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Göttingen Göttinger Forscher „filmen“ Stoßwellen im Wasser mit Röntgenblitzen
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Göttinger Forscher „filmen“ Stoßwellen im Wasser mit Röntgenblitzen

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09:30 14.06.2021
In seinem Experiment hat das Team um Prof. Tim Salditt (hinten links) – hier bei Arbeiten im Oktober 2019 – durch einen intensiven Laserimpuls von wenigen milliardstel Sekunden ein Plasma im Wasser erzeugt.
In seinem Experiment hat das Team um Prof. Tim Salditt (hinten links) – hier bei Arbeiten im Oktober 2019 – durch einen intensiven Laserimpuls von wenigen milliardstel Sekunden ein Plasma im Wasser erzeugt. Quelle: Markus Osterhoff
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Göttingen

Das Aufsteigen kleiner Bläschen im Mineralwasserglas kennt jeder aus dem Alltag. Eine ganz andere Art von mikroskopisch kleinen Blasen könne man erzeugen, indem man einen intensiven Laserpuls im Wasser fokussiert, so ein Göttinger Forscherteam. Die sogenannte Kavitationsblase, anfangs wenige tausendstel Millimeter groß, breite sich dann aber mit Überschallgeschwindigkeit explosionsartig aus. Sie werde getrieben durch einen Überdruck, der den Normaldruck etwa um das hunderttausendfache übersteigt. Dabei werde eine starke sphärische Stoßfront erzeugt.

Diesen Prozess hat ein Team unter Leitung der Universität Göttingen gemeinsam mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und dem Europäischem Röntgenlaser European XFEL mit einer neuartigen Röntgenbildgebungsmethode „gefilmt“ und analysiert, mit erstaunlichen Rückschlüssen auf den Zustand von Wasser unter diesen extremen Bedingungen, heißt es in einer Mitteilung der Universität Göttingen.

Intensiver Laserimpuls

In seinem Experiment habe das Team durch einen intensiven Laserimpuls von wenigen milliardstel Sekunden zunächst ein Plasma im Wasser erzeugt. Aus diesem bilde sich die sogenannte Kavitationsblase und expandiere dann rasch, wobei sie eine stark „angestaute“ komprimierte Wasserschicht, die Stoßfront, vor sich herschiebe. „Im Gegensatz zu sichtbarem Licht, mit dem wir aufgrund starker Wechselwirkung durch Brechung und Streuung nicht ins Innere der Blase hineinschauen können, lässt sich mit Röntgenstrahlung nicht nur die Form, sondern das gesamte Dichteprofil von Blase und Stoßfront auflösen“, erklärt Malte Vassholz, Erstautor und Doktorand an der Universität Göttingen.

Mittels eines speziellen Algorithmus haben die Forscher das Dichteprofil aus den gemessenen Röntgenhologrammen rekonstruiert. Durch kontrollierte Verzögerung zwischen dem Infrarot-Laserstrahl, mit dem die Blase erzeugt wurde, und dem Röntgenlaserstrahl, mit dem sie abgebildet wurde, erhielt das Team dann einen „Film“ des gesamten Prozesses.

Ein Infrarot-Laserpuls (dargestellt als dunkelrot schwingende Welle) wurde dicht in reines Wasser fokussiert, wo sich ein Plasma (grüne Wolke) bildet; anschließend entstehen eine Schockwelle und eine Blase (Halbkugeln). Ein mit einem Mikrofon aufgenommenes akustisches Signal wird zur Bestimmung der deponierten Energie verwendet, ein divergierender Röntgenstrahl (violetter Kegel) wird zur Abbildung eines Hologramms verwendet, das von einem Detektor erfasst wird Quelle: Markus Osterhoff

Die Ergebnisse des Experiments ließen neue Rückschlüsse auf die sogenannte Zustandsgleichung von Wasser bei sehr hohem Druck zu. „Obwohl Wasser ohne Zweifel als wichtigste Flüssigkeit der Erde gilt, sind viele Eigenschaften und Zustände – gerade weit weg von den Normalbedingungen – noch wenig verstanden. Durch die einzigartigen Eigenschaften der am European XFEL erzeugten Röntgenlaserstrahlung, die wir für das Experiment nutzen konnten, und unserer neuen Single-Shot-Holographie-Methode können wir nun beobachten, was sich im Inneren der Blase und in der komprimierten Stofffront wirklich abspielt”, erklärt Prof. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen.

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Die Forschung eröffne auch interessante Perspektiven auf Anwendungen. „Kavitation ist zwar in vielen technischen Anwendungen der Fluiddynamik, wie etwa in Pumpen oder bei Schiffsschrauben, höchst unerwünscht, wird aber umgekehrt technisch auch ausgenutzt, zum Beispiel bei der Materialbearbeitung mit Lasern oder um bestimmte chemische Reaktionen zu ermöglichen,“ erklärt Co-Autor Dr. Robert Mettin, der am Dritten Physikalischen Institut der Universität Göttingen schon seit langem an Kavitationsphänomenen forscht. „In der Laserchirurgie kommt die Erzeugung von Kavitationsblasen durch fokussierte Kurzpulslaser ebenfalls zum Einsatz,” ergänzt Salditt. „In Zukunft kann man solche Prozesse dann durch die von uns entwickelte Bildgebungsmethode direkt ,filmen‘“.

Von chb