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Neue Regeln für die Physik: Messung von supererhitztem Gold mit Riesenlasern
In einem bahnbrechenden Experiment haben Physikerinnen und Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory gemeinsam mit internationalen Kollegen erstmals die Temperatur von Gold unter extremen Bedingungen direkt gemessen – mithilfe eines hochmodernen Röntgenlasers. Diese Entdeckung, veröffentlicht in Nature, verändert unser grundlegendes Verständnis von Materie unter hoher Hitze und extremem Druck. Die Forschung verspricht zudem weitreichende Anwendungen in der Kernfusions-Technologie, beim Raumfahrzeugbau und in der Astrophysik.
Wissenschaftlicher Hintergrund: Materialien am Limit
Jahrzehntelang stützten sich Forschende auf theoretische Modelle, um das Verhalten von Materialien in supererhitzten und Hochdruck-Zuständen vorherzusagen. Gold, eines der bekanntesten Elemente, galt dabei als Musterbeispiel: Laut physikalischer Chemie sollte es maximal das Dreifache seines Siedepunktes als "Superheizgrenze" aushalten können. Würde dieser Grenzwert überschritten, so glaubte man, würde das Metall abrupt zerfallen – ein Prozess, der als Entropiekatastrophe bezeichnet wird.
Supererhitzte Materialien, die sich zwischen festem und flüssigem Zustand befinden, sind entscheidend für unser Verständnis extremer Umgebungen – vom Inneren von Sternen über Hitzeschilde an Raumfahrzeugen bis hin zu Plasmazuständen in Fusionsreaktoren. Bis heute war es jedoch unmöglich, den tatsächlichen thermischen Zustand solcher Materie direkt zu bemessen.
Das Experiment: Extreme mit Lasertechnologie erzeugen
Schritt 1: Schaffung extremer Bedingungen
Zum Start des Experiments wurden winzige Goldproben der enormen Energie eines Hochleistungslasers ausgesetzt. Dadurch erreichten die Proben Temperaturen von bis zu vierzehnfach über dem Siedepunkt des Goldes – mehr als 18.700°C. In diesem ultrakurzen Zustand blieb das Metall für wenige Billionstel Sekunden stabil, da die Forscher seine natürliche Tendenz, schnell zu expandieren oder zu verdampfen, gezielt unterdrückten.
Schritt 2: Direkte Temperaturmessung mittels Röntgenstrahlen
Während dieses besonderen Zustands beschoss man die Goldproben mit intensiven Röntgenpulsen eines Freie-Elektronen-Lasers. Die Streumuster der Röntgenstrahlen lieferten messbare Veränderungen, die direkt auf die Bewegung und Temperatur der Goldatome unter diesen Extremen schließen ließen. Erstmals gelang es, die tatsächliche Geschwindigkeit und Temperatur einzelner Atome bei so immensen Werten exakt zu bestimmen.
„Temperatur ist eine fundamentale Eigenschaft, doch meistens messen wir nur deren Wirkung, wie etwa mit einem Quecksilberthermometer“, erläutert Dr. Bob Nagler, Hauptautor und SLAC-Wissenschaftler. „Mit dieser Methode sehen wir erstmals Temperatur selbst, sogar unter extremsten Bedingungen.“
Gegen die Lehrmeinung: Keine Superheizgrenze für Gold?
Das Ergebnis des Experiments war überraschend: Entgegen fast hundertjähriger Theorie zeigte Gold innerhalb der getesteten Bedingungen keine klare Superheizgrenze. Obwohl erwartet wurde, dass das Metall bei etwa dreifachem Siedepunkt (1.064°C) plötzlich verdampft, hielt es die Forscher bei atemberaubenden 18.726°C – das Fünffache des angenommenen Maximums – noch für einen Moment im stabilen Zustand.
Leitender Forscher Dr. Thomas White von der Universität Nevada berichtete: „Wir mussten die Achsen unserer Messdaten mehrmals überprüfen. Es lag so weit außerhalb aller Erwartungen, dass wir an einen Fehler dachten. Doch die Daten waren eindeutig – Gold übersteht diese Extreme, wenn auch nur für einen Wimpernschlag.“
Die Probe existierte nur für einige Billionstel Sekunden, doch das reichte aus, um bahnbrechende Messwerte zu gewinnen, die bestehende Modelle fundamental infrage stellen.
Bedeutung für Wissenschaft, Raumfahrt und Fusionsforschung
Zuverlässige Messdaten in extremen Umgebungen
Die Ergebnisse haben unmittelbare Relevanz für viele Hochtechnologie-Bereiche. In modernen Fusionsreaktoren wie der National Ignition Facility kommen Goldzylinder (sogenannte „Hohlräume“) zum Einsatz, um Röntgenstrahlung für das Zünden der Kernfusion zu bündeln. Die tatsächliche Temperatur dieser Komponenten war bislang schwierig direkt zu erfassen.
„Mit unserer neuen Methode haben wir endlich ein echtes Thermometer für extreme Experimente“, so Dr. White. „Das kann die Entwicklung von Fusionsreaktoren, den Bau von Hitzeschildern für Raumschiffe und sogar die Untersuchung von Sternenherzen spürbar verbessern.“
Langfristige Herausforderungen neu überdacht
Die präzise Temperaturmessung im Inneren von Fusionsexperimenten oder bei Wiedereintrittsvorgängen in der Atmosphäre war bisher technisch kaum möglich. Konventionelle Messgeräte überstehen die extremen Bedingungen nicht. Die am SLAC entwickelte Methode mit intensiver Röntgenstreuung könnte bald neuer Standard für Temperaturmessungen in den heißesten Labors der Welt werden.
Stimmen aus der Forschung: Freude über fundamentale Entdeckungen
Die Begeisterung unter Fachleuten ist groß. Dr. White scherzt: „Ich bin dankbar, dass ich einen Beruf habe, bei dem ich aus Forschungszwecken mit riesigen Lasern Dinge in die Luft jagen darf.“
Dr. Nagler betrachtet die Ergebnisse philosophisch: „Temperatur mit dieser Präzision zu verstehen, eröffnet uns völlig neue Möglichkeiten, das Verhalten von Materie unter Sternenbedingungen, in Fusionsreaktoren oder in Planetenkernen neu zu denken.“
Ausblick: Neue Wege in der Extremstoff-Forschung
Das Team arbeitet bereits daran, die Methode auf andere Metalle wie Silber oder Eisen anzuwenden, wobei erste Resultate vielversprechend sind. In den nächsten Monaten sollen weitere Experimente zeigen, wie verschiedene Materialien unter Überschreitung ihrer angenommenen Grenzwerte reagieren – mit dem Potenzial, Lehrbücher der Festkörperphysik und Materialwissenschaft zu erweitern.
Zusätzlich sind Tests mit Fokus auf Fusionsreaktoren geplant, um das Verhalten von Fusionsmaterialien in nie dagewesenem Detail zu untersuchen. Jeder Schritt führt die Forschung näher an robuste Fusionskraftwerke, sichere Raumfahrzeuge und ein tieferes Verständnis der extremen Prozesse im Universum.
Fazit
Das außergewöhnliche Experiment am SLAC National Accelerator Laboratory beweist, dass selbst unsere grundlegendsten physikalischen Prinzipien durch innovative Technologien infrage gestellt werden können. Die direkte Temperaturmessung von Gold weit jenseits seiner bisherigen Superheizgrenze räumt nicht nur mit alten Theorien auf, sondern bahnt auch den Weg für neue Fortschritte in Raumfahrt, Fusionsforschung und der Erforschung des Kosmos. Klar ist: Die Grenzen unseres Wissens sind noch längst nicht erreicht.
Quelle: gizmodo
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