Glatter Unsinn: Vergessen Sie alles, was Sie über das Rutschen auf Eis zu wissen glaubten

Berlin ist dieser Tage nicht in der Lage, Geh- und Radwege sicher zu machen. Überall wird ausgerutscht, geschlittert, geglitten, gelitten. Das hat nicht nur administrative und politische Gründe, sondern auch physikalische. Doch wer meint, über die Wissenschaft des Rutschens Bescheid zu wissen, irrt wahrscheinlich.

Es galt ja als bestes Besserwisserwissen: Eis kann noch so glatt sein, besonders rutschig ist es trotzdem nie.

Denn wer ausgleitet, wegrutscht oder auch absichtlich schlittert, Schlitten oder Schlittschuh fährt, tut dies nie auf Eis, sondern immer auf einem dünnen Wasserfilm. Und der entsteht durch Druck und Reibung, also durch einen Energieinput, der Eis schmelzen lässt.

Das meinte vor fast 200 Jahren James Thompson herausgefunden zu haben. Der war ein britischer Forscher mit engen familiären Verbindungen zu jemandem, der sich mit dem Thema Temperatur wirklich gut auskannte: Sein Bruder Lord Kelvin hatte neben vielen anderen Dingen in Mathematik und Physik auch herausgefunden, wo der absolute Nullpunkt liegt.

Wie es sein kann, dass diese Theorie so lange überdauert hat, dass sie bis heute in der Schule gelehrt und von Besserwissern auf Cocktailpartys gelehrt erklärt wird, müsste man vielleicht auch mal erforschen. Jedenfalls ist sie falsch, zumindest wenn man Martin Müser glaubt.

Von Dipol zu Dipol ist nur ein Katzensprung

Der hat zwar keinen Lord zum Bruder, aber er ist zumindest Professor für Materialsimulation an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken. Und als er und seine Mitarbeiter die beteiligten Materialien im Computer simulierten, zeigte sich etwas Überraschendes.

Ja, es entsteht so etwas wie Flüssigkeit zwischen Sohle oder Kufe einerseits und Schnee- oder Eisschicht andererseits. Allerdings nicht durch Schmelzen. „Weder Druck noch Reibungswärme haben einen großen Effekt auf die Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilms auf dem Eis“, sagt Müser.

Ist damit die alte Theorie, die ja nicht nach Theorie, sondern nach Tatsache klang und sogar in Schulbüchern stand, widerlegt?

„In den allermeisten Fällen ja“, sagt Müser dem Tagesspiegel, „weil die Drücke in den Kontaktstellen nicht ausreichen“. Ausnahmen könnten etwa „Gletscher sein, auf denen eine hohe Masse liegt“. Aber gemeint ist natürlich nicht der Skiurlaub auf dem Gletscher, sondern die Bewegung des ganzen Eispanzers in Richtung Tal.

© Getty Images/Moment RF

Wenn aber Eis unter der Sohle oder der Kufe nicht „schmilzt“, aber trotzdem irgendwie ein Flüssigkeitsfilm entsteht, was passiert dann?

Die Eismoleküle würden „durch mechanische Wechselwirkungen aus ihren Kristallpositionen gerissen“, sagt Müser. „Kristallstruktur“ bedeutet geordnet und fest. „Herausgerissen“ aus dieser Struktur bedeutet molekulare Unordnung, Durcheinander, Dynamik, es bedeutet einen „amorphen“ und de facto damit „flüssigen“ Zustand, selbst deutlich unter null Grad.

Tritt etwa ein Schuh auf jene Kristallstruktur namens Eis oder fährt ein Schlittschuh hinüber, sorgt also nicht deren Druck oder Reibungswärme dafür, dass die oberste Molekülschicht durcheinandergerät. Sondern es sind die typischen, unterschiedlich geladenen Dipol-Moleküle, aus denen Wasser und damit auch Wassereis (H₂O) besteht. Von denen, das muss man ihm zugutehalten, wusste der Gentlemen-Forscher Mister Thompson nichts.

Dipolare Störung

Die Dipole zeigen im Eis in bestimmte Richtungen. Doch unter der Schuhsohle wird aus dieser harmonischen Ordnung schlagartig Unordnung: Denn die Schuhsohle bringt neue Dipole mit, die einige Dipole im Eis gleichsam anziehend finden. Jener Anziehungskraft folgend, beginnen sie, sich zu bewegen. Das bringt dann auch die bisherigen Nachbarmoleküle dieser Wasser-Dipole durcheinander, macht sie „flüssig“. Denn ihnen fehlt jetzt der Halt. Sie wissen erst einmal nicht mehr, wohin mit all ihrer Anziehungskraft.

Der entscheidende Unterschied zum bisherigen Modell ist, in Müsers eigenen Worten, dass dafür „die Wassermoleküle nicht erst heißlaufen“ müssen. Also nicht klassisch „schmelzen“. Dieses Herausreißen aus den Kristallpositionen passiere „auch weit unterhalb von Null Grad Celsius. Und liegt erst mal Unordnung vor, hat man sozusagen Wasser, das einer Scherung nur sehr kurzzeitig etwas entgegenzusetzen hat“, sagt Müser. Im Klartext: Es wird rutschig.

Eine sozusagen wissenschaftskritische Frage drängt sich natürlich auf: Warum hat sich die alte, falsche Vorstellung so lange gehalten? Warum wurde Millionen Schulkindern und unzähligen Partygästen so lange solcher Unsinn erzählt?

„Naja, wir sehen jetzt ganz klar, warum es den Experimentatoren nie gelungen ist, die Temperaturen zu messen, die sie erwartet haben“, sagt Müser. „Bisher gingen sie davon aus, dass die Oberflächen sehr schnell wieder abkühlen. Warum sie nicht auf die Idee gekommen sind, zu sagen, dass Wasser auch ohne Hitze schmelzen kann, weiß ich auch nicht.“

Doch auch die Ergebnisse Müsers und seiner Kollegen Achraf Atila und Sergey Sukhomlinov sind ja nicht bei Messungen entstanden, sondern durch Computersimulation. Das fast durchgehend positive Expertenecho auf die wissenschaftliche Publikation im Top-Fachjournal der Physik, den „Physical Review Letters“, legt aber zumindest nahe, dass sie nicht vollkommen danebenliegen.

„Im Computer können wir jedes Molekül einzeln beobachten, und während es sich im Computer um eine Billionstel Sekunde weiterbewegt, können wir sogar einen Kaffee trinken gehen“, sagt Müser. Die Theorie habe „eben auch Vorteile“.

Das Ganze in der Realität zu beobachten und gar genau zu messen, sei hingegen eine ziemliche Herausforderung. Man müsste dafür „sehr schnell auf sehr kleinen Abmessungen sehr genau hinsehen“, sagt Müser. Das geht mit derzeit verfügbaren Methoden schlicht nicht. Rasterkraftmikroskope etwa könnten „die Oberflächen zwar gut mit Nanometer-Auflösung abtasten, aber die Sonden können nur sehr langsam bewegt werden“.

© AG Müser, Univ. d. Saarlandes

Da die Kontaktstellen, wo sich jenes Wasser bilde, in der Regel weniger als 0,01 Millimeter Durchmesser hätten, gebe es bei einer realistischen Rutschgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde nur zehn Mikrosekunden lang Kontakt. „Sobald das Wasser unter dem Kontakt zum Vorschein kommt, hat man dann also extrem wenig Zeit, um sich dieses Wasser anzusehen.“ Und die Schicht, die geschätzt vielleicht zehn Nanometer dick sein dürfte, wandele sich eben auch „extrem schnell wieder zurück ins Eis“, sobald der gleitende Kontakt zu Ende sei.

Von praktischer Bedeutung ist die Temperatur aber auch noch darüber hinaus. Denn das meiste Wasser entsteht, wenn das Thermometer nur wenig unter null Grad anzeigt. Dann wird aus „rutschig“ dann „sehr, sehr rutschig“, sagt Müser.

Schnee hat „Ecken und Kanten“

„Bei minus drei Grad bildet sich ein viel breiterer Wasserfilm aus als bei minus fünf Grad.“ Das bedeutet in der Praxis: Tief unter null ist es weniger rutschig, und Bahnrekorde in der Rodelröhre sind dann auch unwahrscheinlich. „Wenn man aber zu nah bei null Grad ist, ist es auch wieder schlecht“, sagt Müser, denn „dann fängt man an, durch das Eis zu pflügen, und das kostet Energie.“

© dpa/Jörg Carstensen

Womit wir beim „Schneepflug“ und damit beim Skifahren wären. Auf vereisten Pisten gilt zwar das mit der Dipol-Rutschigkeit. Doch richtiger Schnee sei „noch einmal sehr viel komplizierter als Eis, denn Eiskristalle haben Ecken und Kanten, im Schnee ist Luft“, sagt Müser.

Vielleicht ist das auch der Grund, warum das Wachsen der Skier im Pulverschnee so wichtig ist. Denn das Wachs hält die Kristalle mit ihren Ecken und Kanten zumindest ein wenig fern, was weniger Reibung bedeutet und etwas mehr Gleiten.

Mikrostrukturierung für die deutsche Bob-Kufe

Bleiben am Schluss die wichtigsten Fragen von geradezu nationaler Bedeutung:

Kann die neue Forschung aus dem nicht gerade alpinen Saarbrücken helfen, den deutschen Wintersport wieder an die Spitze zu bringen? Kann man Kufen und Ski dipol-optimieren?

„Um Wintersportlern weiterzuhelfen, müssten wir sehr, sehr viel rechnen“, sagt Müser. Die Formen von Kufen etwa seien über die Jahrhunderte durch „reines Ausprobieren“ schon hoch optimiert.

Selbst wenn ihm jemand für ein oder zwei Jahre einen wissenschaftlichen Mitarbeiter finanzieren würde, könne er nicht versprechen, einen Bob noch schneller zu machen. Es sei aber vorstellbar, über eine an das Verhalten der Dipole angepasste Mikrostrukturierung „etwas herauszuholen“, sagt der Materialforscher, „aber da will ich mich nicht zu weit aus dem Fenster lehnen.“

Aber vielleicht hat ja die Schuhindustrie Interesse?

Kai Tinschert vom Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens, das für die Schuhbranche arbeitet, sagt, obwohl man „Rutschhemmungsprüfungen an Sicherheitsschuhen wie auch bei alltäglichem Schuhwerk“ durchführe, gebe es „bislang noch keine umfangreichen und systematischen Studien hinsichtlich der Interaktion zwischen Eisoberfläche in Kombination mit der am Schuh verarbeiteten Sohle“.

Von Pirmasens bis Saarbrücken sind es aber nicht einmal 50 Kilometer. Das schafft man fast bei einer Skitour übers Wochenende. Vielleicht kommt es ja zu einer innovativen Zusammenarbeit, die den Standort Deutschland stärkt, statt ihn weiter ins Rutschen zu bringen.

Die andere Frage, die mit der Erneuerungsfähigkeit Deutschlands zu tun hat, ist die, wie lange es dauern wird, bis es die aktuelle Rutschforschung in die Schulbücher schafft.

Wer diesen Text hier gelesen hat, kann jetzt zumindest auf Smoothie- oder Cocktailpartys oder an der Bushaltestelle im Besserwisser-Small-Talk schon einmal anfangen, die Welt nach fast 200 Jahren endlich aufzuklären.