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[ Zauberspiegel Wissenschaft Ideenfabrik ]

Geschrieben von Philipp am 12. März 2007 00:16:09:

Als Antwort auf: Re: kavitationsblasen und energie geschrieben von Gabi am 10. März 2007 21:46:31:

Champaign, Illinois.- Blasen, gefangen und energetisiert mit Ultraschall, emittieren Licht in periodischem Abstand, änlich den Glühwürmchen. Wenn eine einzelne Gasblase in einer stehenden akustischen Welle gehalten und zu Pulsationen angeregt wird, dann wandelt die Blase Schallenergie in Licht um, mit der Genauigkeit eines Uhrwerks. Die intensive Energie, die bei dieser implosiven Kompression freigesetzt wird, reisst aber auch Moleküle auseinander. Chemiker an der Universität Illinois in Urbana-Champaign haben diese Effekte in einer einzelnen Blase quantifiziert.

"Während der Kompression wird das Gas in der Blase erhitzt, so wie bei einem Reifen, der aufgeblasen wird. Die Energie wird in Licht, chemische Reaktionen und mechanische Energie umgewandelt." sagt Kenneth S. Suslick. "Wir konnten zum ersten Mal messen, wieviel Energie in die Chemie der Blase geht, und wir konnten ein Energie-Inventar während des Zusammenfalls der Blase erstellen."

Die experimentellen Resultate - von Suslick und Yuri Didenko in der 25. Juli - Ausgabe der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht - haben wichtige Implikationen für zukünftige Arbeiten mit chemischen und physikalischen Effekten von Ultraschall.

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Schallchemie (orig. "sonochemistry") kommt von akustischer Kavitation - Bildung, Wachstum und implosiver Kollaps von kleinen Gasbläschen in einer beschallten Flüssigkeit. Der Kollaps dieser kavitierenden (orig. "cavitating") Blasen erzeugen intensive lokale Erhitzung. Sie bilden einen heissen Ort in der kalten Flüssigkeit mit einer temporären Temperatur von rund 9000 Grad Fahrenheit, 1000 Atmosphären Druck, während einer Billionstelsekunde.

Diese Werte entsprechen, als ungefährer Vergleich, der Temperatur der Sonnenoberfläche, des Wasserdrucks am Meeresboden, und der Lebensdauer eines Blitzes. Kavitation ist auch die Ursache von Lärm bei U-Boot-Propellern, Turbinenerosion, und dem Geräusch brodelnden Wassers auf der Herdplatte.

Um die energetischen Effekte während des Kollapses zu beobachten, erzeugten Suslick und Didenko eine einzelne Blase ungefähr der Grösse eines roten Blutkörperchens, das sie in der Mitte eines sphärischen Behälters anordneten, wo die Blase einem akustischem Feld ausgesetzt wurde. Angeregt durch Ultraschall, expandiert und kollabiert die Blase periodisch. Bei jedem Impuls emittiert die Blase einen Lichtstrahl, was unter dem Begriff Sonolumineszenz einer einzelnen Blase (single bubble sonoluminescence) bekannt ist.

Derweil die Beobachtung des Lichtes bei einer einzelnen Blase kein Problem darstellt, ist die Messung der hochenergetischen chemischen Reaktionen in solch kurzen Momenten eine Herausforderung. Die Forscher wandten sensitive Fluoreszenz-Messverfahren an, um die chemischen Eigenschaften zu bestimmen.

"Wenn die Blase expandiert, diffundiert ein Teil des Gases der umgebenden Lösung in die Blase und wird dort gehalten", sagt Suslick. "Beim Kollaps wird das Gas komprimiert und erhitzt. Da geschehen die chemischen Reaktionen."

Flüchtige Moleküle werden auseinandergerissen bei der intensiven Hitze und dem hohem Druck. "Stickstoff- und Sauerstoff-Moleküle werden in Stickoxide umgewandelt, wie in einer Verbrennungskammer", sagt Suslick. "Ebenso werden Wassermoleküle auseinandergerissen, es entstehen Hydroxyl-Radikale (-OH) und Wasserstoffperoxid (H2O2)."

Gemäss der Messungen der Forscher wird weniger als ein Millionstel der Energie der Blase in Licht umgewandelt. Tausend Mal mehr Energie geht in die chemische Reaktionen. Der grösste Teil der Schallenergie jedoch wird in mechanische Energie umgewandelt, was Schockwellen und Bewegung in der umgebenden Flüssigkeit zur Folge hat.

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Diese Ergebnisse werden nicht nur Einfluss haben auf zukünftige Experimente in der Schallchemie (sonochemistry), sie haben auch ernsthafte Auswirkungen für die Möglichkeit einer "Sonofusion".

"Einige Forscher haben vermutet, dass die Bedingungen im Innern einer Kavitationsblase heiss genug seien und genügend Druck hätten für eine nukleare Fusion," sagte Suslick. "Aber wir haben gezeigt, dass chemische Vorgänge in der kollabierenden Blase stattfinden, und dass sie die zur Verfügung stehende Energie begrenzen während der Kavitation."

Wenn immer flüchtige Moleküle in die Blase diffundieren, werden sie zersetzt während des Kollapses, und dies nimmt Energie von der Blase, sagt Suslick. Die erreichten Temperaturen während der Kavitation werden substantiell von den begleitenden chemischen Reaktionen reduziert.

Da Sonofusion in flüchtigen Flüssigkeiten wie Wasser oder Aceton deshalb eher nicht auftritt, "ist die Möglichkeit einer Fusion in gering flüchtigen Fluiden - z.B. flüssigen Metallen oder geschmolzenen Salzen - zum jetzigen Zeitpunkt nicht auszuschliessen", sagt Suslick.

Die National Science Foundation und die Defense Advanced Research Projects Agency haben die Arbeit finanziert.


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