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Die Physik der Schlagsahne

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Lassen Sie uns ein kleines wissenschaftliches Experiment machen. Wenn Sie eine Dose Schlagsahne im Kühlschrank haben, holen Sie sie heraus. Sprühen Sie eine großzügige Portion auf einen Löffel und schauen genau hin.

Bemerken Sie irgendetwas interessantes? Die Schlagsahne machte gerade etwas eher seltsames. Zuerst kam sie wie eine Flüssigkeit aus der Düse heraus und dann, nur einen Augenblick später, lag sie steif auf dem Löffel, als ob sie fest wäre. Was verursachte diese Veränderung?

(Während Sie darüber nachgrübeln, essen Sie die Sahne, im Namen der Wissenschaft.) 

Schlagsahne verändert sich so schnell aufgrund eines Phänomens, welches "Strukturviskosität" genannt wird. (Anmerkung d. Übersetzers: Im Englischen wird dies "Shear Thinning genannt. Dies macht den Begriff der Strukturviskosität klarer, da eine Flüssigkeit auf die eine stärkere Scherung (shear) wirkt, weniger viskos (zähflüssig - thin) ist.)

Wenn Teile des Schaums gezwungen werden, am Rest des Schaums vorbeizugleiten (oder Scheren), wird der Schaum "dünner". Er ist dann weniger wie Honig und mehr wie Wasser, was es erlaubt zu fließen, bis die Scherung aufhört.

Strukturviskosität gibt es in vielen Substanzen -- z.B. Ketchup, Blut, Motoröl, Farbe und flüssigen Polymeren wie Plastik -- und ist oftmals ausschlaggebend für die Nutzung einer Substanz. Zum Beispiel ist eine zu hohe Strukturviskosität bei Motoröl nicht erwünscht, weil es die Fähigkeit des Öls aufheben würde, den Motor vor Abnutzung zu schützen. Die Strukturviskosität von Farbe führt dazu, dass sie problemlos vom Pinsel fließt, aber dann fest an der Wand haftet. Ketchup fließt dadurch auch gut aus der Flasche, tropft aber nicht von Ihren Pommes hinunter.

Dennoch habe sich Wissenschaftler jahrelang die gleiche Frage gestellt: Was bewirkt die Veränderung? Die inneren Abläufe der Strukturviskosität sind noch nicht vollständig klar.

"Die Details hängen von den Wechselwirkungen in der Flüssigkeit auf molekularem Level ab und diese Wechselwirkungen können höllisch komplex sein", sagt der Physiker Robert Berg vom National Institute of Standards and Technology. "Selbst bei sehr einfachen Flüssigkeiten wurden die grundlegenden Theorien noch nie direkt überprüft."

Bis jetzt. Die erste praktische Bestätigung wie Strukturviskosität in einer einfachen Flüssigkeit wirkt, stammte von einem Experiment, das an Bord des Space Shuttles Columbia mitflog.

"Wir zeigten, dass die führende Theorie grundsätzlich richtig ist", sagt Greg Zimmerli, Projektwissenschaftler für das Experiment an NASAs Glenn Research Center. "Die ist ein wichtiger Schritt", fügt Berg, der leitende Forscher für dieses Experiment, hinzu.

Die meisten der Daten von diesem Experiment, genannt Critical Viscosity of Xenon-2 (CVX-2), -- kritische Viskosität von Xenon-2 -- wurden von den Wissenschaftlern vor der Zerstörung des Shuttles, während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre, zur Erde gesendet. Bemerkenswert ist es auch, dass die Festplatten des Experiments die Katastrophe überstanden haben und unter den Wrackteilen gefunden wurden. Techniker waren in der Lage, den Rest der Daten wiederherzustellen.

CVX-2 wurde entwickelt, um die Strukturviskosität in Xenon zu untersuchen, einer Substanz die in Lampen und Ionen-Raketenantrieben benutzt wird. Xenon ist chemisch inert, weshalb seine Moleküle aus einen einzigen Atom bestehen -- näher kommt man nicht an die fliegenden Billardkugeln eines idealen Gases oder einer Flüssigkeit heran. Im Gegensatz zu Schlagsahne, die aus langen, komplizierten organischen Molekülen besteht, ist Xenon relativ einfach zu verstehen.

"Es ist eine einfachere und damit greifbarere Flüssigkeit für die Theoretiker", sagt Zimmerli.

Einfache Flüssigkeiten wie Xenon haben normalerweise keine Strukturviskosität. Sie sind entweder dick oder dünn und bleiben, wie sie sind. Dies ändert sich aber nahe dem "kritischen Punkt" -- einer speziellen Kombination aus Temperatur und Druck, an dem Flüssigkeiten gleichzeitig als Gas und Flüssigkeit existieren können. An ihrem kritischen Punkt sind einfache Flüssigkeiten in der Lage such "dünn zu scheren", genau wie Schlagsahne es tut.

Xenon gleicht an seinem kritischen Punkt einem trüben Nebel, ein Brei aus mikroskopisch kleinen Taschen mit etwas höherer oder niedrigerer Dichte. Diese kleinen Gebiete variabler Dichte tauchen in einem brodelnden Schaum ständig auf und verschwinden wieder. Dies gibt dem reinen Xenon etwas der strukturellen Komplexität von Mixturen wie etwa Blut.

CVX-2 musste im Weltraum durchgeführt werden: Flüssigkeiten mit einem kritischen Punkt werden leicht zusammengedrückt. Auf der Erde kollabieren sie unter ihrem eigenen Gewicht und sind am Boden dichter. Im freien Fall des Weltraums verschwinden solche Unterschiede -- eine Hauptvoraussetzung für ein gutes Experiment.

Um die Strukturviskosität zu testen, musste CVX-2 Temperatur und Druck in einem kleinen Zylinder abgleichen, um das Xenon an seinen kritischen Punkt zu bringen, und dann die Flüssigkeit sanft mit einem Paddel aus Nickel umzurühren. Indem gemessen wurde, wie stark der Widerstand gegen das Umrühren war, konnte man bestimmen, wie dickflüssig das Xenon war. CVX-2 suchte nach Änderungen in dieser Dickflüssigkeit, während die Rührgeschwindigkeit sowie die Temperatur langsam verändert wurden.

Die Ergebnisse stimmten sehr gut mit den Vorhersagen der "dynamic mode-coupling" Theorie überein.  "Dieses fundamentalere Verständnis könnte uns dabei helfen, bessere Theorien für die Strukturviskosität in Flüssigkeiten zu entwickeln, die komplexer sind als Xenon", sagt Zimmerli.

Das wären gute Nachrichten für Ingenieure, die neue Hochleistungsöle für Autos entwickeln oder Hersteller, die flüssiges Plastik mit genau der richtigen Strukturviskosität herstellen möchten. The Sky is the limit...

Ob möglich ist, die Schlagsahne zu verbessern, ist jedoch eher fraglich.

Quelle: Science(at)NASA

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