Plasma im AlltagWeintrauben und der vierte Aggregatzustand

Neben den drei klassischen Aggregatzuständen zählen Physiker das Plasma als vierten Aggregatzustand. Längst wird ein Plasma außerhalb von Lichtbögen angewandt. Mit etwas Fingerspitzengefühl ist es schon mit Weintrauben in der Mikrowelle zu erzeugen. Die Erklärung des Phänomens fanden kanadische Forscher heraus, indem sie intensiv den Versuch untersuchten.

Zwei Traubenhälften liegen auf einem Uhrglas in der Mikrowelle. Am Kontaktpunkt bildet sich ein leuchtendes Plasma.

Berühren sich zwei Traubenhälften in der Mikrowelle, kommt es in Sekundenschnelle zu Funken. Foto: Slepkov Biophotonics Lab, Trent University

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Seit gut zwei Jahrzehnten ist die einfache Anleitung zum Plasma in der Küchenmikrowelle bekannt, nur erklärt wurde es bislang nicht exakt. Eine Traube wird so angeschnitten und aufgeklappt, dass die beiden Hälften über die Fruchthülle verbunden bleiben. Nun wird für wenige Sekunden erhitzt. Das Schutzgitter der Mikrowelle verhindert leider eine gute Sicht, sodass wohl eine Suche auf eingängigen Videoportalen das Phänomen am besten sichtbar macht. Da beginnt eine angeschnittene Weintraube zu blitzen. In Sekundenschnelle erhitzt sich die Luft über den Traubenhälften und der Brücke aus Fruchthaut … und schließlich bildet die ionisierte Luft ein Plasma.

Es gab allerlei Erklärungsversuche, nun wurde aber von kanadischen Forschern belegt, dass der Effekt durch optische Phänomene hervorgerufen wird. Eine zentrale Rolle kommt dabei der Dielektrizitätskonstante von Wasser und der Morphologie zu.

Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für polare Stoffe, denn seine hohe Dielektrizitätskonstante schwächt die Anziehungskraft gegensätzlich geladener Ionen: sie sind stabil gelöst. Diese physikalische Funktion ist aber, anders als der Name vermuten lässt, nicht konstant, sondern beispielsweise abhängig von der Temperatur und vor allem der Frequenz elektromagnetischer Strahlung. Daher wird auch von Permittivität gesprochen.

In der Mikrowelle wird der Strom zunächst in elektromagnetische Strahlung umgewandelt. Diese absorbieren die Wasser-Moleküle und aufgrund ihres Dipols werden sie nicht nur zu Schwingungen, sondern zudem zu Rotationen angeregt. Sie wandeln die elektromagnetische Strahlung in Wärmeenergie um. Das besondere an der Erwärmung durch Mikrowellen ist, dass die elektromagnetische Strahlung ins Essen eindringt und von innen heraus erwärmt.

Hotspots in Trauben

Galt es bislang als wichtig, die Trauben aufzuschneiden und mit der Fruchthaut eine Brücke zwischen den Hälften bestehen zu lassen, gelang der Versuch nun auch mit zwei sich berührenden, ganzen Trauben und ebenso mit Hydrogel-Kugeln. Wenn sich zwei Sphären berühren, entsteht zum Uhrglas hin ein Luftraum, der im Austausch mit der Umgebung eingeschränkt ist.

Mit Wärmebildkameras ist zu sehen, dass bei sich einzeln liegende Trauben im inneren Zentrum am stärksten erwärmen. Auch die elektrische Feldstärke ist bei ihnen im Inneren am höchsten. Bei der Berührung zweier Kugeln wandern der Hotspot und die höchste Feldstärke zum Kontaktpunkt.

Die Forschungsarbeit wendet die Idee der Mie-Streuung – die eigentlich für Licht gilt, das zum Beispiel an der Oberfläche von Regen- oder Regentropfen gestreut wird – auf den Bereich der Mikrowellen an. Die elektromagnetische Streuung wird durch die gewölbte Oberfläche der Trauben umgelenkt und zwischen zwei sich berührenden Kugeln ist die Strahlungsdichte daher höher.

Ein leuchtendes Plasma entsteht

Die Trauben und auch das Hydrogel enthalten vor allem Wasser, aber auch gelöstes Natriumchlorid (NaCl). In der Fruchthaut kommen weitere Metallsalze vor, so sind auch Kalium-Kationen vorhanden. Die Mikrowellen regen die Ionen zu Schwingungen in der eigenen Frequenz an. Dabei bleiben die Atomrümpfe an ihrem Ort, die Elektronen jedoch schwingen kollektiv und bauen hohe Feldstärken oberhalb der Oberfläche auf. Physiker sprechen von Oberflächenplasmonen. So können die Elektronen der Metallsalze in der Fruchthaut die umgebenden Luftmoleküle ionisieren: am stärksten am Kontaktpunkt der Trauben.

An diesem Hotspot entsteht ein Plasma, das sich ausweitet und vom Entstehungsort löst. Das ist nach oben kein Problem, in Richtung Uhrglas jedoch staut sich das Plasma. Die Temperatur steigt auf mehr als achtzig Grad Celsius an. In diesen Hotspots kommt es zu spontanen Entladungen durch Rekombination von Ionen und Elektronen, bei denen die Energie in sichtbares Licht und Wärme umgewandelt wird: das Plasma blitzt und leuchtet. Bei aufgeschnittenen Trauben verkohlt ein Teil der Schnittfläche.

Das ganze Schauspiel läuft innerhalb von vier Sekunden ab. Die Forscher sehen darin Ansatzpunkte für bildgebende Verfahren oder die Entwicklung eines „Spasers“. Ein Spaser ist ein Halbleiter-Plasmonen-Laser und würde Plasmonen sammeln, um Schaltkreise zu steuern. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.

Literatur und Links:

Videos finden sich auf der Website desJournals PNAS von Trauben und Hydrogel-Kugeln (auf Englisch): Link

Original in PNAS (auf Englisch): Link

Beitrag zum Thema in der Welt: Link

Beitrag zum Spaser: Vom Laser zum Spaser. Erika Jonietz (2011). Technology Review: Link

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