Bei den ersten Experimenten hatten Fußmann und Kollegen den aufsteigenden Bällen Papier in den Weg gehalten. Da es sich bei der Berührung nicht entzündete, vermuteten die Wissenschaftler, dass die Kugeln relativ kühl sind. Das erwies sich als Irrtum. In den vergangenen zwei Jahren sind die zwei Professoren zusammen mit zwei Diplomanden dem Phänomen nach allen Regeln der physikalischen Messkunst auf den Leib gerückt – und haben allerhand Erstaunliches herausgefunden.
Spinnennetz aus Elektronen
So zeigen Hochgeschwindigkeitskameras, wie sich kurz nach der Spannungsentladung innerhalb von wenigen tausendstel Sekunden um die obere Elektrode herum ein spinnenartiges, leuchtendes Netz auf der Wasseroberfläche ausbreitet. Ursache hierfür ist die hohe Spannung zwischen der unteren Elektrode und der Wasseroberfläche, auf der sich elektrische Ladungsträger sammeln. Dadurch entsteht auch ein hohes Feld zwischen der Oberfläche und der oberen Elektrode, zu der die Ladungsträger aus allen Richtungen hinströmen.
Dieser Strom erhitzt den Wassertropfen an der oberen Elektrode so stark, dass er verdampft und teilweise in ein Plasma, also ein ionisiertes Gas, überführt wird. Der Durchmesser der mit etwa einem Meter pro Sekunde aufsteigenden Kugel vergrößert sich dabei von etwa acht bis auf 20 Zentimeter. Dann verformt sich die Kugel zu einem reifenförmigen Gebilde und verlöscht. Die Plasmablase enthält nur etwa ein bis drei Zehntelgramm Gas.
Hitze schmilzt Messgerät
Erste Erkenntnisse über die Temperatur erbrachten Experimente mit Thermoelementen. Das sind in diesem Falle zwei extrem dünne Drähte aus unterschiedlichen Metallen, die an beiden Enden miteinander verschweißt werden. Tritt zwischen den Enden eine Temperaturdifferenz auf, so fließt ein Strom, der sich leicht messen lässt. Die Stärke des Stroms liefert ein Maß für die Temperatur an dem Ende des Thermoelements, das mit dem Messobjekt Kontakt hat. Bei diesen Versuchen hielten es die Physiker in die Plasmabälle. Etwa 1.300 Grad Celsius maßen sie – dann schmolz der Draht.
Start mit 5.000 Grad
Nur berührungslose Messungen konnten ihnen weiterhelfen. Als Mittel der Wahl gilt in solchen Fällen immer Spektroskopie. Die Diplomanden Alex Versteegh von der Technischen Universität Eindhoven und Stefan Noack von der Uni Leipzig, die von Fußmanns Experimenten gehört hatten und unbedingt mit daran forschen wollten, unternahmen diese Experimente. Sie mussten in kurzen Zeitabständen das Licht der Plasmakugel mit einem Spektrographen analysieren.
Bei ihren Untersuchungen wiesen die Forscher charakteristische Strahlungslinien von Kalziumhydroxid und anderen Molekülen sowie von Atomen und Ionen nach. Hieraus schließen die Physiker, dass in den Kugeln anfänglich eine Temperatur um 5.000 Grad herrscht, die dann innerhalb der ersten Zehntelsekunde auf etwa die Hälfte sinkt. Das ist schon ein recht heißes Plasma, in dem Elektronen und positive Ionen etwa von Natrium, Kalzium oder Kupfer existieren. Während die ersten beiden Stoffe in Form von Salzen im Leitungswasser enthalten sind, stammt das Kupfer aus der Elektrode.
Thomas Bührke / MaxPlanckForschung
Stand: 22.08.2008
