Wissen : Absolut null KEIN WIDERSTAND STÄNDIGE BEWEGUNG VIELE ANWENDUNGEN

Unendliche Kälte gibt es nicht. Bei minus 273 Grad ist Schluss. Mit raffinierten Verfahren nähern sich Forscher diesem Punkt immer weiter an. Doch sie werden ihn nie erreichen.

 Ralf Nestler
Foto: Science Photo Library
Foto: Science Photo LibraryFoto: (c) ROBBIE SHONE / SPL / Agentur

Das Ziel ist zum Greifen nah, aber keiner wird es je erreichen. Seit Jahrhunderten versuchen Wissenschaftler, immer tiefere Temperaturen zu erzeugen. Lange ist klar, wohin dieser Wettbewerb führt: zum absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius. Am dichtesten angenähert haben sich bisher finnische Forscher. Sie haben Rhodiumatome von Raumtemperatur bis auf 100 Billionstel Grad an diesen ultimativen Kältepol herangeführt. Das ist als wären die Astronauten der Apollomissionen dem Mond bis auf einen Zehntelmillimeter nahe gekommen und dann wieder nach Hause geflogen. Die Breite eines Haares auf der Strecke Erde-Mond! Wo ist das Problem?

Eigentlich müssen die Wissenschaftler nur die Energie rausholen, die in einem Material steckt. Oder eben die Tennisbälle beruhigen, wie es Rudolf Gross, Tieftemperaturphysiker an der TU München, formuliert: „Temperatur ist nichts weiter als die Bewegungsenergie der Atome eines Stoffs“, erläutert der Forscher. „Ist das Material heiß, zappeln die Atome wild umher, wie Tennisbälle in einer großen Kiste.“ Je kälter es wird, desto weniger bewegen sie sich.

Um die Tennisbälle zu beruhigen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Am effektivsten ist die Konfrontationstherapie: einfach einen kalten Gegenstand danebenpacken. Da die Natur immer bestrebt ist, Unterschiede auszugleichen, werden die Tennisbälle munter weiterzappeln, um den kalten Nachbar zu erwärmen. Dabei verlieren sie Energie, die Temperatur sinkt. Jahrhundertelang wurden auf diese Weise Lebensmittel haltbar gemacht. Erst in Eiskellern, die im Winter mit Eis von Flüssen und Seen vollgepackt wurden, später auch in Eisschränken, die mit handlichen Eisstücken „betrieben“ wurden. Weit unter null Grad kam man damit aber kaum.

Das gelang erst am Ende des 19. Jahrhunderts, als Karol Olszewski und Zygmunt Wróblewski ein zuverlässiges Verfahren fanden, um zunächst Luft, später Kohlenmonoxid, Stickstoff und Sauerstoff zu verflüssigen. Minus 196 Grad hat zum Beispiel flüssiger Stickstoff. Wer dort den Finger hineinhält wird trotzdem nicht gleich einen stechenden Schmerz erleben wie bei kochendem Wasser. Denn zwischen Flüssigkeit und Haut bildet sich sofort eine isolierende Gasschicht.

Heute ist flüssiger Stickstoff ein weit verbreitetes Kühlmittel. Für Vakuumpumpen an Elektronenmikroskopen zum Beispiel oder für die Konservierung von Pflanzenzellen, Blut und Embryonen. Auch am Lebensende könnte der Stoff einmal bedeutsam werden, bei einem neuen Bestattungsverfahren namens Promession. Dabei wird der Leichnam samt Sarg in flüssigen Stickstoff gelegt, wo er hart und spröde wie Glas wird. Dann wird er leichten Vibrationen ausgesetzt und zerfällt in winzige Bruchstücke. Diese werden getrocknet und mithilfe eines Magneten von Metallen befreit. Auf diese Weise kann etwa Quecksilber aus Zahnplomben fachgerecht entsorgt werden und gelangt nicht wie bei Feuer- und Erdbestattungen in die Umwelt. Das übrige Pulver wird in einer Urne beigesetzt und soll binnen einem Jahr zu Erde werden. In mehreren Ländern wurden bereits Patente für das Verfahren angemeldet. Zum Einsatz kommt es aber noch nicht.

Zurück zur Reise in Richtung Nullpunkt. Das Prinzip Gasverflüssigung schafft noch tiefere Temperaturen. Mit Helium geht es bis zu minus 268,9 Grad Celsius. Oder 4,2 Kelvin, wie man hier unten sagt. Die Kelvinskala hat gleiche Abstände, beginnt aber praktischerweise direkt am Nullpunkt. Flüssiges Helium ist der Treibstoff der Tieftemperaturphysiker. Sie kühlen damit verschiedene Materialproben, um deren Verhalten im Reich der Kälte zu studieren. Bei sehr tiefen Temperaturen treten merkwürdige Phänomene auf. Zum Beispiel die Supraleitung. Da fließt Strom ohne elektrischen Widerstand durch Metalle (siehe Text unten). Gelänge es, diese Eigenschaft in unsere warme Alltagswelt zu holen, könnten sofort ein paar Atom- und Kohlekraftwerke stillgelegt werden. Die Supraleitung wird genutzt, um leistungsstarke Elektromagnete zu betreiben, etwa in Medizingeräten, sagt der Münchener Tieftemperaturphysiker Gross. „Die wenigsten, die sich einer Magnetresonanztomografie unterziehen (MRT), wissen, dass sie in der Röhre von minus 270 Grad Kälte umgeben sind“, sagt er.

Flüssiges Helium wird unter anderem auch verwendet, um sehr präzise Weltraumteleskope zu kühlen, die minimale Unterschiede in der Wärmestrahlung detektieren. Neben dem Ausblick in die gewaltigen Weiten des Alls ermöglicht die Tieftemperaturtechnik auch Einblick in extrem kleine Strukturen. Quantenphysiker wie Gross nutzen die Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, um das Verhalten von Quantenschaltkreisen zu untersuchen. Ihr Ziel sind Quantencomputer, die um ein Vielfaches schneller sind als die Rechner heutzutage, sowie Verschlüsselungsverfahren, die einen wirklich sicheren Datenaustausch ermöglichen sollen, die sogenannte Quantenkryptografie.

Die physikalischen Phänomene, die die Wissenschaftler dafür nutzen wollen, finden sie nur in der Eiswelt. „Je tiefer die Temperatur, desto größer ist die Ordnung in der Materie“, sagt Gross. „Weil das Gezappel der Atome oder eben Tennisbälle immer weniger stört.“ Generell gelte in der Physik: Je tiefer die Temperatur, desto mehr Ordnungsphänomene lassen sich beobachten.

„Beginnen wir mal ganz weit oben, beim Urknall“, erläutert der Physiker. Da musste sich die Materie so weit abkühlen, dass die freien Elektronen und Atomkerne sich zusammenfanden und Atome bildeten. Das geschah bei immerhin noch ein paar Millionen Grad. Bei einigen Hundert Grad schließlich ordnen sich Metallverbindungen so, dass sie magnetisch sind. Kurz vorm Nullpunkt kommt die Supraleitung. Noch näher bei null können Quantenphänomene beobachtet werden, die Gross und seine Kollegen interessieren.

„Unser Ziel ist es, neue Materialverbindungen zu entwickeln, die diese besonderen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen zeigen.“ Damit das gelingt, müssen die Wissenschaftler zunächst die bestehenden Verbindungen genau untersuchen. Dafür brauchen sie weiterhin extrem tiefe Temperaturen. Der Wettlauf zum Nullpunkt ist also beileibe nicht nur ein sportlicher Wettbewerb, sondern verhilft den Forschern zu besseren Arbeitsbedingungen.

Je näher es an den ultimativen Kältepol geht, umso größer sei der Aufwand, sagt Gross. „Den absoluten Nullpunkt können wir aber nicht erreichen, weil die Atome nicht zum völligen Stillstand gebracht werden können.“ So sehr sich die Physiker auch anstrengen mögen, ein minimales Vibrieren der Teilchen wird immer bleiben. Nullpunktsenergie sagen die Forscher zu diesem Zustand. „Das sieht man zum Beispiel an Helium, das unter normalem Druck niemals in den festen Zustand übergehen würde. Es bleibt flüssig – also muss noch Energie drinstecken.“

Auch wenn die Wissenschaftler den absoluten Nullpunkt nicht erreichen, sie kommen ihm schon verdammt nahe. Je kleiner das „Kühlgut“ ist, desto besser. „Größere Objekte wie etwa einen Bleistift kann man bis auf einige Millionstel Kelvin kühlen“, sagt Gross. „Soll es weiter runter bis auf ein paar Milliardstel Kelvin gehen – das geht nur mit einigen Atomen.“ Atomfalle nennen die Forscher die Experimentanordnung. Mithilfe von Laserstrahlen werden die Teilchen darin so angeregt, dass sie in bestimmte Richtungen „zappeln“. Eine geschickte Anordnung der Laser führt dazu, dass sich die Bewegungen gegenseitig fast genau ausgleichen – und wenig Bewegungsenergie heißt wenig Temperatur. Voilà.

Um sie zu messen, ist ein Thermometer natürlich ungeeignet. Stattdessen lassen die Wissenschaftler die Atome gezielt frei und schauen, mit welchem Tempo die Teilchen zu allen Seiten hin „wegfließen“, erläutert Gross. Anhand der Strömungsgeschwindigkeit können sie dann ausrechnen, wie kalt es in der Atomfalle gewesen sein muss.

Mindestens bis 100 Billionstel Kelvin lassen sich Atome so kühlen, haben die finnischen Forscher gezeigt. Es geht bestimmt noch tiefer.

Den absoluten Nullpunkt können Forscher nie erreichen. Aber schon bei etwas höheren Temperaturen treten erstaunliche Phänomene auf, wie die Supraleitung: Der elektrische Widerstand verschwindet.

Temperatur ist die Bewegungsenergie der Atome eines Stoffes. Bei -273,15 Grad Celsius hören die Atome theoretisch auf, sich zu bewegen.

Die Supraleitung könnte für Stromkabel interessant sein. Sie wird aber auch bei Teilchenbeschleunigern und in Magnetresonanztomografen eingesetzt.

0 Kommentare

Neuester Kommentar