Wie kalt kann Wasser maximal sein?

Die maximale Kälte von Wasser: Ein Tanz zwischen Temperatur, Druck und Reinheit

Wasser, die Grundlage des Lebens, zeigt faszinierende Eigenschaften, besonders in Bezug auf seinen Gefrierpunkt. Landläufig bekannt ist die 0°C-Marke, bei der flüssiges Wasser unter Normaldruck zu festem Eis erstarrt. Doch diese scheinbar einfache Grenze birgt eine verborgene Komplexität, die weit über den Schulbuch-Wissen hinausgeht. Wasser kann nämlich unter bestimmten Bedingungen weit kälter als 0°C sein und dennoch flüssig bleiben – ein Phänomen, das als Unterkühlung bezeichnet wird.

Die Unterkühlung von Wasser ist ein metastabiler Zustand. Das bedeutet, das Wasser befindet sich in einem labilen Gleichgewicht. Obwohl es thermodynamisch günstiger wäre, in den festen Aggregatzustand überzugehen, fehlt der Anstoß, der die Kristallisation in Gang setzt. Dieser Anstoß kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden, darunter die Einführung von Kristallisationskeimen wie Staubpartikeln oder Eissplittern, aber auch durch Vibrationen oder eine plötzliche Druckänderung.

Reines Wasser, frei von jeglichen Verunreinigungen, lässt sich besonders gut unterkühlen. Die fehlenden Kristallisationskeime bieten keinen Angriffspunkt für die Eisbildung. In Laborumgebungen konnten Wissenschaftler reines Wasser bis auf Temperaturen von -48,3°C abkühlen, ohne dass es gefroren ist. Dieser Wert stellt den derzeitigen Rekord dar und verdeutlicht das erstaunliche Potential der Unterkühlung.

Die Reinheit des Wassers ist jedoch nicht der einzige Faktor, der die Unterkühlung beeinflusst. Auch der Druck spielt eine entscheidende Rolle. Unter hohem Druck sinkt der Gefrierpunkt von Wasser. Dieses Phänomen ist unter anderem für die Bewegung von Gletschern verantwortlich. Das immense Gewicht des Eises erzeugt einen hohen Druck an der Basis, der das Eis dort schmelzen lässt und so die Bewegung des Gletschers ermöglicht.

Die Unterkühlung von Wasser ist nicht nur ein faszinierendes physikalisches Phänomen, sondern spielt auch in der Natur und in verschiedenen technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. In der Atmosphäre beispielsweise können unterkühlte Wassertropfen in Wolken existieren und bei Kontakt mit Flugzeugen zu gefährlicher Vereisung führen. Dieses Phänomen stellt eine erhebliche Herausforderung für die Luftfahrt dar und erfordert spezielle Enteisungssysteme.

Auch in der Kryokonservierung, der Konservierung von Zellen und Geweben durch Einfrieren, spielt die Unterkühlung eine Rolle. Hier wird versucht, die Bildung von Eiskristallen zu vermeiden, da diese die Zellstrukturen schädigen können. Durch kontrollierte Unterkühlung und den Einsatz von Kryoprotektoren, die den Gefrierpunkt senken und die Eiskristallbildung hemmen, können Zellen und Gewebe erfolgreich konserviert werden.

Die maximale Kälte von Wasser ist also keine feste Größe, sondern ein komplexes Zusammenspiel von Temperatur, Druck, Reinheit und anderen Faktoren. Die Fähigkeit des Wassers, unter bestimmten Bedingungen weit unter seinen normalen Gefrierpunkt abzukühlen, eröffnet faszinierende Einblicke in die Physik des Wassers und bietet gleichzeitig ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten in Wissenschaft und Technik. Die Erforschung der Unterkühlung von Wasser ist ein fortwährendes Feld der Forschung, das unser Verständnis dieses fundamentalen Stoffes immer weiter vertieft.