Neben den festen, flüssigen und gasförmigen Formen kann Wasser tatsächlich auch in dieser besonderen Form brennen!

Materie kann in der Welt in vielen verschiedenen Formen auftreten. Es gibt sechs bekannte Hauptformen von Materie: Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase, Plasma, Bose-Einstein-Kondensate und Fermionenkondensate. Fest, flüssig und gasförmig sind die drei Formen, die uns am vertrautesten sind.

Die meisten Substanzen, denen wir im Alltag begegnen, kommen in drei Formen vor: fest, flüssig und gasförmig. Unter unterschiedlichen Temperaturen und Drücken können diese drei Formen ineinander umgewandelt werden. Das typischste davon ist Wasser. Bei normalem atmosphärischem Druck beträgt der Siedepunkt von Wasser 100 Grad Celsius, was bedeutet, dass Wasser bei 100 Grad Celsius in gasförmige Form übergeht, also in Wasserdampf. 0 Grad Celsius ist der Gefrierpunkt von Wasser. Bei 0 Grad Celsius kondensiert Wasser zu Eis. Steigt der Luftdruck, erhöhen sich auch der Gefrierpunkt und der Siedepunkt des Wassers und umgekehrt.

Gibt es Wasser nur in drei Formen? Nein, nicht nur Wasser, sondern viele Substanzen existieren unter besonderen Umständen in einer besonderen Form, die sich von den drei Formen unterscheidet. Dieser Zustand wird als „überkritischer Zustand“ bezeichnet.

Was ist der überkritische Zustand?

Nehmen wir Wasser als Beispiel: Wasser hat eine kritische Temperatur und einen kritischen Druck. Die sogenannte kritische Temperatur bezeichnet die höchste Temperatur, bei der Wasser vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Was bedeutet das? Wir wissen, dass der Siedepunkt von Wasser bei normalem atmosphärischem Druck 100 Grad Celsius beträgt, aber mit steigendem Druck steigt auch die Temperatur. Sobald die Temperatur jedoch die kritische Temperatur überschreitet, wird das gasförmige Wasser nicht mehr flüssig, egal wie sehr der Druck ansteigt. Der kritische Druck ist der Mindestdruck, der erforderlich ist, damit Wasser bei der kritischen Temperatur vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht.

Die kritische Temperatur von Wasser beträgt 374,15 Grad Celsius. Das heißt, wenn die Temperatur 374,15 Grad Celsius übersteigt, ändert sich der Zustand des Wassers vom gasförmigen in den flüssigen Zustand nicht mehr, egal wie sehr der Druck ansteigt.

Der kritische Druck von Wasser beträgt 22,05 MPa. Das bedeutet, dass bei einer Wassertemperatur von 374,15 Grad Celsius der Mindestdruck, der für die Umwandlung von Gas in Flüssigkeit erforderlich ist, 22,05 MPa beträgt. Was passiert also, wenn sowohl die Temperatur als auch der Druck des Wassers den kritischen Wert überschreiten? Wasser weist einen besonderen Zustand auf – den überkritischen Zustand. Wasser in diesem Zustand wird als „überkritisches Wasser“ bezeichnet.

Überkritisches Wasser ist eine besondere Flüssigkeit. Im Vergleich zu normalem flüssigem Wasser ist die Kompressibilität von überkritischem Wasser deutlich erhöht und es verfügt außerdem über die einzigartige Fähigkeit, andere Substanzen aufzulösen. Genauer gesagt spiegeln sich die Unterschiede zwischen überkritischem Wasser und normalem flüssigem Wasser hauptsächlich in der Dichte, der Dielektrizitätskonstante und der Viskosität wider.

Unter normalem atmosphärischem Druck beträgt die dynamische Viskosität von flüssigem Wasser bei Raumtemperatur 0,001 Pascalsekunden, während die Viskosität von überkritischem Wasser 0,298 x 10∧-2 Pascalsekunden beträgt. Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass überkritisches Wasser zu einer Substanz mit hoher Fließfähigkeit werden kann.

Nachdem so viel gesagt wurde, was ist der Nutzen von überkritischem Wasser? Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von überkritischem Wasser ist ein breites Anwendungsspektrum, beispielsweise bei der Behandlung organischer Abfälle, unvermeidlich. Wie wird traditionell mit Bioabfällen umgegangen? Durch Verbrennung. Wie der Name schon sagt, dient die Verbrennung dazu, organische Abfälle durch Hochtemperaturverbrennung zu zersetzen, allerdings führt diese Behandlungsmethode zu einer Sekundärverschmutzung. Durch den Einsatz der „überkritischen Wasserverbrennungstechnologie“ kann dieses Problem jedoch wirksam gelöst werden. Wenn Brennstoff oder organischer Abfall auf ein Oxidationsmittel trifft, kann es in überkritischem Wasser zu einer Oxidationsreaktion kommen, und diese heftige Oxidationsreaktion erzeugt eine „hydrothermale Flamme“.

„Hydrothermale Flamme“ ist ein sehr interessantes Phänomen. Für uns sieht es so aus, als wäre Feuer im Wasser, als ob Wasser wirklich brennen könnte.

Durch den Einsatz der überkritischen Wasserverbrennungstechnologie zur Behandlung organischer Abfälle entsteht nicht nur keine Sekundärverschmutzung durch hohe Temperaturen, sondern es kann auch eine Entfernungsrate von 99 % erreicht werden. Die Verarbeitung erfolgt in einem Durchgang, ohne dass eine Nachbearbeitung notwendig ist. Überkritisches Wasser ist neben seinen brennbaren Eigenschaften auch ein hochwertiges „Extraktionsmittel“. Da überkritisches Wasser eine gute Löslichkeit aufweist, können damit Aromen und Öle aus vielen natürlichen Substanzen extrahiert werden. Gerade weil überkritisches Wasser vielfältige Einsatzmöglichkeiten und ein großes Entwicklungspotenzial bietet, forschen Wissenschaftler intensiv an überkritischem Wasser.

Überkritisches Wasser wurde schon früh im Labor gewonnen, daher stellten sich Wissenschaftler schon immer die Frage: „Gibt es überkritisches Wasser in der Natur?“ Später gab es auf diese Frage endlich eine Antwort.

Deutsche Wissenschaftler entdeckten zufällig die Existenz von natürlichem überkritischem Wasser, als sie eine hydrothermale Quelle am Meeresboden im zentralen Atlantik untersuchten. Der Grund dafür ist, dass die Temperatur hier weit über der kritischen Temperatur von Wasser liegt. Messungen zufolge erreichte die Wassertemperatur in der Nähe der hydrothermalen Quelle 464 Grad Celsius und lag damit weit über der kritischen Wassertemperatur von 374,15 Grad Celsius. Diese Entdeckung begeistert die Wissenschaftler sehr, denn sie bestätigt, dass überkritisches Wasser nicht künstlich erzeugt wird, sondern objektiv in der Natur vorkommt. Natürlich ist überkritisches Wasser nicht die einzige Substanz, die sich in einem überkritischen Zustand befinden kann. Solange die Bedingungen stimmen, können viele Substanzen einen überkritischen Zustand erreichen.

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