Alessandro Volta1776 hatte er eine Ahnung. Die Irrlichter, jene blauen Flammen, die nachts über den Sümpfen tanzten, müssten etwas mit Elektrizität zu tun haben, sagte er. Dann kamen Methan, Phosphin und Theorien über Sumpfgas auf. Doch immer fehlte ein Puzzleteil: Wer zündet die Lunte? Nun hat ein Team von Stanford-Chemikern die Antwort mit Hochgeschwindigkeitskameras gefilmt.
Es passiert in weniger als einer Millisekunde, zwischen zwei Blasen, die sich im Wasser berühren. Ein Funke. Nicht so stark wie ein Blitz, aber stark genug, um Methan mit Sauerstoff reagieren zu lassen. Keine Hitze, keine richtige Flamme. Nur kaltes, blau-violettes Licht, das wie ein Geist in der Luft schwebt. Irrlichter sind keine verlorenen Seelen. Sie sind Mikroblitze. Und sie verändern unsere Sicht auf die Chemie von Feuchtgebieten, auf Methan in der Atmosphäre und vielleicht sogar auf den Ursprung des Lebens auf der Erde.
Das Labor, in dem Geister geboren werden
Richard Zare, Chemiker der
Stanford University, erforscht seit Jahren Blasen. In seinem Labor baute er eine Düse, die Methan und Luft in einen transparenten Tank schießt. Hochgeschwindigkeitskameras richteten sich auf die Blasen. Und dort, mitten im Wasser, passierte etwas, das noch nie zuvor jemand gefilmt hatte: Lichtblitze im Submillisekundenbereich zwischen sich nähernden Blasen. Das Team veröffentlichte die Ergebnisse auf Proceedings of the National Academy of Sciencesund löst damit ein jahrhundertealtes Rätsel.
Befinden sich Blasen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft, trennen sich die elektrischen Ladungen auf ihren Oberflächen: Auf den kleineren Blasen sammeln sich negative Ladungen, auf den größeren positive. Dieser Unterschied erzeugt über kurze Distanzen elektrische Felder, die Mikroblitze auslösen. „Niemand glaubt, dass Wasser mit Feuer in Verbindung gebracht werden kann“, kommentierte Zare.
„Man geht davon aus, dass Wasser es löscht. Niemand hat uns erklärt, dass man aus Wasser einen Funken erzeugen und etwas in Brand setzen kann: Das ist neu.“
Irrlichter: Kalte Oxidation statt Verbrennung
Die Hochgeschwindigkeitskamera filmte die winzigen Lichtblitze, die durch die kollidierenden Blasen entstanden. Andere Instrumente registrierten ultraviolettes Licht aus der Fluoreszenz von Formaldehyd, einer Verbindung, die bei der Oxidation von Methan entsteht. Doch es gibt ein Detail, das erklärt, warum Legenden immer von Lichtern sprechen, die … „sie heizen nicht auf“: Es handelt sich nicht um eine echte Verbrennung. Es ist KaltoxidationEine chemische Reaktion, die Licht ohne nennenswerte Wärmeentwicklung erzeugt.
Ich studiere, veröffentlicht auf PNASzeigt, dass Mikroblitze zwischen Methan-Mikrobläschen einen natürlichen Zündmechanismus für die Methanoxidation unter Umgebungsbedingungen darstellen. Die elektrischen Entladungen sind energiereich genug, um umgebende Gasmoleküle anzuregen, zu dissoziieren oder zu ionisieren.
JAMES ANDERSON, ein Harvard-Chemiker, der nicht an der Studie beteiligt war, bezeichnete die Entdeckung als „einen wirklich aufregenden Schritt nach vorn“, da sie einen Mechanismus aufzeige, durch den chemische Reaktionen ohne externe Zündquellen ausgelöst werden können.
Jahrhundertelange Legenden, eine Laborerklärung
Seit Jahrhunderten sind Irrlichter weltweit ein Nährboden für Legenden. In Schottland wurden sie genannt SpunkiesIn Japan Hitodama, Seelen der Toten. In der angelsächsischen Folklore waren sie die Irrlicht, die Laternen von Will, einem bösen Schmied, der dazu verdammt war, für alle Ewigkeit mit einer brennenden Kohle umherzuwandern, um Reisende in eine Falle zu locken. Hinter all diesen Geschichten verbarg sich ein reales Phänomen: blaugrüne Lichter, die besonders an warmen Sommerabenden über Sümpfen, Torfmooren und Friedhöfen erschienen.
Die chemische Grundlage war schon lange bekannt. Sümpfe sind Methanfabriken: In sauerstoffarmen Umgebungen zersetzen Mikroben organische Stoffe und produzieren Gas. Die saure Umgebung verlangsamt den Zerfall, Methan sammelt sich an und steigt auf. Doch Methan allein entzündet sich bei niedrigen Temperaturen nicht. Eine Erklärung für die Initialzündung war nötig. Laut Phys.orgZu den früheren Hypothesen gehörten Phosphin (ein höchst instabiles Gas, das sich selbst entzündet) oder elektrostatische Entladung, aber für keine dieser Hypothesen gab es solide experimentelle Beweise.
Methan, Klima und unerwartete Folgen
Die Entdeckung von Mikroblitzen löst nicht nur ein volkstümliches Rätsel. Sie hat auch Auswirkungen auf die Umweltchemie und das Klima. Wie wir bereits in der Vergangenheit berichtet habenMethan ist ein extrem starkes Treibhausgas und seit vorindustrieller Zeit für etwa 30 % der globalen Erwärmung verantwortlich. Feuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Emissionsquelle. Das Verständnis der Wechselwirkungen von Methan mit der Umwelt, einschließlich der Mechanismen der spontanen Oxidation, trägt zur Entwicklung präziserer Klimamodelle bei.
Aber es gibt noch mehr. Zare und sein Team hatten bereits die Hypothese aufgestellt, frühere Studien, die in Science Advances veröffentlicht wurden, dass Mikroblitze zwischen Wassertropfen die Funken geliefert haben könnten, die für die Entstehung der für das Leben auf der frühen Erde wesentlichen Biomoleküle notwendig waren. Wenn winzige elektrische Entladungen komplexe chemische Reaktionen auslösen können, ohne dass atmosphärische Blitze nötig sind, dann könnte der Ursprung des Lebens viel „lokaler“ gewesen sein, als wir dachten. Man muss nicht auf ein Gewitter warten: Alles, was es braucht, ist eine Wasserblase an der richtigen Stelle.
Graham Cooks, Chemiker der Purdue UniversitySagte Forschung dass sich die durch die Mikrobläschen ausgelösten chemischen Reaktionen als ein viel größeres und allgemeineres Phänomen erweisen werden.“ Sein Team verwendet bereits eine Variante von Zares Ansatz, um Tausende von einzelnen chemischen Reaktionen gleichzeitig auszulösen, in der Hoffnung, neue Wege zur Synthese von Verbindungen zu entdecken.
Irrlichter: Volta hatte recht, aber aus den falschen Gründen.
Letztendlich hatte Alessandro Volta recht. Elektrizität hatte tatsächlich etwas damit zu tun. Nur war es kein Blitz aus heiterem Himmel, wie er dachte. Es war etwas viel Kleineres, versteckt zwischen den Blasen. Wie Scientific American anmerktDie Entdeckung ist das Ergebnis der Anwendung moderner Technologien auf uralte Fragen: Hochgeschwindigkeitskameras, Spektrometer, Photonenzähler.
Irrlichter sind heute noch selten zu beobachten. Vielleicht, weil Feuchtgebiete geschrumpft sind. Vielleicht, weil künstliche Beleuchtung das schwache Licht unsichtbar gemacht hat. Oder vielleicht, wie einige Skeptiker vermuten, weil Reisende einst Laternen mit offener Flamme mit sich führten, die Methan entzünden konnten. Doch heute wissen wir, dass der Mechanismus existiert, funktioniert und im Labor reproduziert werden kann.
Legenden erzählen von Geistern, die sich entfernen, wenn man sich nähert. Die Erklärung ist einfacher: Durch die Bewegung entstehen Luftströmungen, die das Gas zerstreuen und die Reaktion auslöschen. Keine Magie, nur Strömungsdynamik. Doch die Tatsache, dass Wasser Funken erzeugen kann, die stark genug sind, um etwas zu entzünden, ist letztlich seltsam genug, um wie Magie zu wirken.
Nur dieses Mal wissen wir, wie es funktioniert.
