Die aktuelle Kältewelle in Deutschland bedeutet für die einen herrliches Winterwetter, für die anderen ist Frieren einfach nur lästig. Forscher hingegen bekommen beim Stichwort Kälte glänzende Augen:  Denn Experimente bei niedrigen Temperaturen sind ein besonders faszinierendes Gebiet der Physik.

Besonders beliebt bei Hobbyforschern im mittleren Westen der USA und Russland ist es, heißes Wasser in die sehr kalte Luft zu schleudern. Dieses prasselt dann als kleiner Eisschauer auf den Boden nieder. Richtig spannend wird es aber, wenn man diesen Versuch mit kaltem Wasser wiederholt: Denn das erreicht den Erdboden in flüssigem Zustand. Heißes Wasser gefriert also schneller als kaltes unter gleichen Bedingungen –  ein erstaunliches Paradoxon.

Ungelöste Rätsel

Der nach seinem Neuzeit-Entdecker benannte Mpemba-Effekt soll schon von Aristoteles beschrieben worden sein, wissenschaftlich verstanden allerdings ist er noch lange nicht. Und das obwohl die Londoner Royal Society vor vier Jahren 1000 Pfund für eine genaue Erklärung ausgelobt hat.  Einige plausible Vermutungen hegen Physiker aber doch. So spielt beim Mpemba-Effekt gewiss eine Rolle, dass heißes Wasser schneller verdunstet und daher letztendlich eine geringere Menge gefrieren muss.

Auch die „Unterkühlung“ (Supercooling) gehört zu den vorgeschlagenen Erklärungen. Dabei handelt es sich um das Phänomen, dass Flüssigkeiten unter bestimmten Bedingungen weit unter ihrem eigentlichen Gefrierpunkt flüssig bleiben und erst fest werden, wenn ein Kristallisationskeim hineinkommt – das kann schon ein Staubpartikel sein.

Je kälter, desto besser

Bei extrem tiefen Temperaturen von unter minus 100 oder sogar minus 200 Grad Celsius entwickelt Materie außergewöhnliche Eigenschaften, die wiederum eine ganze Reihe von technischen Anwendungen ermöglichen. Zum Beispiel die Supraleitung: Metalle verlieren bei sehr niedrigen Temperaturen schlagartig ihren elektrischen Widerstand. In diesem Zustand ist also ein Stromtransport ohne Energieverlust möglich – ein Traum für Physiker und Stromkonzerne. Noch ist allerdings die Herstellung der supraleitenden Kabel in vielen Fällen zu teuer, um tatsächlich elektrische Energie vom Kraftwerk zum Kunden zu liefern.

Wärme ist physikalisch betrachtet nichts anderes als die Bewegungsenergie der Atome. In einem heißen Metall schwingen die Atome heftiger als in einem kalten. Und deshalb kann es auch keineswegs immer kälter werden: Bei rund minus 273 Grad Celsius ist Schluss. Bei diesem „absoluten Nullpunkt“, kommen die Atome zur Ruhe. Ihre Bewegungsenergie ist gleich Null. Tiefere Temperaturen kann es nicht geben – weder auf der Erde noch sonst irgendwo im Universum.

Judith Blag

Judith Blage