Winzige Reaktionskammern

News: Winzige Reaktionskammern

Gasbläschen in Flüssigkeiten blähen sich unter dem Einfluss von Ultraschall auf, um kurz danach mit einem Knall und Lichtblitz zu kollabieren. Chemiker stellten nun eine energetische Bilanz des Phänomens auf.

Thorsten Krome

Es ist schon ein seltsames Phänomen, dass sich Wasser allein durch Beschallung zum Leuchten bringen lässt. Freilich ist es nicht irgendein Geräusch, sondern vergleichsweise energiereicher Ultraschall, der den Effekt der Sonolumineszenz bewirkt. Auch leuchtet nicht das Wasser selbst, sondern unter anderem ein heißes Plasma, das sich in schnell kollabierenden Glasbläschen – während der so genannten Kavitation – bildet. Das tut der Faszination für den Effekt aber keinen Abbruch, der durchaus auch technische Bedeutung hat.

Vielleicht war es gerade diese Faszination, die Wissenschaftler vermuten ließ, dass die Bedingungen in den kleinen Bläschen sogar dazu ausreichen könnten, eine Kernfusion zu zünden. Entsprechende Experimente verliefen scheinbar erfolgreich, doch werden die im Frühjahr dieses Jahres veröffentlichten Ergebnisse mittlerweile von Kollegen stark angezweifelt. Etwas Licht ins Dunkel könnte nun eine Arbeit der beiden Chemiker Yuri Didenko und Kenneth Suslick von der University of Illinois at Urbana-Champaign bringen, die untersucht haben, wohin die Energie des Schalls eigentlich wandert.

Dazu erzeugten die Wissenschaftler in Wasser zunächst ein winziges Gasbläschen, das etwa die Größe einer roten Blutzelle hatte, und bewegten es in die Mitte eines zylindrischen Behälters, wo sie es in einem akustischen Feld gefangen hielten. Der Ultraschall ließ die Blase periodisch anwachsen und kollabieren, wobei bei jedem Zyklus ein Lichtblitz – die Sonolumineszenz – zu sehen war.

Während sich diese Lichtblitze noch recht einfach beobachten lassen, ist die Analyse etwaiger chemischer Reaktionen in der winzigen Reaktionskammer doch eine Herausforderung. Mithilfe empfindlicher Fluoreszenzanalyse konnten die Wissenschaftler jedoch die chemischen Eigenschaften des Bläschen bestimmen. So stellten sie fest, dass bei seinem Kollaps einige Moleküle auseinandergerissen wurden und neue Verbindungen entstanden: "Stickstoff- und Sauerstoff-Moleküle reagierten zu Stickoxiden, wie im Inneren eines Verbrennungsmotors", erzählt Suslick. "Auch Wassermoleküle werden zerstört, wobei Hydroxylradikale und Wasserstoffperoxid entstehen."

Immerhin wird auf diese Weise mehr als tausendmal so viel Energie umgesetzt wie bei der Lichtemission – auf sie entfällt offenbar nur ein Millionstel der zur Verfügung stehenden Energie. Der größte Teil der Schallenergie verbleibt hingegen in Form von mechanischer Energie, die beispielsweise Schockwellen durch die umgebende Flüssigkeit wandern lässt.

So werfen die Versuche der beiden Chemiker auch Fragen bezüglich der Fusionsexperimente vom März dieses Jahres auf: "Einige Forscher meinen, dass die Temperatur in einem kollabierenden Bläschen heiß genug und der Druck hoch genug wären, um darin eine Kernfusion zu zünden. Wir konnten aber zeigen, dass sich im Inneren chemische Prozesse abspielen, und die limitieren die Energie, die während der Kavitation zur Verfügung steht." Insbesondere das leicht flüchtige Aceton, das bei den Fusionsexperimenten genutzt wurde, zerfiele in den Bläschen, was einen erheblichen Teil der Energie kosten würde.

Doch wenngleich es nach Meinung der Forscher unwahrscheinlich ist, dass "Sonofusion" in leicht flüchtigen Flüssigkeiten wie Wasser oder Aceton auftritt, so könne man die Möglichkeit der Fusion in schwer flüchtigen Fluiden – wie etwa geschmolzenen Metallen oder Salzen – nicht ausschließen. Die Anwendung der akustisch angetriebenen chemischen Reaktionen lägen allerdings woanders: So ließen sich mit ihr beispielsweise Schadstoffe vernichten oder Brennstoffe reinigen.