Rosinen + Soda = Naturpapier? In Ihrer Küche könnten innovative Entdeckungen verborgen sein!

„Es mangelt im Leben nicht an Schönheit, sondern an den Augen, um Schönheit zu entdecken.“ Ebenso mangelt es im Leben nicht an Wissenschaft, sondern an den Augen, um in einfachen Phänomenen die Wissenschaft zu entdecken.

Haben Sie schon einmal die Bläschen in einem kohlensäurehaltigen Getränk gesehen? Ist Ihnen schon einmal versehentlich etwas in ein kohlensäurehaltiges Getränk gefallen und Sie haben bemerkt, dass die Blasen an dem Gegenstand haften bleiben? Aber leider haben wir nicht viel darüber nachgedacht.

Rosinen, umgeben von Blasen. Bildnachweis: Saverio E. Spagnolie

Professor Saverio E. Spagnolie von der University of Wisconsin-Madison war anders. Als er zu Hause mit seiner Tochter spielte, machte er ein kleines Experiment in seiner Küche. Sie gaben Rosinen in kohlensäurehaltige Getränke und stellten fest, dass die Rosinen schnell mit Blasen bedeckt waren. In den nächsten Minuten oder sogar einer Stunde werden die Rosinen wie von Zauberhand im Getränk herumwirbeln, springen und tanzen. Die Tochter und ihr Vater starrten lange auf die auf- und absteigenden Rosinen und verloren allmählich das Interesse, doch Spagnolie war geweckt und wollte sie erkunden.

Welche wissenschaftlichen Geheimnisse verbergen sich hinter dem Tanz der Rosinen im Sodawasser? Um das Geheimnis dieses Phänomens zu lüften, rekrutierte Spagnolie mehrere Studenten, um mit ihm eine Reihe von Experimenten durchzuführen, führte numerische Simulationen am Computer durch und konstruierte ein theoretisches Modell zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens von Rosinen. Schließlich verfassten sie eine Forschungsarbeit und veröffentlichten sie am 9. Mai online in Nature Communications. Ihr Video der „tanzenden“ Rosinen wurde in nur zwei Tagen mehr als 500.000 Mal angesehen.

Purzelnde Rosinen, wirbelnde und springende Tänzer

Welche Bedeutung hat diese Forschung?

Für viele Menschen ist das Phänomen der tanzenden Rosinen in kohlensäurehaltigen Getränken interessant, doch können sie die Bedeutung dieser Entdeckung nicht verstehen – ähnlich wie Newton sich viele Fragen stellte, als er untersuchte, warum Äpfel auf den Boden fallen.

Als mathematischer Forscher hat sich Professor Spagnolie schon immer für komplexe dynamische Prozesse in viskosen Flüssigkeiten, mikrobieller Bewegung, Biomechanik usw. interessiert und entwickelt mit großer Freude neue numerische Methoden zur Untersuchung dieser Probleme. Er leitete sein Team dazu an, all diese Experimente, numerischen Simulationen und theoretischen Arbeiten zu integrieren, um ein wissenschaftliches Problem nach dem anderen zu entschlüsseln.

Warum tanzen Rosinen? Um es einfach auszudrücken: Sobald die Rosinen in das kohlensäurehaltige Getränk gelangen, beginnen die Bläschen in der Limonade, sich an der Oberfläche der Rosinen festzusetzen – wie eine Gruppe frecher Elfen, die den Rosinen eine aufgeblasene Schwimmweste überziehen.

Während sich immer mehr Blasen bildeten, wurde der Auftrieb der Rosine immer stärker, bis sie durch diese Kraft sanft angehoben wurde und langsam an die Wasseroberfläche stieg. Sobald die Rosinen jedoch das Wasser berühren, platzen die Blasen sofort. Durch den asymmetrischen Auftrieb, der durch das Platzen der Blasen entsteht, beginnen die Rosinen im Wasser zu wirbeln, als würden sie einen eleganten Walzer tanzen. Als die Blasen eine nach der anderen zerplatzten, wurden die Tanzschritte der Rosine immer schwerer, bis der Auftrieb schließlich nicht mehr ausreichte, um weiterzutanzen, und sie wieder auf den Grund des Wassers sank und auf den nächsten Aufstieg wartete. Dieser Prozess ist wie ein zyklischer Tanz, der sich immer wieder wiederholt.

Was Sie vielleicht nicht wissen: Die Bläschen in der Limonade stehen tatsächlich in einem Tauziehen mit der Oberflächenspannung des Wassers. Die Oberflächenspannung strebt danach, die Wasseroberfläche abzuflachen und die Oberfläche zu verkleinern, während Blasen ihr Territorium immer erweitern wollen. Doch in den rauen kleinen Hügeln der Rosine finden die Bläschen Zuflucht, wo sie vorübergehend sicher sind und nicht durch die Oberflächenspannung hinausgedrängt werden. In gewisser Weise ist Raisin tatsächlich eine sehr gute Tänzerin.

Handelt es sich um eine frisch geöffnete Dose Sprudellimonade, tanzen die Rosinen einen kräftigen „Tango“. Nach etwa 20 Minuten werden seine Tanzschritte allmählich langsamer und verwandeln sich in einen eleganteren „Walzer“. Der gesamte Vorgang kann eine Stunde dauern.

Professor Spagnolie und sein Team haben große Anstrengungen unternommen, um das Geheimnis der in kohlensäurehaltigen Getränken schwimmenden Objekte zu lüften. Durch Experimente und Computersimulationen erstellten sie ein mathematisches Modell zur Vorhersage des Schwebens und der Bewegung von Objekten in Flüssigkeiten. Um einen genaueren Blick darauf zu werfen, druckten sie eine Kugel aus Polymilchsäure (PLA) mit einem Radius von 1 cm im 3D-Druckverfahren und verbanden sie mit einer digitalen Waage, mit der sie das Verhalten von Objekten in Flüssigkeiten simulieren und verstehen konnten. Mithilfe mathematischer Modelle entdeckten sie Schlüsselfaktoren, die den Auftrieb eines Objekts beeinflussen, wie etwa das Verhältnis der Oberfläche eines Objekts zu seinem Volumen, das wichtiger ist als der Flüssigkeitswiderstand.

Der Prozess der Spannungsmessung von 3D-gedruckten „Rosinen“ Bildnachweis: Saverio E. Spagnolie

Von Küchen bis zu Vulkanausbrüchen sollte jede kleine Entdeckung respektiert werden

Die Wissenschaft ist nicht unerreichbar, sie ist in unserer Küche und in unserem täglichen Leben vorhanden. Jede tanzende Rosine ist ein Funke wissenschaftlicher Erforschung und jede kleine Entdeckung verdient Respekt. Es scheint sich um ein sehr einfaches und leicht verständliches Phänomen zu handeln, doch die wissenschaftlichen Prinzipien, die dahinter stehen, könnten für den Menschen der Grundstein für ein tieferes Verständnis der Natur und ein Leben im Einklang mit ihr sein.

Beispielsweise sind die wissenschaftlichen Prinzipien, die Professor Spagnolie im Tanz der Rosinen erforschte, auch auf die Erklärung von Phänomenen wie Magmaausbrüchen in der Natur anwendbar.

Wenn das Magma im Inneren eines Vulkans allmählich aufsteigt und sich der Oberfläche nähert, beginnt der Druck, dem es ausgesetzt ist, schnell zu sinken. Wie beim Öffnen einer Colaflasche führt der Druckabbau dazu, dass sich die im Magma gelösten Gase – vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid – rasch ausdehnen und auf den Krater zuströmen. Diese Gase bilden riesige Blasen im Magma, und wenn die Blasen weiter wachsen, führen sie schließlich zu einem heftigen Ausbruch des Vulkans.

Obwohl das Ausmaß und die Kraft von Vulkanausbrüchen den Ausbruch von Coca-Cola in unseren Händen bei weitem übertreffen, sind die physikalischen Prozesse, die beiden zugrunde liegen, ähnlich. Bei einem Vulkanausbruch tanzen die festen Partikel im Magma zwar nicht wie Rosinen in Sodawasser mit den Blasen, aber ihre Anwesenheit und Bewegung haben ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf den Verlauf und die Merkmale des Ausbruchs. Diese Partikel sind im Magma ungleichmäßig verteilt. Sie variieren in Dichte, Größe und Form. Wenn Magma aufsteigt und sich der Druck ändert, können die Bewegung und Wechselwirkung dieser Partikel die Bildung und Freisetzung von Blasen beeinflussen, was wiederum die Intensität und das Muster von Vulkanausbrüchen beeinflusst. Größere Partikel könnten beispielsweise den Aufstieg von Gasblasen blockieren, wodurch sich im Inneren des Magmas Druck aufbaut und ein heftigerer Ausbruch ausgelöst wird.

Von den Blasen in einer Cola bis zum Ausbruch eines Vulkans ist jeder „Ausbruch“ in der Natur eine Demonstration der Kraft der Erde. Durch die Beobachtung und Untersuchung dieser gewöhnlichen Naturphänomene können wir möglicherweise außergewöhnliche Ergebnisse erzielen. Wenden Sie sich nun Ihrer eigenen Küche zu – einem Labor voller Möglichkeiten. Überlegen Sie, welche anderen einfachen, sicheren, leichten und kostengünstigen Experimente darauf warten, von uns erforscht und entdeckt zu werden? Vielleicht ist die nächste innovative Entdeckung, die in einer berühmten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht werden könnte, im Öl, Salz, der Soße und dem Essig in Ihrem Zuhause versteckt.