Die langlebigste Blase auf der Erde! Hält fast eine halbe Stunde ohne Unterbrechung

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Blasen sind eine in der Natur allgegenwärtige Substanz und kommen in unserem Leben häufig vor. Im Park steckten Kinder einen Plastikstab mit Löchern in die Lösung und bliesen sanft. Eine Reihe Blasen stiegen langsam auf und blühten mit einer kurzen Pracht. Wenn in der Küche das Spülmittel durch das Wasser gespült wird, springen unzählige kleine Bläschen wie Elfen. Es sind diese Ketten aus kristallklaren Blasen, die unserem Leben nicht nur Farbe verleihen, sondern auch eine wichtige Rolle spielen.

Am 20. März 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Droplet eine Forschungsarbeit über den Einsatz der Ultraschall-Levitationstechnologie zur Verlängerung der Lebensdauer von Blasen. Mithilfe dieser Technologie stellte das Team die „langlebigste Blase der Welt“ her, die 23 Minuten und 36 Sekunden lang Bestand hatte. Dies macht uns neugierig, wie Blasen entstehen. Warum platzen die Seifenblasen, die wir blasen, so schnell?

Aus einem Plastikstab geblasene Seifenblasen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Blasen - Koexistenz von Gas- und Flüssigkeitsphasen

Blasen bestehen aus zwei Teilen: Gas und Flüssigkeitsfilm. Bei Einwirkung äußerer Kräfte gelangt das Gas durch kleine Löcher in die Flüssigkeit. Unter der Einwirkung der Oberflächenspannung umschließt die Flüssigkeit das Gas und bildet so Blasen.

Der Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit ist die Grundvoraussetzung für die Entstehung von Blasen. Wenn Kinder Seifenblasen machen, müssen sie einen Plastikstab mit Löchern in die Lösung tauchen und vorsichtig mit dem Mund pusten. Das Gas wird in den Flüssigkeitsfilm „gefüllt“, wo es Blasen bildet. Auch beim Kochen von Wasser beobachten wir die Blasenbildung. Woher kommt das Gas bei diesem Vorgang und wer „bläst“ die Blasen?

Blasen beim Kochen von Wasser

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Tatsächlich ist während des Erhitzungsprozesses die Temperatur am Boden des Kessels höher und die Wassermoleküle in Bodennähe lösen sich bevorzugt von den Zwängen der intermolekularen Wechselwirkungen und verdampfen zu Wasserdampf. An diesem Punkt bieten „winzige Unregelmäßigkeiten“ oder Verunreinigungen am Boden des Kessels Stellen für die Bildung von Blasen, an denen sich Wassermoleküle sammeln und Blasen bilden. Aus diesem Vorgang ist ersichtlich, dass die Blasen durch den verdampften Wasserdampf „aufgeblasen“ werden.

Blasen sind ein Phänomen beim Kochen von Wasser, spiegeln aber auch den Siedepunkt des Wassers wider. Beim Kochen von Wasser in großen Höhen liegt die Temperatur unter 100 Grad Celsius, auch wenn das Wasser bereits zu kochen begonnen hat. Warum ist das so?

Das Zeichen für siedendes Wasser besteht darin, dass der Sättigungsdampfdruck dem äußeren atmosphärischen Druck entspricht, d. h., der Luftdruck in den entstehenden Blasen entspricht dem äußeren atmosphärischen Druck. Mit zunehmender Höhe wird die Atmosphäre dünner, wodurch der Luftdruck sinkt und Wasser früher zum Sieden kommt.

Wasserkocher für den Außenbereich

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Einschlägige Untersuchungen zeigen, dass der Siedepunkt von Wasser pro 300 Höhenmeter um etwa 1 Grad Celsius sinkt. Der Mount Everest liegt etwa 8.848 Meter über dem Meeresspiegel, wo der Siedepunkt von Wasser nur etwa 70 Grad Celsius beträgt. Wenn Sie den Mount Everest besteigen, müssen Sie möglicherweise mehr Wasser hinzufügen und die Nudeln müssen länger kochen.

Kann in der Raumstation Wasser gekocht werden?

Am Nachmittag des 23. März 2022 leiteten die Astronauten Zhai Zhigang, Wang Yaping und Ye Guangfu von Shenzhou 13 erfolgreich die zweite Unterrichtsstunde des „Tiangong-Klassenzimmers“ auf der chinesischen Raumstation und erregten damit große Aufmerksamkeit beim Publikum im In- und Ausland.

Während der Sitzung zur Interaktion zwischen Weltraum und Boden wollten Schüler des Bodenklassenzimmers in Lhasa, Tibet, wissen, ob es möglich sei, auf der Raumstation Wasser zum Kochen zu bringen. Die Antwort des Astronautenlehrers Wang Yaping lautet nein. Trinkwasser auf der Raumstation wird vor dem Trinken im Allgemeinen durch ein spezielles Heizgerät erhitzt und kann nicht wie auf der Erde direkt abgekocht werden.

Raumstation

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Dies liegt daran, dass in der Schwerelosigkeit der Raumstation die beim Erhitzen des Wassers entstehenden Blasen nur schwer aufsteigen können und die durch die schwebenden Blasen verursachte Konvektion und Blasenstörung unterdrückt wird. Der Anstieg der Wassertemperatur kann nur durch Wärmeleitung erfolgen. Wasser, das weit von der Heizfläche entfernt ist, lässt sich nur schwer auf 100 °C erhitzen und erreicht keinen gleichmäßigen Siedezustand.

Wie lange kann eine Blase maximal bestehen?

Egal ob es sich um Blasen handelt, die durch kochendes Wasser oder durch das Umrühren von Spülmittel entstehen, sie existieren grundsätzlich nur für ein paar Sekunden. Sogar die Seifenblasen, die Kinder beim Seifenblasenpusten erzeugen, existieren nur einige zehn Sekunden lang. Wie lange können Blasen also maximal bestehen?

Unter normalen Umständen fließt die Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilm aufgrund der Schwerkraft nach unten. Dabei handelt es sich um den Drainagevorgang. Dies führt dazu, dass die Dicke des Flüssigkeitsfilms ungleichmäßig wird und die Blasen nicht über einen längeren Zeitraum stabil bestehen können. Um die Lebensdauer der Blasen zu verlängern, nutzten die Forscher die Mikrogravitationsumgebung der Raumstation. Im Jahr 2014 führten europäische Forscher in der Raumstation ein Experiment zur Rückhaltung von Blasen in Wasserproben durch. Nach dem Schütteln der Wasserproben in der Raumstation konnten die entstandenen Blasen 18 Minuten lang bestehen bleiben, während die entstandenen Blasen nach dem Schütteln der Wasserproben auf der Erde nach 1 Sekunde verschwanden.

Vergleich der Existenzdauer von Blasen in der Raumstation und Blasen auf der Erde

(Bildquelle: Referenz 1)

Obwohl die Mikrogravitationsumgebung das Abfließen der Blasen unterdrücken und ihre Lebensdauer verlängern kann, ist sie extrem teuer und es ist schwierig, die Blasenforschung mit anderen Forschungsarbeiten in der Raumstation zu kombinieren. Die von chinesischen Wissenschaftlern im Fachjournal Droplet veröffentlichte Forschungsarbeit über den Einsatz von Ultraschall-Schwebetechnologie zur Verlängerung der Lebensdauer von Blasen enthüllte die enorme Stabilität akustisch schwebender Blasen.

Die Forscher fanden heraus, dass in einem stabilen akustischen Schwebezustand die Schwerkraft des Flüssigkeitsfilms der Blase durch die akustische Strahlungskraft ausgeglichen wird und die akustische Strahlungskraft auch den statischen Druck der Flüssigkeit auf den Blasenfilm ausgleicht, wodurch das Abfließen verhindert und ein Effekt erzeugt wird, der der Verlängerung der Lebensdauer der Blase unter Mikrogravitationsbedingungen ähnelt.

Vergleich der Lebensdauer von Natriumdodecylsulfat (SDS)-Blasen (a) und reinen Wasserblasen (b) unter akustischen Levitationsbedingungen

(Bildquelle: Referenz 2)

Die Ergebnisse zeigten, dass die Lebensdauer der mit Natriumdodecylsulfat (SDS)-Lösung erzeugten Blasen 15 Minuten überschritt und sogar reine Wasserblasen ohne Tensidzusatz eine Lebensdauer von 7 Minuten hatten. Darüber hinaus kann die akustische Strahlungskraft auch andere externe Störungen stabilisieren. Eine schwebende Blase kann intakt bleiben, wenn sie von einer heißen Kupfernadel (ca. 50 Grad Celsius) mit einem Durchmesser von 0,8 mm durchdrungen wird. Mithilfe dieser Technologie schuf das Team die „langlebigste Blase der Welt“, die 23 Minuten und 36 Sekunden lang existierte.

Welchen Anwendungswert hat die Verlängerung der Blasenlebensdauer?

Erstens können stabile Blasen als Mikroreaktoren und Katalysatorträger in der chemischen Synthese und Materialwissenschaft eine große Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche bereitstellen und dadurch die Stoffübertragungseffizienz und Reaktionsgeschwindigkeit verbessern. Darüber hinaus kann die Blasenoberfläche Katalysatoren für die Umweltsanierung und die Synthese umweltfreundlicher Chemikalien adsorbieren.

Blasen in chemischen Reaktionen

(Bildquelle: Referenz 2)

Der zweite Bereich betrifft Wärmeaustausch- und Energieumwandlungssysteme. In Wärmerohren und Wärmeableitungssystemen können stabile Blasen den Wärmewiderstand verringern und die Wärmemanagementfähigkeiten der Geräte verbessern. Darüber hinaus können die Schwingungs- und Resonanzeigenschaften von Blasen auch in Geräten zur Energiegewinnung und -umwandlung genutzt werden, beispielsweise in Systemen zur akustischen Energieumwandlung.

Drittens wird es in der physikalischen Grundlagenforschung eingesetzt. Stabile Blasen stellen ein ideales experimentelles Modell zur Untersuchung der Oberflächenspannung, Viskosität und Fließfähigkeit von Flüssigkeiten dar. Ein tieferes Verständnis von Blasen kann durch die Beobachtung ihres Verhaltens in einem akustischen Feld gewonnen werden.

Abschluss

Scheinbar gewöhnliche Seifenblasen bringen viel Spaß und Komfort in unser Leben. In den Augen der Wissenschaftler stecken in winzigen Dingen oft wichtige Prinzipien und Anwendungspotenziale. Betrachten Sie die Welt mit wissenschaftlichen Augen und Sie werden feststellen, dass es überall im Leben interessante wissenschaftliche Erkenntnisse gibt!

Quellen:

1. Langevin, Dominique. Durch Tenside stabilisierte wässrige Schäume und Schaumfilme. Schwerelose Studien[J]. Comptes Rendus Mecanique, 2017.

2. Xiaoliang Ji, Wenxuan Zhong, Kangqi Liu et al. Außergewöhnliche Stabilität tensidfreier Blasen in Ultraschallsuspension[J]. Tröpfchen, 2024.

3. Du Wangfang, Liu Peng, Zhao Jianfu et al. „Kochendes Wasser“ auf der chinesischen Raumstation, um den Mechanismus der Schwerkraft bei Siedephänomenen aufzudecken[J]. Mechanik und Praxis, 2022.

4. Guo Lei, Zhang Shusheng, Chen Yaqun et al. Untersuchung der Blasendynamik der Wärmeübertragung beim Sieden von Wasser in vertikalen engen Kanälen[J]. Zeitschrift der Xi'an Jiaotong Universität, 2010.