Das Mysterium des Wassers

Zwei Elektroden, eine in jedem der beiden Gefäße, erzeugen eine Spannungsdifferenz von zehn Kilovolt. Beim Anlegen der Spannung springt das Wasser aus einem Glas an den Rand und schlägt eine Brücke zum Inhalt des anderen Glases. Nachdem sich die Brücke geformt hat, kann man die beiden Bechergläser langsam voneinander entfernen. Die Brücke bleibt erhalten und überspannt den Spalt zwischen den beiden Gefäßen. Selbst wenn sich die Ränder bis auf einige Zentimeter voneinander entfernt haben, dehnt sich die Wasserbrücke weiter aus und bleibt ohne abzureißen erhalten.

Abb.4: Demonstration des Kelvin-Generators. Ansteigende Wasserpegel erzeugen eine Hochspannungsentladung. Wie kommt es zu dem Phänomen?

Erstaunlicherweise hängt die Wasserbrücke kaum nach unten durch und zeigt eine beinah mit Eis vergleichbare Steifheit, obwohl das Experiment bei Raumtemperatur durchgeführt wird.

Ich warne vor der Versuchung, das Hochspannungs-Experiment nachzustellen, sofern man nicht resistent gegen Stromschläge ist. Es ist sicherer, eine Videoaufnahme des erstaunlichen Phänomens zu betrachten.⁴

Was hält die Brücke aus Wasser intakt?

• Der schwimmende Wassertropfen. Wasser vermischt sich normalerweise sofort mit Wasser. Wenn man es jedoch aus einer engen Röhre, knapp über einem Gefäß voll Wasser tropfen lässt, treiben die Tropfen oft für einige Zeit auf der Oberfläche (Abb. 6). Manchmal bleiben die Tropfen für mehrere Sekunden erhalten, bevor sie schließlich zerfließen.

Noch paradoxer ist, dass sich die Tropfen nicht in Form eines einzelnen einheitlichen Vorgangs auflösen, sondern in einer Abfolge von Spritzern in das Wasser darunter übergehen.⁵ Ihre Auflösung gleicht einem vorbestimmten Tanz.

Man kann die schwimmenden Tropfen in der Natur beobachten, wenn man weiß, wo und wann man suchen muss. Ein guter Zeitpunkt ist unmittelbar nach einem Regenschauer, wenn Wasser vom Sims eines Hauses in eine Pfütze oder vom Seitendeck eines Segelboots in den See tropft. Selbst Regentropfen, die direkt auf einer Wasseroberfläche auftreffen, treiben manchmal einige Zeit darauf herum.

Welche Eigenschaft verzögert den natürlichen Zusammenfluss von Wasser mit Wasser?

• Das Experiment von Lord Kelvin. Abschließend eine weitere unerklärliche Beobachtung, dargestellt in Abb. 7. Aus einem Behälter gezapftes Wasser wird in zwei Röhrchen geleitet. Aus den beiden Enden tropft es durch je einen Metallring und landet in je einem metallischen Gefäß.

Die Ringe sind durch ein Stromkabel über Kreuz mit dem jeweils gegenüberliegenden Gefäß verbunden. Zwei Metallkugeln, über metallische Stäbe an den Gefäßen befestigt, bleiben wenige Millimeter voneinander entfernt.

Das von Lord Kelvin (William Thomson) erdachte Experiment hat einen überraschenden Ausgang. Sobald genügend Wassertropfen durch die beiden Ringe gefallen sind, wird ein Knistern hörbar. Kurz darauf ist die Entladung eines Lichtblitzes zwischen den Kugeln zu beobachten, begleitet von einem hörbaren Knacks.

Eine Entladung ist nur möglich, wenn sich eine große Differenz an elektrischen Potentialen zwischen den beiden Gefäßen aufbaut. Die Potentialdifferenz des Experiments kann mühelos 100.000 Volt erreichen, abhängig von der Größe des Spalts zwischen den Kugeln. Die gewaltige Ladungstrennung, die dazu notwendig ist, entspringt dabei nur einer Wasserquelle.

Man kann die fremdartige Versuchsanordnung zuhause nachbauen, die Beobachtung der Entladung anhand einer Videoaufnahme ist jedoch unkomplizierter.⁶

Ein ausgezeichnetes Beispiel stellt der Aufbau von Professor Walter Lewin dar, der die Entladung verblüfften MIT-Studenten im ersten Semester vorführt.⁷ Im Anschluss lädt er seine Studenten ein, das Phänomen als Hausaufgabe zu erklären.

Wie kann eine einzelne Wasserquelle eine derart hohe Ladungstrennung erzeugen?

Schlussfolgerung aus den Beobachtungen

Die oben präsentierten Phänomene trotzen einer einfachen Erklärung. Selbst mir bekannte bedeutende Wissenschaftler, die sich mit dem Thema Wasser auseinandersetzen, finden keine zufriedenstellenden Antworten. Die meisten unter ihnen kommen nicht über trivialste Erklärungsversuche hinaus.

Offensichtlich fehlt unserem Verständnismodell von Wasser noch ein wichtiges Fragment. Andernfalls müssten oben beschriebene Mysterien ohne Weiteres zu entschlüsseln sein.

Ich möchte noch einmal betonen, dass es bei den unbeantworteten Fragen nicht um Wasser auf molekularer Ebene geht, also das einzelne Molekül. Kopfzerbrechen bereiten vielmehr die Eigenschaften großer Mengen an Wassermolekülen, deren Interaktionen wir nicht erklären können. Uns fehlen sozusagen Einsichten in das „Sozialverhalten“ von H2O.

Anm. d. Red.

Obiger Artikel stellt einen überarbeiteten Auszug der Kapitel 1 und 2 aus Pollack, Gerald H.: „The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor“ (Seattle, WA: Ebner & Sons Publishers, 2013) dar. Das Buch kann über www.ebnerandsons.com bezogen werden.

Endnoten

1. Ball, P.: „H2O: A Biography of Water“ (London: Weidenfeld & Nicholson, 1999); dt.: „H2O – Biographie des Wassers“ (München: Piper, 2001)
2. Osada, Y.; Gong, J.: „Stimuli-Responsive Polymer Gels and Their Application to Chemomechanical Systems“ in Polym. Sci., 2009, 18:187–226
3. Ovchinnikova, Kate; Pollack, Gerald H.: „Cylindrical phase separation in colloidal suspensions“ in Phys. Rev. E, 2009, 79(3):036117/1-10
4. „The Floating Water Bridge - Startup & Expansion (real time)“ auf YouTube.com, 23.10.2007; http://tinyurl.com/dm6h54
5. Klyuzhin, Ivan S.; Ienna, Federico; Roeder, Brandon; Wexler, Adam; Pollack, Gerald H.: „Persisting water droplets on water surfaces“ in J. Phys. Chem. B, 2010, 114:14020-14027
6. „Kelvin water drop generator“ auf YouTube.com, 18.4.2009; http://tinyurl.com/cgcxuur
7. „Walter Lewin Makes a Battery out of Cans and Water“ auf YouTube.com, 3.5.2007; http://tinyurl.com/6cnlrd