In jüngerer Zeit gab es faszinierende Entdeckungen in der Experimentalphysik: Zwei völlig konträre Phänomene, die beide mit Ultraschallfelder zu tun haben. Vor einigen Jahren erregte die sog. Sonolumineszenz die Gemüter der Physiker. Gelang es dabei doch Lichtemission durch ein stehendes Ultraschallfeld zu induzieren. Kürzlich wurde ein weiterer Effekt entdeckt: Kaltes Gas wird in ein stehenden Ultraschallfeld hineingezogen, warmes dagegen aus ihm heraus gedrückt.
Die Sonolumineszenz ist schon seit etliche Jahren bekannt, systematisch wird sie aber erst seit 1990 untersucht. Damals experimentierte der Doktorand Felipe Gaitan von der Universität Mississippi mit einer sich in einem Ultraschallfeld ausdehnenden und zusammenziehenden Luftblase in Wasser. Ihm fiel dabei auf, dass die Blase kurze Lichtblitze von sich gab. Das ist insofern spektakulär, als die Emission von Licht um etliche Größenordnungen mehr Energie erfordert, also das Ultraschallfeld transportiert.
Damit rief das Phänomen die theoretischen Physiker auf den Plan, die sich an einer Lösung des Energieproblems versuchten. Nach grundsätzlichen Arbeiten aus den USA gelang Forschern an der Universität Twente (Niederlanden) offenbar der Durchbruch. Detlef Lohse, Professor des dortigen Lehrstuhls für Fluiddynamik, und Sascha Hilgenfeld, der an der Harvard-Universität forscht, gingen von der Stabilitätsbedingung der Blase im Ultraschallfeld aus: "Es wurde schnell klar, dass die Blase nur dann beständig sein kann, wenn sie weitgehend ihre Kugelform bewahrt. Sie darf deshalb nicht zu groß sein und nicht zu heftig pulsieren; sonst verformt sie sich und zerfällt in viele Mikroblasen. Eine zweite Stabilitätsbedingung ist, dass sich der Gashaushalt der Blase nicht durch Gasaustausch mit dem Wasser verändern darf. Um ihr zu genügen, muß bei gegebenem Antriebsdruck die Menge an Gas in der Blase in einer festen Relation zur Gaskonzentration stehen."
Nachdem Bruno Gompf und Wolfgang Eisenmenger von der Universität Stuttgart anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die zeitlichen, räumlichen und spektralen Information eines Kollapses auswerten konnten, gelangen nun Aussagen über die Lichtentstehung.
Hatte man ursprünglich angenommen, die Lichtemission beim Kollaps resultierte ausschließlich aus der Erhitzung des Gases, musste man nun eine andere Erklärung finden. Denn die spektrale Verteilung der ausgesandten Photonen war nicht - wie erwartet - kontinuierlich, sondern diskret. Die Emission entsteht daher entweder durch die Anregung oder Ionisation der im Gas enthaltenen Atome.
Aus diesen und anderen Befunden erarbeiteten Lohse und Hilgenfeld ein Modell des Kollapses, das bislang allen experimentellen Überprüfungen standhielt:
Diese Erkenntnisse werden nun bei der Entwicklung von mikroskopischen Hochtemperaturreaktoren eingesetzt, in welchen chemische Reaktionen der in der Flüssigkeit gelösten Gase gezielt kontrolliert und manipuliert werden sollen. Auch als Tracer eingesetzte Gasblasen im Blutkreislauf, die ihren Aufenthaltsort durch Schallaussendung preisgeben, könnten eine wertvolle Bereicherung in der diagnostischen Medizin darstellen.
Den zweiten Effekt könnte man problemlos als Kaltgasfalle einsetzen. Ursprünglich wurde das Phänomen entdeckt, als Physiker der Forschungsgruppe "Molekülspektrometrie in Kaltgasströmen und Ultraschallfeldern vom Forschungszentrum Geesthacht im Ultraschallfeld festgehaltene Schneeflocken untersuchten.
Um die Kristallisation eines Wassertröpfens im Feld zu beschleunigen, brachte Sigurd Bauerecker einen massiven Metallstab, den er zuvor in flüssige Luft getaucht hatte, in die Nähe des Feldes. Das vom Stab ausgehende kalte Gas verteilte sich aber nicht gelichmäßig über das Experientierfeld, sondern wurde förmlich in das Ultraschallfeld hineingezogen.
Genauere Untersuchungen des bis dahin unbekannten Effekts zeigten, dass jedes Gas unter der Voraussetzung in das Feld gezogen wird, dass es kälter ist als dessen Umgebung. "Das kalte Medium sammelt sich in den Schwingungsbäuchen der stehenden Schallwellen, wobei ein Materieaustausch über die Hälse der Knoten hinweg stattfindet und für eine gleichmäßige Verteilung sorgt. Bemerenswert ist, dass das eingefangene Gas eine bis auf wenige Grade einheitliche Temperatur aufweist. Diese Zone grenzt sich scharf gegen die wärmere Umgebung ab: Innerhalb weniger Millimeter kann ein Temperaturgefälle um bis zu 50 Grad auftreten."
Da wärmere Gase aus dem Bereich des Ultraschallfeldes herausgedrückt werden, nimmt man an, dass der Effekt etwas mit der Dichte des Mediums zu tun hat; eine vollständige mathematische Beschreibung und eine Erklärung des Phänomens gibt es bislang allerdings nicht.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2000, S. 14 und November 1999, S. 22