Auf Eis kann man Schlittschuh laufen.
Eiswürfel schwimmen auf dem Wasser.
Eis ist gefrorenes Wasser.
Was Eis ist und was man mit Eis alles machen kann, weiß jedes Kind. Aber wer ahnt schon, dass die Wissenschaft zwischen 13 Formen von Eiskristallen unterscheidet? Dass es Eis gibt, das aufgebaut ist wie Glas? Und dass man in den Tiefen des Weltraums völlig exotische Varianten von Eis vermutet?
Die Wissenschaft jedenfalls ist mit dem Eis noch lange nicht fertig. Einige Forscher haben sich ihm mit Haut und Haar verschrieben, untersuchen es in ihren Laboren mit Spezialapparaturen und Hightech-Mikroskopen.
Zitat: John blickte ins Eis, studierte die Formen und versuchte zu verstehen, was sie bedeuten. Das Meer konnte eben doch aus eigener Kraft über sich selbst hinauswachsen, hier war der Beweis. Hier fand er, was seine Träume gemeint hatten.
Stunde für Stunde zeichnete er die Formen der Eisberge ins Strafenbuch. Er versuchte zu benennen, was er sah, aber das gelang schlecht. Es war eher eine Musik, die man in Notenschrift hätte schreiben müssen. Das feingerippte Meer umspielte und trug die Eisfiguren wie ein Takt, und sie selbst hatten, wie Klänge, eine Harmonie, obwohl sie doch etwas Gesplittertes und Geborstenes waren. Aber sie wirkten ruhig und zeitlos, so etwas konnte nicht hässlich sein. Hier war es friedlich.
Als der englische Abenteurer John Franklin im frühen 19. Jahrhundert die Arktis erkundete, zeigte er sich höchst beeindruckt von den skurrilen, unwirklichen Eislandschaften. So jedenfalls beschreibt es der Schriftsteller Sten Nadolny in seinem Erfolgsroman "Die Entdeckung der Langsamkeit". Auch die Forscher der Jetztzeit zieht das Eis in seinen Bann.
Eis ist absolut faszinierend. Zunächst einmal, weil es die feste Form von Wasser ist. Und Wasser ist das wichtigste Molekül auf dem ganzen Planeten.
Gene Stanley ist Physikprofessor an der Boston University, USA.
Eis schwimmt auf Wasser. Das ist ungewöhnlich, denn die meisten Feststoffe schwimmen nicht auf ihrer flüssigen Phase. Ihre Dichte ist höher und sie gehen unter. Denn wenn man etwas abkühlt, dann schrumpft es gewöhnlich und wird dichter. In einem Wasserglas aber schwimmen die Eiswürfel oben. Und die meisten Leute wissen auch, dass ein See von oben zufriert und nicht von unten. Denn Wasser besitzt seine größte Dichte bei vier Grad Celsius. Kühlt man vier Grad kaltes Wasser ab, so dehnt es sich aus statt weiter zu schrumpfen. In einem See sinkt das schwere, vier Grad kalte Wasser also zu Boden. Das ein oder zwei Grad kalte Wasser ist leichter, steigt nach oben und gefriert dort zu Eis.
Anomalie des Wassers, so nennen Fachleute dieses Phänomen. Für das Leben ist diese Anomalie existentiell.
Das schützt natürlich alles, was an Leben im Wasser existiert, solange ein Teich oder See nicht bis zum Grund durchfriert. Das ist also wichtig für alles Leben im Wasser!
Joseph Grobe ist Chemieprofessor an der Universität Münster.
Die Anomalie des Wassers hat ihren Grund in der Form des Wassermoleküls. Wasser, H2O, besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.
Das Wassermolekül ist keine Kugel. Es sieht aus wie ein Bumerang. An den Spitzen sind die Wasserstoffatome, in der Mitte sitzt der Sauerstoff. Die beiden Spitzen, die Wasserstoffatome, sind eher positiv geladen, der Sauerstoff hingegen ist eher negativ. Und wenn man genau hinsieht, ragen da aus dem Sauerstoff zwei Ärmchen heraus, sie bestehen aus Elektronen. Insgesamt sieht das Wassermolekül also aus wie ein Tetraeder, eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche. Das Wassermolekül ist ein Tetraeder mit zwei positiven Spitzen und zwei negativen.
Positiv und negativ ziehen sich an, und deshalb können sich zwischen den Wassermolekülen chemische Bindungen ausbilden. Fachleute bezeichnen sie als Wasserstoffbrücken. Ohne diese Brücken würde Eis nicht bei 0 Grad Celsius schmelzen, sondern bei dreistelligen Minustemperaturen. Auf der Erde gäbe es weder Wasser noch Eis, sondern ausschließlich Wasserdampf. Leben könnte auf so einer Erde nicht existieren.
Die Wassermoleküle bilden also Wasserstoffbrücken zwischen sich aus. Und je tiefer die Temperatur ist, desto mehr Brücken entstehen und desto dichter sollte der Stoff eigentlich sein. Aber wenn Wasser zu Eis gefriert, bildet sich ein Kristall, der weniger dicht ist als die Flüssigkeit, und zwar um 10%. Genau deshalb schaut ein Eisberg immer zu einem Zehntel aus dem Wasser heraus. Die restlichen 90% sind unter Wasser.
Der Grund: In einem Eiskristall ist jedes Molekül fest verankert, und zwar zwischen vier anderen Wassermolekülen. Das ist eine relativ offene Struktur mit relativ viel Platz dazwischen. Im Wasser hingegen gibt es viel weniger Wasserstoffbrücken. Die Moleküle sind nicht so fest verankert und können deutlich enger zusammenrücken als im Eis. Also ist Wasser dichter als Eis. Darum treiben Eisschollen und Eisberge an der Oberfläche. Und deshalb dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus und sprengt Bauwerke, Straßen und Sprudelflaschen.
Und die Anomalie des Wassers hat noch eine weitere Konsequenz: Auf Glas oder Asphalt kann man nicht Schlittschuh laufen - auf Eis schon. Aber warum?
Wenn wir auf eine Eisoberfläche Druck ausüben, bedeutet das, dass dieser Druck dazu führt, dass das Wasser unter dem äußeren Druck schmilzt. Wenn wir auf einer Glasoberfläche Schlittschuh laufen wollten, dann funktioniert das nicht. Auf Eis funktioniert das deshalb, weil sich unter dem Druck der schmalen Kufe das Wasser verflüssigt. Wir fahren also auf flüssigem Wasser. Sobald der Druck weg ist, erstarrt das wieder. Sodass wir also im Grunde genommen auf Wassermolekülen Schlittschuh laufen.
Mit 500 bar, 500 Atmosphären drückt ein Schlittschuh auf die Eisfläche. Unter dem Druck möchte das Eis möglichst wenig Volumen einnehmen - und wird deshalb zu Wasser, denn Wasser nimmt ja 10% weniger Volumen ein als Eis. Also gleitet der Schlittschuh auf einem Wasserfilm. Hinzu kommt, dass Eis sowieso schon mit einem hauchdünnen Wasserfilm überzogen ist. Er misst nur millionstel Millimeter. Diese Schicht macht Eis quasi von Natur aus rutschig. Der Druck des Schlittschuhs vergrößert den Wasserfilm noch, und man kann noch besser gleiten.
Zitat: Jetzt wurde es ernstlich kalt. Die Takelage vereiste, das laufende Gut fror so steif, dass es sich vom stehenden in nichts mehr unterschied. Die Wache hatte nicht nur zu pumpen, sondern auch noch mit Stöcken auf die Taue zu schlagen, um sie beweglich zu halten. Alle Segelmanöver wurden zu Abenteuern, und die Kälte nahm immer noch zu. Jedermann hustete herzzerbrechend. John hingegen wurde übermütig. Er untersuchte den Schnee und trug die Formen der Schneeflocken ins Strafenbuch ein. "Schnee ist im Prinzip sechswinkelig", schrieb er. Schließlich war Forschung der Zweck seiner Reise.
Als John Franklin im 19. Jahrhundert auf seinen Expeditionen Schneeflocken studierte, konnte er eines noch nicht wissen: Schnee und Eis unterscheiden sich grundsätzlich eigentlich gar nicht. Mikroskopisch gesehen sind sie gleich, sie basieren auf ein- und derselben Kristallform. Allein die Art, wie sich winzige Wasserkriställchen zu größeren Strukturen zusammenfinden, entscheidet darüber, ob wir es mit spiegelglatten Eisflächen zu tun haben, mit glitzerndem Rauhreif oder mit grazilen Schneeflocken.
Entscheidend sind die Bedingungen, unter denen das Wasser gefriert: Wird es sehr schnell sehr kalt, bilden sich Eisnadeln und Eisplättchen. Auf einem See, der Schicht für Schicht von oben nach unten zufriert, entstehen riesige Eisflächen. Und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt fallen luftige, leichte Flocken vom Himmel, bestehend aus vielen zusammengeketteten Kriställchen, sagt Joseph Grobe.
Das sind von einem Kristallkeim ausgehende Wachstumsformen, wenn sich schöne Schneekristalle ausbilden. Das geht von einem Zentrum aus. Dann lagern sich zusätzliche Wassermoleküle immer außen an und es wachsen schöne, sternchenförmige Kristalle.
Keine Schneeflocke gleicht der anderen. Unterm Mikroskop hat jede Flocke ihre individuelle Struktur. Der Grundbauplan alles irdischen Eises aber ist immer gleich: Wie Bienenwaben ordnen sich die tetraederförmigen Moleküle zu Sechsecken an. Der Experte spricht von einer hexagonalen Struktur, er bezeichnet sie als ”Eis römisch I”. Doch dieses Eis I, das gewöhnliche Eis, ist quasi nur die Spitze des Eisberges.
Es gibt nicht nur ein Eis. Es gibt viele Formen von Eis. Und wir entdecken immer noch neue Varianten. Da stellt sich die Frage: Warum gibt es so viele Formen von Eis? Wasser ist ein simples Molekül. Da sollte es wie andere einfache Moleküle eigentlich nur auf eine bestimmte Art und Weise kristallisieren.
Anno 1900 wurden bei Kompressionsversuchen zwei seltsame Kristallformen entdeckt. Einige Jahre später erfand der spätere Nobelpreisträger Percy Bridgman eine neue Druckpresse. Mit ihr konnte er Eisproben systematisch zusammenquetschen und untersuchen. Bridgman identifizierte die neuen Kristallformen als Eis II und Eis III, später entdeckte er die Sorten IV VI. Heute kennen die Forscher 13 verschiedene Kristallsorten, durchnumeriert mit römischen Zahlen. Es gibt zwei Varianten vom Eis I, dann geht es weiter bis Eis XII.
Wenn man Eis unter riesigen Druck setzt, (13:40) wird das Volumen zunächst sinken wie bei jedem anderen Stoff, den man zusammenquetscht. Doch wenn man Eis immer noch weiter zusammendrückt, passiert etwas Rätselhaftes: Dann steigt die Dichte nicht mehr langsam, sondern sprunghaft, und zwar um 30%. Dieser Sprung ist ein Phasenübergang. Eis existiert in mehr als einer Phase.
Im Prinzip gilt für alle 13 Arten von Eis: Ein Wassermolekül ist von vier anderen umgeben. Doch im Gegensatz zum herkömmlichen Eis sind die Bindungen, die Wasserstoffbrücken, bei den anderen Eissorten auf unterschiedlichste Art gestaucht und verbogen, oder die Kristallgitter sind sogar ineinander verschachtelt. Dann gehen die Wassermoleküle nicht nur mit den nächsten Nachbarn Bindungen ein, sondern auch mit den übernächsten. Deshalb zeigen manche der exotischen Eisformen höchst ungewöhnliche Eigenschaften: Eis VI ist so dicht, dass es nicht auf dem Wasser schwimmen, sondern untergehen würde. Eis VII ist bei einem Druck von 10.000 bar selbst bei 500 Grad Hitze noch gefroren. Würde es unter solch extremen Bedingungen schneien, kämen viereckige Schneeflocken vom Himmel. Warum sich bei einem bestimmten Druck und bei einer bestimmten Temperatur gerade diese und keine andere Eissorte bildet, ist den Forschern bis heute noch nicht im Detail klar. Dazu sind schlicht die Eigenschaften der Wasserstoffbrücken noch nicht gut genug verstanden.
1987 erzeugten Forscher in Innsbruck eine weitere Sorte von Eis: Sie zerstäubten Wasser in feinste Tröpfchen und schossen sie auf eine Platte, die mit Flüssigstickstoff auf fast minus 200 Grad Celsius gekühlt war.
Das geschah so plötzlich, dass den Wassermolekülen buchstäblich keine Zeit blieb, sich zu Kristallen zu ordnen. Wenn ein See zufriert, haben die Moleküle genug Zeit, sich zu einem Kristall zusammenzufinden - zu einer hauchdünnen Eischicht, die im Laufe von Stunden immer dicker wird. Doch als die Forscher in Innsbruck ihre Tröpfchen auf die kalte Platte schossen, blieben die Wassermoleküle statt sich in Reih und Glied zu ordnen einfach in ihrer Unordnung stehen. Wir bezeichnen diesen Zustand als amorphes Eis, glasartiges Eis.
Wasserglas, wenn man so will. In ihm sind die Moleküle genauso ungeordnet wie in einer Flüssigkeit, aber ebenso bewegungslos wie in einem Kristall. Glas ist auch so ein amorpher Stoff. Würde man lange genug warten, einige Jahrhunderte oder Jahrtausende, würde Glas wie eine Flüssigkeit zu Boden fließen. Und mit diesem seltsamen Glaseis beschäftigt man sich in Innsbruck auch heute noch.
Zitat: Und dann schlichen zwei riesige Eisfelder aufeinander zu, nahmen die Dorothea in die Mitte und klemmten sie ein, dass die Spanten krachten. Sie wurde sogar ein Stück emporgehoben. Wenig später ging es der Trent ähnlich, wenn auch glimpflicher. Jetzt saßen sie fest wie angenietet. Wie zum Hohn kam von achtern ein Eisberg immer näher herangerückt. Plötzlich stürmte Gilfillan, der Schiffsarzt, aus seiner Kammer und rief: ”Ich glaube, unter meinem Bett rinnt es!
Ein Labor am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck. Ingrid Kohl bereitet ein spektakuläres Experiment vor. Die Chemikerin will Eis zusammenpressen auf einen Druck einige tausend Mal höher als der Luftdruck.
Kohl holt einen Metallzylinder aus dem Trockenschrank - die Hand eingewickelt in ein Tuch, denn das Metall ist heiß.
Der Grund, warum wir den Druckzylinder hier drinnen haben, ist, dass die Metalle weniger stark korrodieren.
Gleich soll der Druckzylinder in ein 2,50 Meter hohes Metallgestell eingesetzt werden. Es sieht aus wie ein zu groß geratener Türrahmen aus Aluminium. Das Ding ist eine Hochdruckpresse. In der Industrie dient sie als Prüfmaschine für Werkstoffe. Hier in Innsbruck hat man sie umfunktioniert zu einem wissenschaftlichen Analysegerät.
Das Experiment wird ja bei sehr hohen Drucken durchgeführt. Bis zu zwei Gigapascal Druck können wir aufbringen. Das heißt 20.000 Mal der Druck der Atmosphäre. Und da bestehen schon ordentliche Ansprüche ans Material.
Der Druckzylinder ist aus gehärtetem Stahl und hat eine dünne Bohrung in der Mitte. Kohl nimmt ihn und steckt ihn in eine Handpresse, um die Reste des vorherigen Versuchs herauszuquetschen. Jetzt holt sie einen Kochtopf aus der Ecke, rundherum mit Schaumstoff isoliert.
Den haben wir im Prinzip aus Mutters Küche geklaut. Das ist ein ganz normaler Edelstahlkochtopf. (7:40) In diesen Edelstahlkochtopf kommt jetzt der Druckzylinder hinein. So können wir den Zylinder sehr schnell abkühlen, indem wir flüssigen Stickstoff in das Gefäß leeren. Samt dem Kochtopf kommt der Presszylinder dann in die Materialprüfmaschine hinein.
Aber wir geben noch Isoliermasse dazwischen. (12:00) Im Extremfall könnte hier ja auch ein Metallteil herausfliegen und jemanden verletzen. Also da muss man schon sehr mit Vorsicht arbeiten.
Um Eis zu machen, braucht man ein Kühlmittel. Kohl greift zu einer Brachialmethode - zu flüssigem Stickstoff, an die minus 200 Grad kalt.
Mit einer Art Weinkühler in der Hand geht sie zu einer großen, metallenen Thermoskanne, streift sich Handschuhe über und greift zur Schutzbrille.
Beim Hantieren mit so kalten Flüssigkeiten, knapp minus 200 Grad Celsius, muss man auch für seine Augen Vorsorge tragen, damit nicht möglicherweise ein Tropfen in die Augen spritzt und verletzt. Das ist jetzt etwas laut.
Fauchend und brodelnd ergießt sich der Flüssigstickstoff in den Weinkühler. Flugs trägt ihn Kohl zur Presse, wo der Kochtopf schon wartet.
Und das Ganze leeren wir jetzt einfach.
Eine dicke Dampfschwade steigt hoch. Sie ist nicht etwa brütend heiß, sondern eisig kalt.
Der flüssige Stickstoff siedet und kühlt jetzt unseren Druckzylinder ab. Natürlich müssen wir mehrmals nachschütten, bis der Druckzylinder wirklich die Temperatur von 77 Kelvin erreicht hat:
Fehlt noch das Eis, das die Chemikerin gleich zusammenpressen will. Eine winzige Menge destilliertes Wasser reicht. Kohl träufelt es mit einer Pipette in den ultrakalten Druckzylinder.
Das muss sehr schnell stattfinden. Sonst gefriert einem, sobald man in die Nähe des kalten Zylinders kommt, das Wasser in der Pipette. 0,3 Milliliter nehmen wir standardmäßig. Das hat sich als eine angenehme Menge herausgestellt.
Sobald das Tröpfchen in die Bohrung des Zylinders fällt, gefriert es schlagartig. Gleich soll die Hochdruckpresse nach unten fahren und ihren Stempel genau in die Bohrung des Zylinders drücken - dort, wo der kleine Eistropfen liegt. Kohl tippt ein paar Befehle in den Rechner. Das Experiment beginnt.
Langsam fährt der Motor den Stempel nach unten. Eine Minute später setzt der Stempel vorsichtig auf dem Eistropfen auf.
Ingrid Kohl startet das Messprogramm. Stück für Stück drückt der Computer den Stempel immer fester zu. Sensoren messen die entscheidenden Größen: Druck, Volumen, Temperatur. Aus diesen Daten lesen die Forscher heraus, wie sich das Eiströpfchen unter dem Extremdruck verändert, ob es sich in amorphes, glasartiges Eis verwandelt.
Doch dann, bei einem Druck von 1000 Atmosphären, drückt Kohl auf die Stopptaste. Das laute Knacken ist ein schlechte Zeichen: Etwas scheint mit der Apparatur nicht zu stimmen. Vielleicht sitzt der Stempel nicht sauber auf der Probe. Ein wenig frustriert bricht die Chemikerin den Versuch für heute ab.
Vor einiger Zeit aber haben sie und ihre Kollegen bei ihren Druckversuchen etwas Bemerkenswertes entdeckt, und zwar als sie das gequetschte Eis von minus 200 auf minus 120 Grad erwärmten.
Was neu und erstaunlich war, dass dieses amorphe Eis beim Erwärmen seine Dichte noch erhöht hat. Wir haben dann den Vorschlag gemacht, dass das eine weitere amorphe Phase sein könnte.
Eis, das sich beim Erwärmen nicht ausdehnt, sondern weiter zusammenzieht. Das ungewöhnliche amorphe Eis von Ingrid Kohl besitzt eine extrem hohe Dichte. Es ist um mehr als ein Drittel dichter als gewöhnliches Eis und immerhin um sieben Prozent dichter als andere Sorten von Wasserglas. Warum das im Detail so ist, das können die Forscher nur vermuten.
Wir glauben, dass bei so tiefen Temperaturen unmöglich ein Festkörper entstehen konnte, dessen Moleküle sich günstig zueinander ordnen konnten. Das war dem Festkörper bei diesen Temperaturen nicht möglich. Erst beim Erwärmen erhält der Festkörper die nötige Energie, um seine Struktur zu optimieren.
Dass die Wissenschaftler noch rätseln, liegt vor allem ein einem - der Natur der Wasserstoffbrücken. Wie diese sich im Detail verhalten, ist noch längst nicht verstanden.
Zitat: Franklin ging mit dem Zimmermann hinunter und ließ sich die Stelle zeigen. So fanden sie das Leck. Ein Werftarbeiter hatte einen verfaulten Bolzen herausgenommen und, statt den neuen einzusetzen und zu sichern, die Lücke nur mit einem Batzen Teer überschmiert. Der hielt zwar kein Wasser ab, verhinderte aber die Sicht auf das Loch. Als die Trent wieder dicht war, rann nur noch einiges durch die Kehlen. Stunden später kamen alle wieder auf die Beine und stellten fest, dass das Schiff im offenen Wasser schwamm. Das Eis tat, was es wollte.
Warum ist Eis so kompliziert? Ich meine, es ist doch bloß Wasserstoff und Sauerstoff. Aber wenn man es zusammenquetscht, stößt man auf 13 verschiedene Kristallformen. Kein anderer Stoff zeigt eine so große Vielfalt.
Der Physiker Maddury Somayazulu arbeitet und forscht am Carnegy-Institut in Washington. Er macht etwas Ähnliches wie Ingrid Kohl in Innsbruck, aber er macht es noch extremer: Somayazulu presst Eis so stark zusammen wie es eben geht.
Wir haben Eis auf 2,5 Mio. Atmosphären zusammengequetscht. So viel hat bislang noch keiner geschafft. Bis an die Grenzen zu gehen, um zu sehen, ob es noch weitere Formen von Eis gibt, ist ein faszinierendes Spiel. Ich mache das seit zehn Jahren, aber langweilig ist es mir nie geworden. Ich mache das immer weiter.
Um seine Rekorddrücke zu erreichen, verwendet Somayazulu einen Stempel aus Diamant.
Ein Diamantstempel besteht aus zwei Diamanten, die mit enormer Wucht aufeinander gepresst werden, und zwischen ihnen steckt die Probe. Mit so einem Stempel kann man quasi bis ins Innere der Erde reisen - bis zu einem Druck von 3,4 Millionen Atmosphären.
Bei einem ihrer Versuche kühlten die Forscher die Eisprobe im Stempel auf 7 Grad Kelvin ab, 7 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Dann traten ihre Stempel in Aktion. Das Resultat:
Wir glauben, dass wir zwei neue Formen von Eis entdeckt haben. Wir haben zwar noch keine Idee, wie diese Formen aussehen. Aber bei Computersimulationen tauchten kürzlich ebenfalls zwei neue, unbekannte Varianten auf. Und nun fragen wir uns, ob das nicht womöglich mit unseren Messungen übereinstimmt. Im Moment nennen wir es Eis VII Strich und Eis X Strich.
Behält Somayazulu Recht, so wären zwei neue Sorten von Eis gefunden - Eis XIII und Eis XIV. Hier auf der Erde finden sich derart exotische Varianten allerdings nirgends. Selbst jene Drücke, die unter den kilometerdicken Gletschern der Antarktis herrschen, reichen nicht aus, um etwas anderes als Eis I hervorzubringen. Aber:
Wir wissen, dass es auf Planeten wie Jupiter Wasser gibt. Wie wirkt sich die gewaltige Schwerkraft auf das Eis dort aus? Wir wissen auch, dass es auf den Monden von Saturn und von Jupiter Eis gibt, etwa auf Titan. Und da stellt sich die Frage: Welche Varianten gibt es dort? Es könnten Kometen auf diesen Monden eingeschlagen sein. Bei diesen Einschlägen müssen extreme Drücke geherrscht haben, sodass es dort ganz merkwürdige Formen von Eis geben könnte. Eine neue Form von Eis hat auch eine andere Dichte. Und das hätte dann Einfluss auf das Modell, das sich die Forscher von einem Himmelskörper machen: Dann müssten sie ihm eine neue Masse zuordnen, oder andere Werte dafür, wie stark er Licht reflektiert.
Eis im Weltraum fasziniert auch Christoph Salzmann von der Universität Innsbruck. Der Chemiker sitzt an seinem Schreibtisch vorm Computer. Und was sofort ins Auge fällt, ist der Bildschirmschoner auf dem Monitor.
Man sieht hier den Saturnmond Phoebe. Das sind jüngste Bilder von der Cassini-Weltraumsonde. Man sieht, dass der Mond von Meteoriteneinschlägen relativ zerklüftet ist. Man kann auch an den Hängen der Krater erkennen, dass hier eine weiße Substanz Bestandteil dieses Mondes ist. Und Infrarotaufnahmen haben gezeigt, dass hier unter anderem Wassereis vorkommt.
Dann gibt’s in den Monden des Jupiters sehr große Eisvorkommen. Diese Monde haben zum Teil Eismäntel von bis zu 900 km Durchmesser. Da baut sich natürlich im Inneren dieser Monde ein ziemlicher Druck auf. Und dadurch kann’s eben vorkommen, dass hier andere kristalline Eismodifikationen vorgefunden werden. In Ganymed hat man vorausgesagt, dass man in einer Tiefe von 900 km Eis VI finden kann.
In 900 Kilometern Tiefe herrscht ein Druck von 20.000 Atmosphären. Und die Messungen der Raumsonde Galileo vor vier Jahren deuten darauf hin, dass tatsächlich Eis-VI in den Tiefen von Ganymed vergraben liegt. Noch extremer aber sind die Verhältnisse, wenn ein Komet mit voller Wucht auf so einem Eismond aufschlägt.
Es ist schwierig zu sagen, welche Drücke da im Spiel sind. Man sieht nur das Resultat. Man sieht z.B. die zerklüftete Oberfläche vom Saturnmond Phoebe. Und welche Drücke da tatsächlich geherrscht haben beim Einschlag, das kann man so nicht sagen. Aber wenn man jetzt den Umkehrschluss machen könnte, wenn man tatsächlich herausfinden würde, dass an diesen Einschlagkratern Hochdruckeis-Modifikationen sich befinden, dann könnte man Rückschlüsse machen auf die Druckverhältnisse, die während eines solchen Einschlages aufgetreten sind.
Nur: Wie will man das herausbekommen? Etwa, indem man eine Raumsonde landen und Bohrkerne ziehen lässt?
Die Probenahme wäre natürlich die beste Möglichkeit. Aber es gibt auch Methoden aus der Ferne, spektroskopische Methoden, wo man dieser Fragestellung auf den Grund gehen kann.
Vor allem sind die Fachleute darauf gespannt, welche Bilder die Infrarotkamera an Bord der Saturnsonde Cassini schießen wird. Doch das meiste Eis, das sich im Weltraum findet, ist gar nicht kristallin, sondern amorph, glasartig. Ingrid Kohl:
Im Weltall ist es sehr kalt. Wenn immer diese zwei Dinge zusammenkommen, Wasserdampf und tiefe Temperaturen, dann bildet sich auch amorphes Eis.
Amorphes Eis hat eine ganz erstaunliche Eigenschaft. Es kann Stoffe gelöst haben - im Gegensatz zum kristallinen Festkörper. Nehmen Sie Wasser und lösen Sie in diesem Wasser Salz, normales Kochsalz. Wenn Sie diese Lösung gefrieren, werden Sie reines Eis bekommen, und in der Flüssigkeit bleibt eine konzentriertere Salzlösung zurück.
Auch Kometen bestehen aus amorphem Eis. Und das bringt die Eisforscher wie Ingrid Kohl auf einen interessanten Gedanken.
Das ist sehr wichtig, wenn man annimmt, dass amorphes Eis im Weltraum Moleküle transportieren könnte. Das wäre eine Annahme - das ist natürlich sehr spekulativ - wie Grundbausteine zur Entstehung des Lebens durch den Weltraum transportiert werden können. Der Kristall kann so etwas nicht machen. Sobald die Kristallisation abläuft, werden die gelösten Stoffe ausgestoßen und würden der sehr, sehr energiereichen Strahlung ausgesetzt werden und zerstört werden.
Ein Komet als eine Art Weltraumtaxi, das das Leben von anderen Himmelskörpern zur Erde gebracht hat? Diese Frage wird womöglich die Raumsonde Rosetta beantworten. Unlängst gestartet soll sie im Jahre 2014 einen kleinen Roboter auf einem Kometen absetzen. Der Roboter soll im Kometeneis bohren und nach Spuren von organischen Kohlenstoffverbindungen suchen - also den Grundbausteinen des Lebens.
Ingrid Kohl aber geht es bei ihrer Eisforschung um etwas anderes - um eine bessere, eine grundlegendere Theorie über einen Stoff namens H2O.
Trotz aller Bemühungen der Wissenschaft hat Wasser immer noch sehr viele erstaunliche Eigenschaften, für die es eine allgemeine physikalische Theorie noch nicht gibt. Es geht auch wirklich darum, dass man die Grundlagen des Stoffes H2O noch genauer verstehen möchte und auch muss.
Eiswürfel schwimmen auf dem Wasser.
Eis ist gefrorenes Wasser.
Was Eis ist und was man mit Eis alles machen kann, weiß jedes Kind. Aber wer ahnt schon, dass die Wissenschaft zwischen 13 Formen von Eiskristallen unterscheidet? Dass es Eis gibt, das aufgebaut ist wie Glas? Und dass man in den Tiefen des Weltraums völlig exotische Varianten von Eis vermutet?
Die Wissenschaft jedenfalls ist mit dem Eis noch lange nicht fertig. Einige Forscher haben sich ihm mit Haut und Haar verschrieben, untersuchen es in ihren Laboren mit Spezialapparaturen und Hightech-Mikroskopen.
Zitat: John blickte ins Eis, studierte die Formen und versuchte zu verstehen, was sie bedeuten. Das Meer konnte eben doch aus eigener Kraft über sich selbst hinauswachsen, hier war der Beweis. Hier fand er, was seine Träume gemeint hatten.
Stunde für Stunde zeichnete er die Formen der Eisberge ins Strafenbuch. Er versuchte zu benennen, was er sah, aber das gelang schlecht. Es war eher eine Musik, die man in Notenschrift hätte schreiben müssen. Das feingerippte Meer umspielte und trug die Eisfiguren wie ein Takt, und sie selbst hatten, wie Klänge, eine Harmonie, obwohl sie doch etwas Gesplittertes und Geborstenes waren. Aber sie wirkten ruhig und zeitlos, so etwas konnte nicht hässlich sein. Hier war es friedlich.
Als der englische Abenteurer John Franklin im frühen 19. Jahrhundert die Arktis erkundete, zeigte er sich höchst beeindruckt von den skurrilen, unwirklichen Eislandschaften. So jedenfalls beschreibt es der Schriftsteller Sten Nadolny in seinem Erfolgsroman "Die Entdeckung der Langsamkeit". Auch die Forscher der Jetztzeit zieht das Eis in seinen Bann.
Eis ist absolut faszinierend. Zunächst einmal, weil es die feste Form von Wasser ist. Und Wasser ist das wichtigste Molekül auf dem ganzen Planeten.
Gene Stanley ist Physikprofessor an der Boston University, USA.
Eis schwimmt auf Wasser. Das ist ungewöhnlich, denn die meisten Feststoffe schwimmen nicht auf ihrer flüssigen Phase. Ihre Dichte ist höher und sie gehen unter. Denn wenn man etwas abkühlt, dann schrumpft es gewöhnlich und wird dichter. In einem Wasserglas aber schwimmen die Eiswürfel oben. Und die meisten Leute wissen auch, dass ein See von oben zufriert und nicht von unten. Denn Wasser besitzt seine größte Dichte bei vier Grad Celsius. Kühlt man vier Grad kaltes Wasser ab, so dehnt es sich aus statt weiter zu schrumpfen. In einem See sinkt das schwere, vier Grad kalte Wasser also zu Boden. Das ein oder zwei Grad kalte Wasser ist leichter, steigt nach oben und gefriert dort zu Eis.
Anomalie des Wassers, so nennen Fachleute dieses Phänomen. Für das Leben ist diese Anomalie existentiell.
Das schützt natürlich alles, was an Leben im Wasser existiert, solange ein Teich oder See nicht bis zum Grund durchfriert. Das ist also wichtig für alles Leben im Wasser!
Joseph Grobe ist Chemieprofessor an der Universität Münster.
Die Anomalie des Wassers hat ihren Grund in der Form des Wassermoleküls. Wasser, H2O, besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.
Das Wassermolekül ist keine Kugel. Es sieht aus wie ein Bumerang. An den Spitzen sind die Wasserstoffatome, in der Mitte sitzt der Sauerstoff. Die beiden Spitzen, die Wasserstoffatome, sind eher positiv geladen, der Sauerstoff hingegen ist eher negativ. Und wenn man genau hinsieht, ragen da aus dem Sauerstoff zwei Ärmchen heraus, sie bestehen aus Elektronen. Insgesamt sieht das Wassermolekül also aus wie ein Tetraeder, eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche. Das Wassermolekül ist ein Tetraeder mit zwei positiven Spitzen und zwei negativen.
Positiv und negativ ziehen sich an, und deshalb können sich zwischen den Wassermolekülen chemische Bindungen ausbilden. Fachleute bezeichnen sie als Wasserstoffbrücken. Ohne diese Brücken würde Eis nicht bei 0 Grad Celsius schmelzen, sondern bei dreistelligen Minustemperaturen. Auf der Erde gäbe es weder Wasser noch Eis, sondern ausschließlich Wasserdampf. Leben könnte auf so einer Erde nicht existieren.
Die Wassermoleküle bilden also Wasserstoffbrücken zwischen sich aus. Und je tiefer die Temperatur ist, desto mehr Brücken entstehen und desto dichter sollte der Stoff eigentlich sein. Aber wenn Wasser zu Eis gefriert, bildet sich ein Kristall, der weniger dicht ist als die Flüssigkeit, und zwar um 10%. Genau deshalb schaut ein Eisberg immer zu einem Zehntel aus dem Wasser heraus. Die restlichen 90% sind unter Wasser.
Der Grund: In einem Eiskristall ist jedes Molekül fest verankert, und zwar zwischen vier anderen Wassermolekülen. Das ist eine relativ offene Struktur mit relativ viel Platz dazwischen. Im Wasser hingegen gibt es viel weniger Wasserstoffbrücken. Die Moleküle sind nicht so fest verankert und können deutlich enger zusammenrücken als im Eis. Also ist Wasser dichter als Eis. Darum treiben Eisschollen und Eisberge an der Oberfläche. Und deshalb dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus und sprengt Bauwerke, Straßen und Sprudelflaschen.
Und die Anomalie des Wassers hat noch eine weitere Konsequenz: Auf Glas oder Asphalt kann man nicht Schlittschuh laufen - auf Eis schon. Aber warum?
Wenn wir auf eine Eisoberfläche Druck ausüben, bedeutet das, dass dieser Druck dazu führt, dass das Wasser unter dem äußeren Druck schmilzt. Wenn wir auf einer Glasoberfläche Schlittschuh laufen wollten, dann funktioniert das nicht. Auf Eis funktioniert das deshalb, weil sich unter dem Druck der schmalen Kufe das Wasser verflüssigt. Wir fahren also auf flüssigem Wasser. Sobald der Druck weg ist, erstarrt das wieder. Sodass wir also im Grunde genommen auf Wassermolekülen Schlittschuh laufen.
Mit 500 bar, 500 Atmosphären drückt ein Schlittschuh auf die Eisfläche. Unter dem Druck möchte das Eis möglichst wenig Volumen einnehmen - und wird deshalb zu Wasser, denn Wasser nimmt ja 10% weniger Volumen ein als Eis. Also gleitet der Schlittschuh auf einem Wasserfilm. Hinzu kommt, dass Eis sowieso schon mit einem hauchdünnen Wasserfilm überzogen ist. Er misst nur millionstel Millimeter. Diese Schicht macht Eis quasi von Natur aus rutschig. Der Druck des Schlittschuhs vergrößert den Wasserfilm noch, und man kann noch besser gleiten.
Zitat: Jetzt wurde es ernstlich kalt. Die Takelage vereiste, das laufende Gut fror so steif, dass es sich vom stehenden in nichts mehr unterschied. Die Wache hatte nicht nur zu pumpen, sondern auch noch mit Stöcken auf die Taue zu schlagen, um sie beweglich zu halten. Alle Segelmanöver wurden zu Abenteuern, und die Kälte nahm immer noch zu. Jedermann hustete herzzerbrechend. John hingegen wurde übermütig. Er untersuchte den Schnee und trug die Formen der Schneeflocken ins Strafenbuch ein. "Schnee ist im Prinzip sechswinkelig", schrieb er. Schließlich war Forschung der Zweck seiner Reise.
Als John Franklin im 19. Jahrhundert auf seinen Expeditionen Schneeflocken studierte, konnte er eines noch nicht wissen: Schnee und Eis unterscheiden sich grundsätzlich eigentlich gar nicht. Mikroskopisch gesehen sind sie gleich, sie basieren auf ein- und derselben Kristallform. Allein die Art, wie sich winzige Wasserkriställchen zu größeren Strukturen zusammenfinden, entscheidet darüber, ob wir es mit spiegelglatten Eisflächen zu tun haben, mit glitzerndem Rauhreif oder mit grazilen Schneeflocken.
Entscheidend sind die Bedingungen, unter denen das Wasser gefriert: Wird es sehr schnell sehr kalt, bilden sich Eisnadeln und Eisplättchen. Auf einem See, der Schicht für Schicht von oben nach unten zufriert, entstehen riesige Eisflächen. Und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt fallen luftige, leichte Flocken vom Himmel, bestehend aus vielen zusammengeketteten Kriställchen, sagt Joseph Grobe.
Das sind von einem Kristallkeim ausgehende Wachstumsformen, wenn sich schöne Schneekristalle ausbilden. Das geht von einem Zentrum aus. Dann lagern sich zusätzliche Wassermoleküle immer außen an und es wachsen schöne, sternchenförmige Kristalle.
Keine Schneeflocke gleicht der anderen. Unterm Mikroskop hat jede Flocke ihre individuelle Struktur. Der Grundbauplan alles irdischen Eises aber ist immer gleich: Wie Bienenwaben ordnen sich die tetraederförmigen Moleküle zu Sechsecken an. Der Experte spricht von einer hexagonalen Struktur, er bezeichnet sie als ”Eis römisch I”. Doch dieses Eis I, das gewöhnliche Eis, ist quasi nur die Spitze des Eisberges.
Es gibt nicht nur ein Eis. Es gibt viele Formen von Eis. Und wir entdecken immer noch neue Varianten. Da stellt sich die Frage: Warum gibt es so viele Formen von Eis? Wasser ist ein simples Molekül. Da sollte es wie andere einfache Moleküle eigentlich nur auf eine bestimmte Art und Weise kristallisieren.
Anno 1900 wurden bei Kompressionsversuchen zwei seltsame Kristallformen entdeckt. Einige Jahre später erfand der spätere Nobelpreisträger Percy Bridgman eine neue Druckpresse. Mit ihr konnte er Eisproben systematisch zusammenquetschen und untersuchen. Bridgman identifizierte die neuen Kristallformen als Eis II und Eis III, später entdeckte er die Sorten IV VI. Heute kennen die Forscher 13 verschiedene Kristallsorten, durchnumeriert mit römischen Zahlen. Es gibt zwei Varianten vom Eis I, dann geht es weiter bis Eis XII.
Wenn man Eis unter riesigen Druck setzt, (13:40) wird das Volumen zunächst sinken wie bei jedem anderen Stoff, den man zusammenquetscht. Doch wenn man Eis immer noch weiter zusammendrückt, passiert etwas Rätselhaftes: Dann steigt die Dichte nicht mehr langsam, sondern sprunghaft, und zwar um 30%. Dieser Sprung ist ein Phasenübergang. Eis existiert in mehr als einer Phase.
Im Prinzip gilt für alle 13 Arten von Eis: Ein Wassermolekül ist von vier anderen umgeben. Doch im Gegensatz zum herkömmlichen Eis sind die Bindungen, die Wasserstoffbrücken, bei den anderen Eissorten auf unterschiedlichste Art gestaucht und verbogen, oder die Kristallgitter sind sogar ineinander verschachtelt. Dann gehen die Wassermoleküle nicht nur mit den nächsten Nachbarn Bindungen ein, sondern auch mit den übernächsten. Deshalb zeigen manche der exotischen Eisformen höchst ungewöhnliche Eigenschaften: Eis VI ist so dicht, dass es nicht auf dem Wasser schwimmen, sondern untergehen würde. Eis VII ist bei einem Druck von 10.000 bar selbst bei 500 Grad Hitze noch gefroren. Würde es unter solch extremen Bedingungen schneien, kämen viereckige Schneeflocken vom Himmel. Warum sich bei einem bestimmten Druck und bei einer bestimmten Temperatur gerade diese und keine andere Eissorte bildet, ist den Forschern bis heute noch nicht im Detail klar. Dazu sind schlicht die Eigenschaften der Wasserstoffbrücken noch nicht gut genug verstanden.
1987 erzeugten Forscher in Innsbruck eine weitere Sorte von Eis: Sie zerstäubten Wasser in feinste Tröpfchen und schossen sie auf eine Platte, die mit Flüssigstickstoff auf fast minus 200 Grad Celsius gekühlt war.
Das geschah so plötzlich, dass den Wassermolekülen buchstäblich keine Zeit blieb, sich zu Kristallen zu ordnen. Wenn ein See zufriert, haben die Moleküle genug Zeit, sich zu einem Kristall zusammenzufinden - zu einer hauchdünnen Eischicht, die im Laufe von Stunden immer dicker wird. Doch als die Forscher in Innsbruck ihre Tröpfchen auf die kalte Platte schossen, blieben die Wassermoleküle statt sich in Reih und Glied zu ordnen einfach in ihrer Unordnung stehen. Wir bezeichnen diesen Zustand als amorphes Eis, glasartiges Eis.
Wasserglas, wenn man so will. In ihm sind die Moleküle genauso ungeordnet wie in einer Flüssigkeit, aber ebenso bewegungslos wie in einem Kristall. Glas ist auch so ein amorpher Stoff. Würde man lange genug warten, einige Jahrhunderte oder Jahrtausende, würde Glas wie eine Flüssigkeit zu Boden fließen. Und mit diesem seltsamen Glaseis beschäftigt man sich in Innsbruck auch heute noch.
Zitat: Und dann schlichen zwei riesige Eisfelder aufeinander zu, nahmen die Dorothea in die Mitte und klemmten sie ein, dass die Spanten krachten. Sie wurde sogar ein Stück emporgehoben. Wenig später ging es der Trent ähnlich, wenn auch glimpflicher. Jetzt saßen sie fest wie angenietet. Wie zum Hohn kam von achtern ein Eisberg immer näher herangerückt. Plötzlich stürmte Gilfillan, der Schiffsarzt, aus seiner Kammer und rief: ”Ich glaube, unter meinem Bett rinnt es!
Ein Labor am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck. Ingrid Kohl bereitet ein spektakuläres Experiment vor. Die Chemikerin will Eis zusammenpressen auf einen Druck einige tausend Mal höher als der Luftdruck.
Kohl holt einen Metallzylinder aus dem Trockenschrank - die Hand eingewickelt in ein Tuch, denn das Metall ist heiß.
Der Grund, warum wir den Druckzylinder hier drinnen haben, ist, dass die Metalle weniger stark korrodieren.
Gleich soll der Druckzylinder in ein 2,50 Meter hohes Metallgestell eingesetzt werden. Es sieht aus wie ein zu groß geratener Türrahmen aus Aluminium. Das Ding ist eine Hochdruckpresse. In der Industrie dient sie als Prüfmaschine für Werkstoffe. Hier in Innsbruck hat man sie umfunktioniert zu einem wissenschaftlichen Analysegerät.
Das Experiment wird ja bei sehr hohen Drucken durchgeführt. Bis zu zwei Gigapascal Druck können wir aufbringen. Das heißt 20.000 Mal der Druck der Atmosphäre. Und da bestehen schon ordentliche Ansprüche ans Material.
Der Druckzylinder ist aus gehärtetem Stahl und hat eine dünne Bohrung in der Mitte. Kohl nimmt ihn und steckt ihn in eine Handpresse, um die Reste des vorherigen Versuchs herauszuquetschen. Jetzt holt sie einen Kochtopf aus der Ecke, rundherum mit Schaumstoff isoliert.
Den haben wir im Prinzip aus Mutters Küche geklaut. Das ist ein ganz normaler Edelstahlkochtopf. (7:40) In diesen Edelstahlkochtopf kommt jetzt der Druckzylinder hinein. So können wir den Zylinder sehr schnell abkühlen, indem wir flüssigen Stickstoff in das Gefäß leeren. Samt dem Kochtopf kommt der Presszylinder dann in die Materialprüfmaschine hinein.
Aber wir geben noch Isoliermasse dazwischen. (12:00) Im Extremfall könnte hier ja auch ein Metallteil herausfliegen und jemanden verletzen. Also da muss man schon sehr mit Vorsicht arbeiten.
Um Eis zu machen, braucht man ein Kühlmittel. Kohl greift zu einer Brachialmethode - zu flüssigem Stickstoff, an die minus 200 Grad kalt.
Mit einer Art Weinkühler in der Hand geht sie zu einer großen, metallenen Thermoskanne, streift sich Handschuhe über und greift zur Schutzbrille.
Beim Hantieren mit so kalten Flüssigkeiten, knapp minus 200 Grad Celsius, muss man auch für seine Augen Vorsorge tragen, damit nicht möglicherweise ein Tropfen in die Augen spritzt und verletzt. Das ist jetzt etwas laut.
Fauchend und brodelnd ergießt sich der Flüssigstickstoff in den Weinkühler. Flugs trägt ihn Kohl zur Presse, wo der Kochtopf schon wartet.
Und das Ganze leeren wir jetzt einfach.
Eine dicke Dampfschwade steigt hoch. Sie ist nicht etwa brütend heiß, sondern eisig kalt.
Der flüssige Stickstoff siedet und kühlt jetzt unseren Druckzylinder ab. Natürlich müssen wir mehrmals nachschütten, bis der Druckzylinder wirklich die Temperatur von 77 Kelvin erreicht hat:
Fehlt noch das Eis, das die Chemikerin gleich zusammenpressen will. Eine winzige Menge destilliertes Wasser reicht. Kohl träufelt es mit einer Pipette in den ultrakalten Druckzylinder.
Das muss sehr schnell stattfinden. Sonst gefriert einem, sobald man in die Nähe des kalten Zylinders kommt, das Wasser in der Pipette. 0,3 Milliliter nehmen wir standardmäßig. Das hat sich als eine angenehme Menge herausgestellt.
Sobald das Tröpfchen in die Bohrung des Zylinders fällt, gefriert es schlagartig. Gleich soll die Hochdruckpresse nach unten fahren und ihren Stempel genau in die Bohrung des Zylinders drücken - dort, wo der kleine Eistropfen liegt. Kohl tippt ein paar Befehle in den Rechner. Das Experiment beginnt.
Langsam fährt der Motor den Stempel nach unten. Eine Minute später setzt der Stempel vorsichtig auf dem Eistropfen auf.
Ingrid Kohl startet das Messprogramm. Stück für Stück drückt der Computer den Stempel immer fester zu. Sensoren messen die entscheidenden Größen: Druck, Volumen, Temperatur. Aus diesen Daten lesen die Forscher heraus, wie sich das Eiströpfchen unter dem Extremdruck verändert, ob es sich in amorphes, glasartiges Eis verwandelt.
Doch dann, bei einem Druck von 1000 Atmosphären, drückt Kohl auf die Stopptaste. Das laute Knacken ist ein schlechte Zeichen: Etwas scheint mit der Apparatur nicht zu stimmen. Vielleicht sitzt der Stempel nicht sauber auf der Probe. Ein wenig frustriert bricht die Chemikerin den Versuch für heute ab.
Vor einiger Zeit aber haben sie und ihre Kollegen bei ihren Druckversuchen etwas Bemerkenswertes entdeckt, und zwar als sie das gequetschte Eis von minus 200 auf minus 120 Grad erwärmten.
Was neu und erstaunlich war, dass dieses amorphe Eis beim Erwärmen seine Dichte noch erhöht hat. Wir haben dann den Vorschlag gemacht, dass das eine weitere amorphe Phase sein könnte.
Eis, das sich beim Erwärmen nicht ausdehnt, sondern weiter zusammenzieht. Das ungewöhnliche amorphe Eis von Ingrid Kohl besitzt eine extrem hohe Dichte. Es ist um mehr als ein Drittel dichter als gewöhnliches Eis und immerhin um sieben Prozent dichter als andere Sorten von Wasserglas. Warum das im Detail so ist, das können die Forscher nur vermuten.
Wir glauben, dass bei so tiefen Temperaturen unmöglich ein Festkörper entstehen konnte, dessen Moleküle sich günstig zueinander ordnen konnten. Das war dem Festkörper bei diesen Temperaturen nicht möglich. Erst beim Erwärmen erhält der Festkörper die nötige Energie, um seine Struktur zu optimieren.
Dass die Wissenschaftler noch rätseln, liegt vor allem ein einem - der Natur der Wasserstoffbrücken. Wie diese sich im Detail verhalten, ist noch längst nicht verstanden.
Zitat: Franklin ging mit dem Zimmermann hinunter und ließ sich die Stelle zeigen. So fanden sie das Leck. Ein Werftarbeiter hatte einen verfaulten Bolzen herausgenommen und, statt den neuen einzusetzen und zu sichern, die Lücke nur mit einem Batzen Teer überschmiert. Der hielt zwar kein Wasser ab, verhinderte aber die Sicht auf das Loch. Als die Trent wieder dicht war, rann nur noch einiges durch die Kehlen. Stunden später kamen alle wieder auf die Beine und stellten fest, dass das Schiff im offenen Wasser schwamm. Das Eis tat, was es wollte.
Warum ist Eis so kompliziert? Ich meine, es ist doch bloß Wasserstoff und Sauerstoff. Aber wenn man es zusammenquetscht, stößt man auf 13 verschiedene Kristallformen. Kein anderer Stoff zeigt eine so große Vielfalt.
Der Physiker Maddury Somayazulu arbeitet und forscht am Carnegy-Institut in Washington. Er macht etwas Ähnliches wie Ingrid Kohl in Innsbruck, aber er macht es noch extremer: Somayazulu presst Eis so stark zusammen wie es eben geht.
Wir haben Eis auf 2,5 Mio. Atmosphären zusammengequetscht. So viel hat bislang noch keiner geschafft. Bis an die Grenzen zu gehen, um zu sehen, ob es noch weitere Formen von Eis gibt, ist ein faszinierendes Spiel. Ich mache das seit zehn Jahren, aber langweilig ist es mir nie geworden. Ich mache das immer weiter.
Um seine Rekorddrücke zu erreichen, verwendet Somayazulu einen Stempel aus Diamant.
Ein Diamantstempel besteht aus zwei Diamanten, die mit enormer Wucht aufeinander gepresst werden, und zwischen ihnen steckt die Probe. Mit so einem Stempel kann man quasi bis ins Innere der Erde reisen - bis zu einem Druck von 3,4 Millionen Atmosphären.
Bei einem ihrer Versuche kühlten die Forscher die Eisprobe im Stempel auf 7 Grad Kelvin ab, 7 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Dann traten ihre Stempel in Aktion. Das Resultat:
Wir glauben, dass wir zwei neue Formen von Eis entdeckt haben. Wir haben zwar noch keine Idee, wie diese Formen aussehen. Aber bei Computersimulationen tauchten kürzlich ebenfalls zwei neue, unbekannte Varianten auf. Und nun fragen wir uns, ob das nicht womöglich mit unseren Messungen übereinstimmt. Im Moment nennen wir es Eis VII Strich und Eis X Strich.
Behält Somayazulu Recht, so wären zwei neue Sorten von Eis gefunden - Eis XIII und Eis XIV. Hier auf der Erde finden sich derart exotische Varianten allerdings nirgends. Selbst jene Drücke, die unter den kilometerdicken Gletschern der Antarktis herrschen, reichen nicht aus, um etwas anderes als Eis I hervorzubringen. Aber:
Wir wissen, dass es auf Planeten wie Jupiter Wasser gibt. Wie wirkt sich die gewaltige Schwerkraft auf das Eis dort aus? Wir wissen auch, dass es auf den Monden von Saturn und von Jupiter Eis gibt, etwa auf Titan. Und da stellt sich die Frage: Welche Varianten gibt es dort? Es könnten Kometen auf diesen Monden eingeschlagen sein. Bei diesen Einschlägen müssen extreme Drücke geherrscht haben, sodass es dort ganz merkwürdige Formen von Eis geben könnte. Eine neue Form von Eis hat auch eine andere Dichte. Und das hätte dann Einfluss auf das Modell, das sich die Forscher von einem Himmelskörper machen: Dann müssten sie ihm eine neue Masse zuordnen, oder andere Werte dafür, wie stark er Licht reflektiert.
Eis im Weltraum fasziniert auch Christoph Salzmann von der Universität Innsbruck. Der Chemiker sitzt an seinem Schreibtisch vorm Computer. Und was sofort ins Auge fällt, ist der Bildschirmschoner auf dem Monitor.
Man sieht hier den Saturnmond Phoebe. Das sind jüngste Bilder von der Cassini-Weltraumsonde. Man sieht, dass der Mond von Meteoriteneinschlägen relativ zerklüftet ist. Man kann auch an den Hängen der Krater erkennen, dass hier eine weiße Substanz Bestandteil dieses Mondes ist. Und Infrarotaufnahmen haben gezeigt, dass hier unter anderem Wassereis vorkommt.
Dann gibt’s in den Monden des Jupiters sehr große Eisvorkommen. Diese Monde haben zum Teil Eismäntel von bis zu 900 km Durchmesser. Da baut sich natürlich im Inneren dieser Monde ein ziemlicher Druck auf. Und dadurch kann’s eben vorkommen, dass hier andere kristalline Eismodifikationen vorgefunden werden. In Ganymed hat man vorausgesagt, dass man in einer Tiefe von 900 km Eis VI finden kann.
In 900 Kilometern Tiefe herrscht ein Druck von 20.000 Atmosphären. Und die Messungen der Raumsonde Galileo vor vier Jahren deuten darauf hin, dass tatsächlich Eis-VI in den Tiefen von Ganymed vergraben liegt. Noch extremer aber sind die Verhältnisse, wenn ein Komet mit voller Wucht auf so einem Eismond aufschlägt.
Es ist schwierig zu sagen, welche Drücke da im Spiel sind. Man sieht nur das Resultat. Man sieht z.B. die zerklüftete Oberfläche vom Saturnmond Phoebe. Und welche Drücke da tatsächlich geherrscht haben beim Einschlag, das kann man so nicht sagen. Aber wenn man jetzt den Umkehrschluss machen könnte, wenn man tatsächlich herausfinden würde, dass an diesen Einschlagkratern Hochdruckeis-Modifikationen sich befinden, dann könnte man Rückschlüsse machen auf die Druckverhältnisse, die während eines solchen Einschlages aufgetreten sind.
Nur: Wie will man das herausbekommen? Etwa, indem man eine Raumsonde landen und Bohrkerne ziehen lässt?
Die Probenahme wäre natürlich die beste Möglichkeit. Aber es gibt auch Methoden aus der Ferne, spektroskopische Methoden, wo man dieser Fragestellung auf den Grund gehen kann.
Vor allem sind die Fachleute darauf gespannt, welche Bilder die Infrarotkamera an Bord der Saturnsonde Cassini schießen wird. Doch das meiste Eis, das sich im Weltraum findet, ist gar nicht kristallin, sondern amorph, glasartig. Ingrid Kohl:
Im Weltall ist es sehr kalt. Wenn immer diese zwei Dinge zusammenkommen, Wasserdampf und tiefe Temperaturen, dann bildet sich auch amorphes Eis.
Amorphes Eis hat eine ganz erstaunliche Eigenschaft. Es kann Stoffe gelöst haben - im Gegensatz zum kristallinen Festkörper. Nehmen Sie Wasser und lösen Sie in diesem Wasser Salz, normales Kochsalz. Wenn Sie diese Lösung gefrieren, werden Sie reines Eis bekommen, und in der Flüssigkeit bleibt eine konzentriertere Salzlösung zurück.
Auch Kometen bestehen aus amorphem Eis. Und das bringt die Eisforscher wie Ingrid Kohl auf einen interessanten Gedanken.
Das ist sehr wichtig, wenn man annimmt, dass amorphes Eis im Weltraum Moleküle transportieren könnte. Das wäre eine Annahme - das ist natürlich sehr spekulativ - wie Grundbausteine zur Entstehung des Lebens durch den Weltraum transportiert werden können. Der Kristall kann so etwas nicht machen. Sobald die Kristallisation abläuft, werden die gelösten Stoffe ausgestoßen und würden der sehr, sehr energiereichen Strahlung ausgesetzt werden und zerstört werden.
Ein Komet als eine Art Weltraumtaxi, das das Leben von anderen Himmelskörpern zur Erde gebracht hat? Diese Frage wird womöglich die Raumsonde Rosetta beantworten. Unlängst gestartet soll sie im Jahre 2014 einen kleinen Roboter auf einem Kometen absetzen. Der Roboter soll im Kometeneis bohren und nach Spuren von organischen Kohlenstoffverbindungen suchen - also den Grundbausteinen des Lebens.
Ingrid Kohl aber geht es bei ihrer Eisforschung um etwas anderes - um eine bessere, eine grundlegendere Theorie über einen Stoff namens H2O.
Trotz aller Bemühungen der Wissenschaft hat Wasser immer noch sehr viele erstaunliche Eigenschaften, für die es eine allgemeine physikalische Theorie noch nicht gibt. Es geht auch wirklich darum, dass man die Grundlagen des Stoffes H2O noch genauer verstehen möchte und auch muss.