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20.02.2018 | Spektakuläre Tiefsttemperatur: Forscherteam misst flüssiges Wasser bei –42,6 Grad

Foto: R. Grisenti

Präzise Messungen

Foto: R. Grisenti

Experimentaufbau

Grafik: ion42

FAIR-Anlage

 

Es ist eine spektakuläre Tiefsttemperatur: Einem Forscherteam um Robert Grisenti vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ist es gelungen, flüssiges Wasser weit unterhalb des Gefrierpunkts bei einer Temperatur von minus 42,6 Grad Celsius nachzuweisen. Dies ist ein Ergebnis von Entwicklungsarbeiten für Experimente am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, könnte aber auch große Fortschritte beim Verständnis unseres Klimas bringen.

Zwar ist bekannt, dass reines Wasser in flüssigem Zustand auch weit unter 0 Grad Celsius vorhanden sein kann, ohne zu gefrieren. Dies hängt von der Probengröße ab. Die schnelle Verdunstungskühlung kleinster Wassertröpfchen im Vakuum bietet eine gute Möglichkeit, um unterkühltes Wasser – unterhalb des Gefrierpunkts, aber dennoch flüssig – zu untersuchen. Jedoch ist es schwierig, unter solchen extremen experimentellen Bedingungen einen verlässlichen Wert der Tropfentemperatur zu erhalten. Dieser aber spielt für weitere Untersuchungen eine entscheidende Rolle. Die zuverlässige und exakte Messung der Temperatur des unterkühlten Wassers ist somit eine Herausforderung.

Bei ihren Arbeiten konnten die Forscherinnen und Forscher eine neue Technik mit nie dagewesener Präzision zur Messung der Temperatur kleinster Wassertropfen demonstrieren. Dahinter stand der Ansatz, die Temperatur der Tropfen über ihren Durchmesser zu bestimmen. Dazu werden warme Wassertropfen, nur wenige Tausendstel Millimeter groß, gleichmäßig und ultrarein, in Form eines gerichteten Flüssigkeitsstrahls in eine Vakuumkammer gesprüht. Die oberen Schichten verdunsten, das Innere kühlt stark ab, die Tröpfchen werden kleiner. Mit optischen Methoden kann diese Größenveränderungen exakt gemessen und anhand der Schrumpfung die Temperatur bestimmen werden. Zentral bei dieser hochpräzisen Messung ist die einzigartige Messinfrastruktur, die bei GSI für die Raman-Spektroskopie verfügbar ist: Die Tröpfchen werden mit einem Laserstrahl beleuchtet, das Spektrum des gestreuten Lichts und seine Form lassen zu, den Tröpfchendurchmesser zu ermitteln.    

Das Forscherteam kann dabei auf die jahrelange Expertise bei GSI und des derzeit entstehenden internationalen Beschleunigerzentrums FAIR vor allem bei der Target-Entwicklung für Atom- und Kernphysikexperimente aufbauen. Die Teilchenstrahlen werden in der Beschleunigeranlage zu den Experimentierplätzen gelenkt, wo sie wie auf eine Zielscheibe auf die Materialproben, die Targets, treffen. Auch Targets, bestehend aus kleinsten Flüssigkeitsstrahlen, müssen für solche Untersuchungen in der Targethalle und in den Experimentierspeicherringen von GSI und FAIR maßgeschneidert entwickelt werden. Mit FAIR entsteht ein weltweit einzigartiges Beschleunigerzentrum mit großem Erkenntnispotenzial. Die aktuellen Forschungen zum unterkühlten Wasser, die im Rahmen der Target-Entwicklung für FAIR stehen, sind somit zugleich auch ein Beispiel für die Innovationskraft, die in FAIR steckt.  

Tropfen von unterkühltem Wasser kommen aber auch natürlich in der oberen Erdatmosphäre vor – in ähnlichen Bedingungen, wie sie jetzt experimentell von dem Forscherteam geschaffen worden sind. Die Arbeit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Robert Grisenti kann deshalb auch das Verständnis der Eisbildung in der Atmosphäre verbessern und damit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung zuverlässigerer Klimamodelle sein. (BP)

Mehr Informationen

Veröffentlichung in Physical Review Letters 120

Bericht in Nature - Research Highlights

Bericht in Physics World


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Präzise Messungen
Experimentaufbau
FAIR-Anlage
Bei ihren Arbeiten konnten die Forscherinnen und Forscher eine neue Technik mit nie dagewesener Präzision zur Messung der Temperatur kleinster Wassertropfen demonstrieren.
Mit einem experimentellen Aufbau bei GSI hat ein Forscherteam flüssiges Wasser weit unterhalb des Gefrierpunkts bei einer Temperatur von minus 42,6 Grad Celsius nachgewiesen.
Die spektakuläre Tiefsttemperatur für flüssiges Wasser, die bei GSI gemessen wurde, ist ein Ergebnis von Entwicklungsarbeiten für Experimente am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung entsteht.
Foto: R. Grisenti
Foto: R. Grisenti
Grafik: ion42