ordnungssinn eines Ferromagneten rührt daher, dass die Elementarmagnete darin in besonders enger Beziehung zueinander stehen, welche ihnen eine besondere Austauschwechselwirkung ermöglicht. Diese Wechselwirkung beruht auf dem Pauli-Prinzip, das manch einer vielleicht aus der Schule kennt:

Zwei Elektronen mit vollkommen gleichen Eigenschaften dürfen nicht am gleichen Ort sein (deshalb haben zwei Elektronen, die sich ein Orbital im Atom teilen, stets entgegengesetzte Spins). Tatsächlich geht das Pauli-Prinzip aber noch weiter: Elektronen müssen sich stets in einer oder drei Eigenschaften unterscheiden, während zwei Unterschiede nicht erlaubt sind.

Werden also Elementarmagnete in enger Beziehung in einem Magnetfeld ausgerichtet, sodass ihre Orientierungen sich gleichen, unterscheiden sie sich nur noch in ihrem Ort. In Folge dessen ist ein zweiter Unterschied, zum Beispiel durch eine veränderte Orientierung, ohne das automatische Auftreten eines dritten Unterschiedes nicht mehr erlaubt. Ein Elementarmagnet im ausgerichteten Ferromagneten kann sich also nicht einfach so wieder umdrehen – auch dann nicht, wenn das ausrichtende fremde Magnetfeld längst wieder verschwunden ist.

Erst wenn die Wärmebewegung im Ferromagneten überhand nimmt, kann sie die Elementarmagnete aus ihrer “militärischen” Starre reissen. Deshalb verlieren Dauermagnete bei hohen Temperaturen ihre Magnetkraft – die “Curie-Temperatur” eines dauerhaft magnetischen Stoffs verrät, wann das der Fall ist (alternativ kann auch ein heftiger Schlag gegen den Magneten oder ein starkes, störendes Magnetfeld für entsprechende Unordnung sorgen).

Neben Eisen sind einzig die Elemente Cobalt und Nickel ferromagnetisch. Die Dauermagnete unseres Alltags bestehen zudem aus Legierungen, also Metallgemischen, die erst durch die Mischung ferromagnetisch werden.

Antiferromagnetismus

In manchen eigentlich ferromagnetischen Stoffen sind die Elementarmagnete in verschiedene Gruppen bzw. “Gitter” eingeteilt, von welchen die eine Hälfte sich im Magnetfeld dank der Austauschwechselwirkung stabil in die eine Richtung ausrichtet, die andere Hälfte jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Folglich erhält man, wenn man die Magnetkraft aller Elementarmagnete addiert, überhaupt keine Magnetkraft für einen solchen Stoff, und somit auch keine Wechselwirkung mit dem “fremden” Magnetfeld. Zu diesen Antiferromagneten gehören unter anderem die Elemente Chrom und Mangan und das Mineral Hämatit.

Ferrimagnetismus

Verhalten sich die Elementarmagnete eines Stoffes im Grunde genommen wie die eines Antiferromagneten, während die Stärke ihrer Magnetfelder unterschiedlich ist, bleibt trotz entgegengesetzter Ausrichtung der verschiedenen Gitter ein Magnetfeld erhalten. Ein Ferrimagnet verhält sich also wie ein schwacher Ferromagnet – und tatsächlich gehören die ersten von Menschen entdeckten Dauermagnete in diese Gruppe:

Der Begriff “Magnet” kommt nämlich vom griechischen “lithos magnes”, also “Stein aus Magnesia”, was sich auf die gleichnamige Region in Thessalien oder auch den Ort Magnesia am Mäander in der heutigen Türkei bezieht, welchen die “Magneten” (nicht die Steine, sondern das Volk aus Thessalien!) gegründet haben sollen. Der ferrimagnetische Stein, welcher dort gefunden wurde, ist heute als das Mineral Magnetit, oder auch Magneteisenstein, bekannt. Es handelt sich dabei um das  Eisenoxid Fe3O4 bzw. Fe(II)Fe(III)2O4, welches sowohl Fe2+– als auch Fe3+-Ionen enthält. Auch einige ähnliche Verbindungen, in welchen das Fe2+-Ion durch andere Metallionen ersetzt ist, sind ferrimagnetisch, und werden als Gruppe der “Ferrite” zusammengefasst.

Magnetit - Kristalle: Magnete aus der Natur

Magnetit (silbergraue Oktaeder) in Chalkopyrit (goldfarben) aus Aggeneys, Südafrika – ein ferrimagnetisches Mineral (by Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Wie man einen Magneten herstellt

Wenn du einen Dauermagneten zur Hand hast, kannst du eine Eisennadel ganz einfach magnetisieren: Streiche dazu rund 50 mal mit dem Dauermagneten über die Eisennadel – immer in die gleiche Richtung! Auf diese Weise werden die Elementarmagnete in der Nadel nach und nach in die gleiche Orientierung “gebürstet”. Wenn du die Nadel schliesslich mit Hilfe eines Stücks Kork auf Wasser zum Schwimmen bringst, wird sie sich nach dem Erdmagnetfeld ausrichten.

Für die industrielle Herstellung von Magneten wäre es jedoch viel zu mühsam, jeden Magneten einzeln magnetisch zu bürsten. Deshalb verwenden die Hersteller von Dauermagneten ferro- oder ferrimagnetisches Pulver, welches sie innerhalb eines starken Magnetfeldes zusammenpressen. Für die schwarzgrauen, steinartigen Küchenmagnete werden dabei pulverisierte Ferrite eingesetzt. Da jedes Pulverkorn dabei einen Elementarmagnet darstellt (nicht so klein wie die “echten” Elementarteilchen, aber klein genug), richten sich die Pulverkörner in diesem Magnetfeld ordentlich aus, ehe sie richtig zusammenpappen. Anschliessend werden die Pulverkörner bei sehr hohen Temperaturen zusammen geschmolzen (gesintert)…

Richtig! Dabei geht die Magnetkraft der einzelnen Körner und damit des ganzen Magneten aufgrund der heftigen Wärmebewegung der wirklichen Elementarmagnete wieder verloren! Allerdings bleibt die Orientierung der Körner selbst erhalten, sodass die Ordnung der Elementarmagnete nach dem Abkühlen in einem zweiten äusseren Magnetfeld problemlos wieder hergestellt werden kann.

Besonders starke Magnete erhält man zudem, wenn man dem ferromagnetischen Pulver einen paramagnetischen Stoff wie das Seltenerd-Metall Neodym unterjubelt: Die paramagnetischen Neodym-Teilchen werden im Magnetfeld des sie umgebenden Magnet-Pulvers dauerhaft in Ordnung gehalten und verstärken so das Magnetfeld des Dauermagneten ungemein!

Unglücklicherweise sind Seltenerd-Atome ziemlich reaktionsfreudig. Deshalb werden neodymhaltige “Supermagnete” mit einer Schicht aus edleren Metallen (was diese Metalle edel macht ist eine andere Geschichte), in der Regel mit einer silbrig glänzenden Legierung aus Kupfer und Nickel, umgeben. Diese Beschichtung kann zudem vergoldet (dann glänzt der Magnet golden) oder verchromt werden.

 

Magnetismus und Strom

Die Maxwell-Gleichungen haben es bereits gezeigt: Wo ein Magnetfeld bewegt wird oder sich verändert, entsteht stets ein elektrisches Feld, und wo elektrische Ladungen (jede davon erzeugt ein kleines elektrisches Feld!) bewegt werden, entsteht ein Magnetfeld.

Diese Umstände weiss sich der Mensch zunutze zu machen, indem er einen Dauermagneten im Kreis dreht, sodass in seiner Umgebung Elektronen (in einem Draht) in Bewegung geraten (das ist ein Dynamo – oder im Grossformat ein Generator), oder Strom durch einen aufgewickelten Draht leitet, sodass das entstehende Magnetfeld in einem äusseren Magnetfeld mitsamt der Drahtspule in Drehung gerät (das ist dann ein Elektromotor). Die Einzelheiten zu solchen Elektromagneten und ihrem Nutzen bieten genug Stoff für eine eigene Geschichte und würden hier den Rahmen sprengen.

Im Allgemeinen unterscheidet sich das Magnetfeld eines Elektromagneten nicht von dem eines Dauermagneten – ausgenommen ist ein entscheidender Punkt: Sobald man einem Elektromagneten den Strom abstellt, verschwindet auch das Magnetfeld. Einen Dauermagneten kann man hingen nicht einfach ein- und ausschalten.

Das gilt auch für den grössten Magneten der Erde – die Erde selbst! Zwar ist das Erdmagnetfeld im weitesten Sinne auf einen riesigen Elektromagneten zurück zu führen – es wird von flüssigem Eisen erzeugt, welches im äusseren Erdkern in Strömungen bewegt wird – aber so lange unser Planet nicht innerlich auskühlt und erstarrt, wird nichts und niemand im Erdkern den Strom abstellen können. Und bis die Erde auskühlt, werden noch einige Milliarden Jahre vergehen müssen.

Elektromagnetische Wellen

Erst die untrennbare Verbindung zwischen elektrischen und Magnetfeldern ermöglicht uns, unsere Umgebung zu sehen und spannende Artikel über Magnetismus zu lesen. Denn wenn irgendwo in einem Atom ein Elektron zu schwingen anfängt, gerät eine elektrische Ladung in Bewegung – schliesslich schwingt die Elementarladung des Elektrons fleissig hin und her.

Und wo eine Ladung, und mit ihr ein elektrisches Feld in Bewegung ist, entsteht laut Maxwells Gleichungen ein Magnetfeld. Und wo ein Magnetfeld entsteht – was einer Veränderung desselben gleich kommt – entsteht sogleich wieder ein elektrisches Feld, und aus dem elektrischen Feld ein neues Magnetfeld…. Die Folge davon: die erscheinenden (und bei Ende der jeweiligen Veränderungen ebenso schnell wieder verschwindenden) Felder pflanzen sich durch den Raum fort. Und zwar so schnell wie nichts anderes: Die sich fortpflanzenden Felder bilden “elektromagnetische Wellen” – kurz gesagt: Licht.

Und so, wie Licht durch bewegte elektrische Ladungen entsteht, können die Felder einer Lichtwelle wiederum Ladungen in Bewegung setzen. Wie uns dieser Umstand ermöglicht zu sehen, erfährst du in der Geschichte um Licht und Farben.

 

Supraleiter – die stärksten Magneten der Welt

Während Dauermagnete in ihrer Stärke durch die festgelegten magnetischen Eigenschaften ihrer Elementarmagnete begrenzt sind, hängt die Stärke eines Elektromagneten von der Stärke des darin fliessenden Stromes ab: Je stärker der Strom, desto stärker ist auch das erzeugte Magnetfeld. Theoretisch jedenfalls. Denn gewöhnliche Drähte leisten dem Strom stets einen gewissen Widerstand – dadurch entsteht im Draht “Reibungswärme”, die mit zunehmender Stromstärke irgendwann jedes Material zerstört.

Fast jedes Material zumindest. Denn glücklicherweise (für Physikfans und die moderne Technik) haben Wissenschaftler in den 1980er Jahren entdeckt, dass manche Materialien bei sehr, sehr niedrigen Temperaturen kurzerhand ihren gesamten Widerstand aufgeben – und somit ohne Reibung elektrischen Strom leiten. Die ersten dieser Supraleiter mussten noch mit flüssigem Helium auf unter 4°C über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Inzwischen gibt es jedoch sogenannte “Hochtemperatur”-Supraleiter, die sich schon mit flüssigem Stickstoff (bis -196°C, also rund 77°C über dem absoluten Nullpunkt) zufrieden geben. Und der lässt sich vergleichsweise wirtschaftlich beschaffen.

Deshalb werden die stärksten Elektromagneten, die beispielsweise in Kernspintomographen oder in Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen – oder in Labors fantasievoller Wissenschaftler, die Frösche zum Schweben bringen, aus supraleitenden und damit nicht durchbrennenden Drähten hergestellt.

Noch spektakulärer anzuschauen sind wohl die Folgen einer weiteren Eigenschaft der Supraleiter: Neben der unbegrenzten Leitfähigkeit sind sie nämlich auch vollkommene Diamagneten – was ihnen ermöglicht, in einem ausreichend starken Magnetfeld frei zu schweben:

(Nicht zur Nachahmung empfohlen: Flüssigen Stickstoff oder damit Gekühltes NIEMALS mit der blossen Hand anfassen – Kaltverbrennungsgefahr!)

Sind Magnete oder Magnetfelder gefährlich?

Nach unserem heutigen Wissensstand: Nein. Die Orientierung der Elementarmagnete im menschlichen Körper ist für die Funktion der Atome und Moleküle darin praktisch ohne Bedeutung. Menschen bekommen daher selbst dann kaum etwas davon mit, wenn sie in ein starkes Magnetfeld geraten – wie ich nach einer Kernspin-Tomographie meines Kopfes vor einigen Jahren bestätigen kann. Einzig ein paar Lichtblitze “vor” meinen Augen – so genannte “Magnetophosphene”, die durch Beeinflussung der Nervenströme in der Netzhaut durch das Magnetfeld entstehen – haben auf die Existenz des Feldes hingewiesen.

Anderes gilt für elektrische Geräte jeder Art: Da elektrische Ströme mit Magnetfeldern wechselwirken, können letztere elektrische Geräte gehörig durcheinander bringen oder sogar ausser Gefecht setzen. Wer einen Herzschrittmacher trägt, sollte sich also tunlichst von Kernspintomographen oder Supraleiter-Labors fernhalten (und nicht nur davon – selbst im Schullabor, wo einfache Magnet-Rührgeräte zum Einsatz kommen, habe ich das Warnschild für Herzschrittmacher-Träger gesichtet).

Darüber hinaus besteht die grösste Gefahr, die von Magneten ausgeht, wohl darin, sich unter starken Neodym-Magneten Körperteile einzuquetschen oder von plötzlich im Magnetfeld herumfliegenden ferromagnetischen Gegenständen getroffen zu werden.

Du kannst dich also getrost von der geheimnisvollen Magnetkraft verzaubern lassen und nach Herzenslust mit Magneten experimentieren.

Oder hast du schon? Welche Erfahrungen hast du mit Magneten schon gemacht?

Blogparade : Augen auf! Wo mich die Natur zum Staunen bringt

Bald ist es soweit: Am 14. Juni 2016 wird Keinsteins Kiste 1 Jahr alt! Und damit ist es nun an der Zeit für eure Geschichten: Erzählt vom 23.05. bis 04.09. 2016 in unserer Geburtstags-Blogparade, wo oder wann euch die Natur so richtig zum Staunen gebracht hat – oder euch immer wieder zum Staunen bringt!

Ja, richtig! Auf mehrfachen Wunsch und Anregung meiner Leser verlängere ich die Laufzeit dieser Blogparade bis zum 4. September 2016! Denn mancherorts beginnt schon die Ferienzeit – und Ferienzeit ist Zeit zum Entdecken und Staunen!

“Das fand ich ganz furchtbar!” “Das ist doch total schwer!” “Das Fach habe ich nie verstanden…” “Habe ich bei der ersten Möglichkeit abgewählt!”

So oder so ähnlich lauten gefühlte neun von zehn Reaktionen, wenn ich erzähle, dass ich Chemie studiert habe. Und ich kann mir vorstellen, dass es den anderen Disziplinen der Naturwissenschaft nicht sehr viel anders ergeht.

Dabei hält die Natur so viel Spannendes bereit, das es – für uns alle! – zu bestaunen gibt, das wir ergründen oder mit dem wir schlichtweg spielen können. Und solche Naturphänomene sind gar nicht so schwer zu verstehen, wie manch unglücklich verlaufener Chemie-, Physik- oder Biologieunterricht uns glauben machen mag.

Ob wir uns an buntem Licht oder dem Glanz von Gold erfreuen, in der Küche unerwarteten Energieformen wie der Schmelzwärme begegnen, ob wir Pflanzen beim Wachsen zusehen, am Nachthimmel Sterne zählen, ob wir an ferne Orte reisen und funkelnde Geysire beobachten oder atemberaubende Steinformationen finden, ob wir Strom aus Licht gewinnen, oder ob wir im Labor spannende Experimente machen – praktisch immer und überall können wir etwas zum Staunen finden.

Mit dieser Blogparade möchte ich euch alle zum gemeinsamen Staunen einladen – und zwar jede/n, ganz gleich, welchen Bezug ihr bislang zu den Naturwissenschaften habt. Verfasst einen Beitrag auf eurem Blog (falls ihr keinen habt: auf eurer Facebook-Seite oder eurer jeweiligen Lieblings-Plattform) und erzählt von eurer Begegnung mit einem spannenden Naturphänomen:

  • Wo hat mich die Natur zum Staunen gebracht oder bringt mich immer wieder zum Staunen? (Das kann ebenso draussen und unterwegs wie auch im Alltag oder im Labor geschehen…)
  • Welche Empfindungen löst/e diese Begegnung in mir aus?
  • Welche Bedeutung haben Beobachtungen von Naturphänomenen wie diesem in meinem Leben bzw. Alltag? Haben mich Naturwissenschaften schon immer interessiert, oder bin ich vielleicht erst durch diese Blogparade ans Staunen gekommen?
  • Wie lässt sich das bestaunte Phänomen erklären? (Dieser Vorschlag ist noch weniger ein Muss als alle anderen, aber auf Wunsch helfe ich hierbei gerne!)

 

Diese Fragen können euch als Hilfe zur Gestaltung eures Beitrags dienen, sind aber keine Vorschrift. Schreibt, zeichnet, malt, fotografiert oder filmt, was euch zum Staunen in den Sinn kommt, und postet einen Link zu eurem Beitrag bis zum 23.6.2016 in den Kommentaren. Ihr dürft das Bild zu diesem Beitrag gerne als Artikelbild verwenden oder in euer Artikelbild einfliessen lassen!

Anschliessend wird es eine Zusammenfassung der Blogparade mit allen Links hier auf Keinsteins Kiste geben. Ich freue mich schon auf eine Menge bunter Beträge: Also los, auf zum Staunen!

Eure Kathi Keinstein