Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was
Prof. Ulrich Walter ist Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut und schreibt Kolumnen für N24 Online
Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ulrich Walter Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut Herr Ulrich Walter, Jahrgang 1954, ist Ordinarius für Raumfahrttechnik an der Technischen Elite-Universität München. Nach dem Studium der Physik an der Universität Köln, an den Argonne National Laboratories in Chicago und an der University of California in Berkeley, wurde er im Jahre 1987 ins Deutsche Astronautenteam berufen und trainierte bis zu seiner Shuttle Mission D-2, 26. April bis 6. Mai 1993, am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, in Köln-Porz und am Raumfahrtzentrum der NASA in Houston. Es folgten Stationen beim DLR und bei der IBM. Seit März 2003 leitet er den Lehrstuhl für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München und lehrt und forscht im Bereich Raumfahrttechnologie und Systemtechnik. Seine Schwerpunkte sind Echtzeit-Robotik im Weltraum, Intersatelliten-Kommu­nikations-Technologien, Technologien für planetare Erkundungen und Systemmodellierung und -optimierung. Herr Walter ist unter anderem Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats des Deutschen Museums und Präsident des Hermann-Oberth-Museums in Feucht. Er ist zudem erfolgreich als Autor und Publizist tätig. Prof. Walter wurde bundesweit zum Professor des Jahres 2008 in der Kategorie Ingenieurwissenschaften und Informatik gewählt. 
Alle Kolumnen von Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was

Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was Warum Eis glatt ist

Warum ist Eis glatt, aber ein Steinfußboden nicht? Die genaue Erklärung dafür kennen wir erst seit zwei Monaten - und der Weg dorthin liest sich wie ein Krimi. 

Sie kennen das wahrscheinlich auch. Sie steigen morgens aus der Dusche und sagen sich: Ganz vorsichtig, sonst rutsche ich mit meinen nassen Füßen auf den Bodenfliesen aus. Sie trocknen sich mit dem Handtuch die Füße und dann ist es mit dem Rutschen vorbei. Es ist dann vielmehr genau anders herum. Die feuchten Füße kleben irgendwie auf den glatten Fliesen und wenn man mit den Füßen über die Fliesen streift, quietscht es. Erst wenn nach etwa zehn Minuten die Füße wieder ganz trocken sind, hat man wieder die normale Bodenhaftung.

Offensichtlich ist es der Wasserfilm zwischen dem Fuß und den glatten Fliesen, der das Rutschen verursacht, denn flüssiges Wasser ist - wie jede andere Flüssigkeit auch - nicht scherfest, das heißt es setzt einer Querkraft (Scherung) keinen Widerstand entgegen.

Rutschen unter dem Mikroskop betrachtet

Aber warum haften dann feuchte Füße besser als nasse oder trockene Füße? Das hat etwas mit der mikroskopischen Struktur der Fuß- und Fliesenoberfläche zu tun. Die sind nämlich nicht absolut glatt, sondern sehen unter dem Mikroskop wie eine alpine Berglandschaft aus. Bei trockenen Füßen berühren sich die Bergspitzen gegenseitig und greifen leicht ineinander. Daher rutscht man normalerweise nicht. Aber die Berührung geschieht nur punktweise und nicht vollkommen flächig.

Hier kommt nun die Restfeuchte der Füße ins Spiel. Das wenige Wasser bildet keinen rutschigen Film aus, sondern füllt lediglich die noch offenen Zwischenräume aus. Dadurch wird die Berührung flächig, das Füllmaterial Wasser wirkt mikroskopisch wie ein Kleber und die Haftung nimmt zu. Sind die Füße wieder ganz trocken fällt die Wasserfüllung weg und man hat wieder die ganz normale Haftung zwischen zwei festen Oberflächen.

Wenn wir jetzt fragen: "Warum ist Eis glatt?", dann ist klar, dass auf der Eisoberfläche ein dünner flüssiger Wasserfilm existieren muss, auf dem man "ausrutscht". Das hört sich zunächst wie ein Widerspruch an, denn die Eigenschaft von Eis ist ja gerade, dass es fest ist. Wie so oft bei scheinbaren Paradoxien liegt der Teufel im Detail. Ja, die Oberfläche von Eis ist fest, aber …

So dachte man bisher

Wenn etwas die Oberfläche berührt, ändert sie sich. Was dann genau passiert interessierte die Wissenschaftler schon seit sehr langer Zeit. Das Problem war: Wenn man zum Beispiel Kufen auf die Eisoberfläche stellt, kann man den Bereich zwischen Kufe und Eisoberfläche nicht mehr betrachten, die Kufe steht einer Messung im Weg. Daher haben die Wissenschaftler anfangs spekuliert, was wahrscheinlich passieren würde. Die gängigste Theorie bis vor einigen Jahrzehnten war, dass Wasser unter Druck schmilzt. Unter hohem Druck zu schmelzen ist tatsächlich eine ganz besondere und bizarre Eigenschaft von Wasser, denn normalerweise wird ein Festkörper unter Druck noch fester. Der Druck der schmalen Kufe erzeugt also so einen hohen Druck, dass sich unter der Kufe ein Wasserfilm bildet, auf dem die Schlittschuhfahrer gleiten.

So dachte man bisher und das lernen die Kinder immer noch in der Schule. Ist aber falsch. Das erkennt man daran, wenn man mit normalen Schuhen auf spiegelglattem Eis steht, denn dann rutscht man kaum. Erst wenn man Anlauf nimmt, um auf dem Eis zu rutschen, wird es rutschig und das obwohl eine großflächige Schuhsohle einen sehr kleinen Druck auf Eis erzeugt. Rutschigkeit, also Wasserfilmbildung, hat demnach weniger etwas mit Druck, als mit Bewegung auf dem Eis zu tun. Daher glaubten die Wissenschaftler bis vor Kurzem, dass die Reibungswärme, die die Kufenoberfläche durch Reiben auf dem festen Eis erzeugt, das Eis verflüssigt. Auf dem so entstandenen Wasserfilm gleite man.

Aber nicht alle Wissenschaftler waren von dieser Erklärung überzeugt, denn erstens, so stellte man mit Messungen fest, ist bei einer Temperatur von -10°C ein Wasserfilm etwa 20 Mal gleitfähiger als Eis. Außerdem ist die Temperaturabhängigkeit der Gleitfähigkeit ganz anders als erwartet. Die Gleitfähigkeit nimmt im Temperaturbereich -20°C bis 0°C mit zunehmender Temperatur nicht konstant leicht linear zu, sondern rasant zu, bis Eis bei 0°C wasserglatt ist. Die Reibungswärme-Theorie schien also einigermaßen richtig, aber offensichtlich nicht ganz richtig. Irgendetwas fehlte noch.

Die Entdeckung bei der es Klick machte

Am 8. Dezember letzten Jahres kam der entscheidende Hinweis durch eine Veröffentlichung eines gewissen Bo Persson, ein Wissenschaftler am Forschungszentrum in Jülich in Nordrhein-Westfalen. Er zeigte, dass sich Messungen der temperaturabhängigen Gleitfähigkeit durch das Potenzgesetz (-T)**(-0.15) sehr gut beschreiben lassen und außerdem die gleitfähige Schichtdicke zunimmt, sie divergiert logarithmisch. Obwohl Persson mit dieser Beschreibung keine direkte Erklärung des Rutschphänomens gab, machte es bei diesen Gesetzen bei jedem Physiker "Klick". Ein Potenzverhalten mit dem einem so genannten kritischen Exponenten (hier 0.15) beschreibt ein so genanntes kritisches Phänomen, also das Verhalten einer Struktur in der Nähe einer kritischen Temperatur, hier 0°C.

Damit war allen Physiker klar, was hier passiert, nämlich Folgendes. Die Gitterstruktur von Eis an der Oberfläche wird bei 0°C nicht schlagartig wässrig (kein Phasenübergang 1. Ordnung) wie man bisher dachte, sondern diese Grenzschicht unter dem Einfluss von Reibungswärme unterliegt einem kontinuierlichen Phasenübergang 2. Ordnung, was bedeutet, die Gitterstruktur löst sich zuerst nur punktweise, dann zunehmend schneller immer flächiger und in zunehmenden Schichttiefen auf, bis sie bei 0°C durch und durch unordentlich, also flüssig ist. Zugleich wird das gesamte Eis, ohne äußere Reibungswärme, wie bekannt schlagartig flüssig. 

Was passiert nun genau in der Grenzschicht?

Die einzige Frage, die noch bleibt ist, warum die Eis-Grenzfläche unter Zuführung von Reibungswärme dieses Auflösungsverhalten zeigt, obwohl sie nach klassischer Theorie fest sein sollte, solange die Temperatur unter 0°C liegt, was hier der Fall ist. Hier meine persönliche Erklärung, die von dem großen Physiker Faraday aus der Mitte des vorletzten Jahrhunderts inspiriert ist. Er stellte fest, dass zwei Eiswürfel, die man zusammenbringt schnell miteinander verkleben. Es scheint also eine, nur wenige Atomlagen dicke Grenzschicht zu geben, die auch ohne zusätzliche Reibungswärme "angeflüssigt" ist.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Oberflächen von Festkörpern eine leicht andere Eigenschaft aufweisen als der innere Bereich. Atome im inneren Bereich sind in alle Raumrichtungen immer von benachbarten Atomen umgeben und so definiert sich die feste Struktur. Atomen an der Oberfläche fehlen jedoch die Bindungskräfte auf der offen Seite und weisen daher manchmal andere Strukturen auf als tief drin, sie erfahren dadurch eine so genannten Oberflächenrekonstruktion. Atome eine Ebene unter der Oberflächenebene "sehen" natürlich ebenfalls diese strukturelle Rekonstruktion und müssen sich darauf einstellen. Die Rekonstruktion zieht sich also über einige Atomebenen hin und nimmt dabei ab. Die Rekonstruktion bei Eis an der Oberfläche nahe am Schmelzpunkt scheint vermehrte Unordnung und somit teilweise Verflüssigung zu sein, die sich abnehmend über eine gewissen Schichtdicke erstreckt.

Mit dieser Erkenntnis lässt sich das Verhalten der Eisoberfläche so verstehen. Da gibt es zunächst das unbelastete Eis, das eine natürliche angeflüssigte Schicht von nur wenigen Atomlagen (siehe Klebeeffekt von Faraday) Dicke aufweist, zu dünn um auf ihr zu gleiten. Unter dem Einfluss von Reibungswärme verbreitert sie sich aber so weit, dass Schlittschuhläufer und Eisrutscher auf ihr gleiten können. Die Erfahrung zeigt, dass die ideale Eistemperatur dafür -5°C ist. Wenn es noch kälter ist, reicht die Reibungswärme nicht mehr, die Grenzschicht genügend tief "anzuflüssigen". Bei Temperaturen unter -20°C geht angeblich gar nichts mehr, dann geht nur noch Schlittschuhe einpacken und nach Hause.

Diese Erklärung beruht wie gesagt nicht auf der genauen Beobachtung der Grenzschicht, denn die ist ja unzugänglich, sondern sie ist ein reiner Indizienbeweis. Aber bei ihr passt jetzt alles zusammen, der Krimi ist aufgeklärt, alle Wissenschaftler sind zufrieden und können sich dem nächsten Paradox zuwenden.

Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Artikel kommentieren

Bitte loggen Sie sich ein, um Kommentare zu schreiben.

Login

Artikel als "Nickname" kommentieren:

Noch 800 Zeichen

Leserkommentare ()
Weitere Kommentare anzeigen ()