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Hamburger Forscher erfinden Superheizung mit Terahertz-Blitz

Hamburger DESY-Forscher haben eine Methode entworfen, um Wasser in weniger als einer billionstel Sekunde zum Kochen zu bringen. Diese Superheizung, die bislang noch nicht in die Praxis umgesetzt worden ist, kann eine kleine Menge Wasser in nur einer halben Pikosekunde um 600 Grad Celsius erhitzen.

Computer-Darstellung der molekularen Wasserwolke. (Illustration: Oriol Vendrell/DESY)

Computer-Darstellung der molekularen Wasserwolke. (Illustration: Oriol Vendrell/DESY)

Herzstück der neuen Superheizung ist ein konzentrierter Blitz sogenannter Terahertz-Strahlung. Terahertz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz zwischen den Radiowellen und der Infrarotstrahlung. Terahertz-Blitze lassen sich unter anderem mit Anlagen namens Freie-Elektronen-Laser erzeugen, die schnelle Elektronen auf einen genau definierten Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Teilchen Strahlungsblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls addieren.

Der intensive Terahertz-Blitz bringt die Wassermoleküle dann auf einen Schlag heftig zum Vibrieren und löst die Wasserstoffbrückenbindungen, über die Wassermoleküle im flüssigen Zustand verbunden sind. Die Berechnung dieser Wechselwirkung des Terahertz-Blitzes mit dem Wasser hat rund 200.000 Stunden Prozessorzeit auf einem großen Parallelcomputer am Supercomputerzentrum Jülich in Anspruch genommen.

Mit der neuen Methode lässt sich jedoch nur etwa ein Nanoliter (milliardstel Liter) auf einen Schlag erhitzen. Das klingt nicht viel, ist aber genug für die meisten Experimente, um die Superheizung weiter zu entwickeln. Und obwohl die heiße Miniwolke nach nicht einmal einer Millisekunde (tausendstel Sekunde) auseinander fliegt, ist das lange genug, um alle interessanten Vorgänge in thermischen Reaktionen wie etwa die Kombination kleiner organischer Moleküle zu neuen Substanzen zu beobachten.

Die verschiedenen Stufen der Reaktion lassen sich etwa mit ultrakurzen Röntgenblitzen verfolgen, wie sie der 3,4 Kilometer lange Röntgenlaser European XFEL erzeugen wird, der gegenwärtig zwischen dem Hamburger DESY-Campus und der benachbarten Stadt Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird.

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"Hamburger Forscher erfinden Superheizung mit Terahertz-Blitz" wurde am 29.12.2013 verfasst