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Schneekanonen brauchen tiefe Temperaturen © APA (Gindl)
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Dem perfekten Eiskeim auf der Spur

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31.03.2015
  • Von Sylvia Maier-Kubala / APA-Science

  • Wien (APA-Science) - Schnee und Eis könnten bereits wenige Zehntelgrade unter Null entstehen - in der Theorie. Tatsächlich aber ist das Gefrieren von Wasser eine bislang höchst rätselhafte Angelegenheit, die nicht nur Tiroler Liftbetreibern Kopfzerbrechen bereitet. Die sogenannte Eis-Nukleation ist das Spezialgebiet von Physikochemiker Hinrich Grothe von der Technischen Universität (TU) Wien, der auch auf der EGU 2015 als Session-Organisator vertreten sein wird.

  • "Wenn Sie eine Flasche mit hochreinem Wasser bei minus 18 Grad in den Gefrierschrank stellen, dann gefriert das Wasser nicht. Nehmen Sie die Flasche aber heraus und gießen das Wasser in eine leicht verunreinigte Schüssel, dann gefriert es sofort", erklärt Grothe gegenüber APA-Science. Eine Aktivierungsbarriere sorgt dafür, dass sich hochreines Wasser bis ca. minus 40 Grad Celsius unterkühlen lässt und so bis weit unter dem eigentlichen Gefrierpunkt flüssig bleibt. Man braucht "Dreck" - Sand, Schmutz, biologische Partikel -, um diese Barriere herabzusetzen. "Mineralstäube oder biologische Keime wie das Bakterium Pseudomonas syringae funktionieren", so der Forscher. Das Bakterium ist längst kommerziell im Einsatz und wird zur künstlichen Beschneiung von Skipisten verwendet.

  • Das Wunder Schnee

  • Denn auch auf der Piste stellt sich die Frage, warum nicht schon bei minus ein Grad, sondern üblicherweise erst bei deutlich tieferen Temperaturen mit der künstlichen Beschneiung begonnen wird. Der "ideale Eiskeim" beschäftigt Grothe bereits seit Jahren. "Wir wissen noch relativ wenig", stellt er dennoch fest. "Wassermoleküle müssen irgendwie in die Eisstruktur gebracht werden. Unserer Vorstellung nach gibt es reaktive Oberflächenzentren, die das 'erledigen': sie binden die Wassermoleküle und ordnen sie gleichzeitig so an, dass sie eine hexagonale Struktur bilden, also einen Eisbildungsprozess auslösen", erläutert er. "Wir wollen verstehen, welche Charakteristika diesen Eiskern ausmachen und ob bestimmte Oberflächenzentren bzw. eine bestimmte Chemie und Struktur vorliegen muss. Zu dieser Grundlagenforschung läuft auch ein FWF-Projekt", erklärt er weiter.

  • Kooperation über Disziplinen hinweg

  • Im Spannungsfeld zwischen den drei großen Fixpunkten Feldmessung, Labor und theoretischen Berechnungen spielt sich eine breite internationale Kooperation ab. "Viele der Partner sind Meteorologen, oder auch Aerosolphysiker wie etwa Regina Hitzenberger von der Fakultät für Physik der Universität Wien. Wir selber sind Materialchemiker", betont er den disziplinübergreifenden Ansatz im Bereich der Geowissenschaften.

  • "Wenn uns etwa Kollegen aus Denver, USA, von ihren Feldexperimenten berichten, greifen wir oftmals offene Fragen auf und versuchen, aus dem Labor heraus physikalisch-chemische Experimente dazu durchzuführen", so der gebürtige Deutsche, der ursprünglich im Rahmen eines EU-Projekts zur Chemie der Stratosphäre 1996 nach Wien gekommen ist. Nicht alles lasse sich - auch wegen eines gewissen Zeitdrucks - im Feld messen, im Labor stünden hierarchisch gesehen mehr Möglichkeiten für Experimente zur Verfügung. Grothe: "Manche Partner - in Deutschland, Spanien, den USA - haben Aerosolkammern (Anm.: große Kammern für die Beobachtung atmosphärischer Schwebeteilchen), in denen ganze Wolken eingeschlossen werden und die man eine Woche lang beobachten kann." In Wien baue man derzeit eine "ganz kleine" Kammer für eine bestimmte Aerosolgröße zur Untersuchung der Alterung von Aerosolen. Diese werde aber nicht an der TU, sondern "an der Universität Wien in der Physik bei Frau Hitzenberger" stehen.

  • Harter Kern an Eisforschern

  • Bereits zum dritten Mal organisiert Grothe einen von der European Science Foundation geförderten Workshop, der im Vorfeld - aber unabhängig - von der EGU unter dem Titel "Microphysics of ice clouds" von 11. bis 12. April in Wien stattfindet. Im Lauf der Zeit habe sich ein "harter Kern von rund 50 Europäern, Amerikanern und ganz wenigen Asiaten" gebildet, der hier die Gelegenheit habe, in Kleingruppen zu diskutieren.

  • Den Geowissenschaften-Kongress EGU schätzt der Atmosphärenchemiker als gute Gelegenheit, sich mit Kollegen aus dem Ausland - vor allem aus den USA, Kanada, Frankreich, Spanien, Italien - auszutauschen, da bahnen sich dann auch wieder weitere Projekte an. "Zu diesem Event kommen wirklich alle nach Wien", betont er. "Aber das Zentrum der Eisforschung liegt momentan sicher in Boulder, Colorado", betont Grothe, der zu seinem jetzigen Forschungsgebiet im Rahmen seiner Diplom- bzw. Doktorarbeit über die Tieftemperatur-Untersuchung - "Tieftemperatur-Spektroskopie" - gekommen ist. "In gewisser Weise mache ich das natürlich auch heute noch", erklärt er. Nur habe er das damals auf kleine Moleküle angewendet, der er bei sehr tiefer Temperatur ausgefroren habe. "Als Post-Doc habe ich das quasi auf die Atmosphäre erweitert", so Grothe.

  • Die konkrete Anwendung von Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung ist dem Chemiker ein Anliegen. "Wir versuchen, aus unserem Elfenbeinturm herauszukommen und arbeiten etwa mit der Neuschnee GmbH und der Liftgesellschaft Obergurgl in Tirol zusammen. Gemeinsam haben wir gerade ein FFG-Brückenprojekt eingereicht", erklärt der Atmosphärenforscher.

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