Die verborgenen Kräfte des Fließens: Eine Reise durch die Welt der Viskosität
Was haben ein Tropfen Pech, der ein Jahrzehnt braucht, um zu fallen, und ein Plasma, das nur Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall existierte, gemeinsam? Sie markieren die äußersten Pole dessen, was wir als „Fließfähigkeit“ bezeichnen. Die Viskosität – jene unsichtbare Eigenschaft, die bestimmt, ob eine Flüssigkeit wie Wasser dahinschießt oder zäh wie Honig dahinkriecht – ist eine der fundamentalen, aber auch faszinierendsten physikalischen Größen. Sie ist der innere Widerstand eines Fluids gegen das Fließen, ein Maß für seine „Zähflüssigkeit“ . Doch wie misst man etwas so Flüchtiges? Und wo liegen die absoluten Extreme dieses Phänomens? Dieser Artikel taucht ein in die Welt der Rheologie, erklärt die ausgeklügelten Methoden der Viskositätsmessung und unternimmt eine Reise zu den flüssigsten und unflüssigsten Substanzen des Universums – von zähem Pech bis zum perfekten Flüssigkeitstropfen aus der Frühzeit des Kosmos.
Die Kunst des Messens: Ansätze zur Bestimmung der Viskosität
Die Messung der Viskosität ist so alt wie die Notwendigkeit, die Qualität von Schmierstoffen, Farben oder Lebensmitteln zu beurteilen. Im Laufe der Zeit haben Wissenschaftler und Ingenieure eine Vielzahl von Methoden entwickelt, die je nach Beschaffenheit der Flüssigkeit zum Einsatz kommen. Das grundlegende Prinzip ist fast immer das gleiche: Man bringt die Flüssigkeit in eine definierte Strömung und misst den dabei auftretenden Widerstand. Dabei muss man eine fundamentale Unterscheidung treffen: Handelt es sich um ein Newtonsches oder ein nicht-newtonsches Fluid?
Newtonsche Fluide, benannt nach Isaac Newton, sind in ihrem Verhalten einfach gestrickt. Ihre Viskosität ist konstant und unabhängig von der einwirkenden Kraft. Wasser, dünnflüssige Öle oder Honig in ruhendem Zustand fallen in diese Kategorie . Hier reichen oft einfache Messmethoden aus. Das Kapillarviskosimeter (wie das bekannte Ubbelohde-Viskosimeter) nutzt die Schwerkraft: Es misst die Zeit, die eine definierte Flüssigkeitsmenge benötigt, um eine enge Röhre (Kapillare) zu passieren . Je zäher die Flüssigkeit, desto länger die Zeit. Beim Kugelfallviskosimeter lässt man eine Präzisionskugel durch ein mit der Flüssigkeit gefülltes, geneigtes Rohr sinken. Die Fallzeit ist ein direktes Maß für die Viskosität . Für schnelle Kontrollen in der Industrie, etwa bei Lacken, kommen Auslaufbecher zum Einsatz, bei denen die Auslaufzeit durch eine definierte Düse gestoppt wird .
Die Welt wird jedoch komplexer, wenn wir uns nicht-newtonschen Fluiden zuwenden. Hier ist die Viskosität kein fester Wert, sondern verändert sich in Abhängigkeit von der Scherbelastung – also davon, wie stark und schnell man die Flüssigkeit bewegt oder verrührt . Ketchup, der erst nach kräftigem Schütteln aus der Flasche fließt, Zahnpasta, die formstabil auf der Bürste bleibt, aber unter Druck leicht fließt, oder Farbe, die sich gut verstreichen lässt, ohne zu tropfen – all das sind Beispiele für dieses Verhalten . Um diese Substanzen zu charakterisieren, braucht es ausgefeiltere Instrumente: Rotationsrheometer. Bei diesen Geräten rotiert oder oszilliert ein Messkörper (in verschiedenen Geometrien wie Zylinder, Kegel oder Platte) in der Probe. Aus dem benötigten Drehmoment und der Drehzahl lässt sich die Viskosität berechnen. Der große Vorteil: Man kann das Fließverhalten unter verschiedenen Bedingungen simulieren, die Fließkurve der Probe aufnehmen und so ihr Verhalten in der realen Anwendung vorhersagen – etwa beim Streichen, Pumpen oder Spritzen . Oszillationsrheometer gehen noch einen Schritt weiter und können sogar die elastischen Anteile einer Probe (z.B. bei Teigen oder Gelen) bestimmen, indem sie den Speicher- und Verlustmodul messen .
Eines ist allen Messverfahren gemein: Die Temperatur ist der heimliche Dirigent des Viskositätsspiels. Schon eine geringe Erwärmung kann die Zähigkeit dramatisch senken, Abkühlung sie explosionsartig ansteigen lassen . Glycerin beispielsweise hat bei 20°C eine Viskosität von etwa 1490 mPa·s, kühlt man es auf 0°C ab, steigt der Wert auf über 12.000 mPa·s . Deshalb ist eine Viskositätsangabe ohne die zugehörige Temperatur nahezu wertlos.
Das Reich der Superlative: Die „unflüssigste“ Flüssigkeit
Wenn wir bei Raumtemperatur nach der zähflüssigsten Substanz suchen, werden wir schnell bei einer Gruppe von Materialien fündig, die unseren Alltag prägen, ohne dass wir sie meist als Flüssigkeit wahrnehmen: Pech, Bitumen oder Asphalt. Diese schwarzen, klebrigen Stoffe, die einst zum Abdichten von Booten verwendet wurden, sind die unangefochtenen Meister der Langsamkeit.
Das berühmteste Zeugnis dieser Eigenschaft ist das Pechtropfen-Experiment der University of Queensland in Brisbane, Australien. Es ist das am längsten ununterbrochen laufende Laborexperiment der Welt und steht im Guinness-Buch der Rekorde . Im Jahr 1927 erhitzte der erste Physik-Professor der Universität, Thomas Parnell, eine Probe Pech, füllte sie in einen verschlossenen Glastrichter und ließ sie drei Jahre lang ruhen und sich setzen. 1930 öffnete er den Stiel des Trichters – und das Pech begann zu fließen .
Bis heute, fast ein Jahrhundert später, sind gerade einmal neun Tropfen gefallen. Der erste Tropfen löste sich 1938, der letzte im April 2014. Die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Tropfen liegt bei acht bis dreizehn Jahren . Die Viskosität dieses Pechs ist atemberaubend: Es ist etwa 230 Milliarden Mal zähflüssiger als Wasser . Bei Raumtemperatur wirkt es spröde und fest; man kann es mit einem Hammer zerschlagen . Und dennoch ist es eine Flüssigkeit, ein Beweis dafür, dass der Schein von „fest“ und „flüssig“ oft trügt. Das Experiment, das nie unter kontrollierten Bedingungen stattfand, wurde lange Zeit von Temperaturschwankungen beeinflusst. Die Installation einer Klimaanlage nach 1988 veränderte das Tropfverhalten sogar, da sie für gleichmäßigere, aber insgesamt kühlere Temperaturen sorgte, was die Zeit zwischen den Tropfen verlängerte .
Doch Pech ist nicht der einzige Kandidat. Im walisischen Aberystwyth wurde 2014 ein noch älteres Experiment aus dem Jahr 1914 wiederentdeckt. Aufgrund der vermutlich noch höheren Viskosität oder der niedrigeren Durchschnittstemperatur wird der erste Tropfen dort erst in über tausend Jahren erwartet . Diese Experimente sind mehr als Kuriositäten; sie sind eindrucksvolle, lebendige Lehrstücke für die Rheologie und unsere Wahrnehmung von Zeit und Materie.
Der unendlich dünne Fluss: Die „flüssigste“ Flüssigkeit
Am anderen Ende des Spektrums, in einem Reich jenseits unserer Alltagserfahrung, existiert die „flüssigste“ Flüssigkeit des Universums. Sie trägt den Namen Quark-Gluon-Plasma (QGP) . Es ist kein irdisches Getränk, sondern ein exotischer Zustand der Materie, wie er nur Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall herrschte und heute in den größten Maschinen der Welt erzeugt wird: in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (CERN) oder dem RHIC am Brookhaven National Laboratory .
Um ein Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen, werden schwere Atomkerne (wie Gold oder Blei) auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die dabei freigesetzte Energie ist so enorm, dass die Protonen und Neutronen förmlich „schmelzen“. Ihre Bausteine – die Quarks und Gluonen, die normalerweise für immer in diesen Teilchen eingeschlossen sind – werden für den Bruchteil einer Sekunde befreit und bilden eine extrem heiße, dichte Suppe . Die Temperatur dieses Feuerballs ist unvorstellbar: sie liegt bei mehreren Billionen Grad Celsius – heißer als im Inneren der Sonne .
Was die Physiker bei der Untersuchung dieses Plasmas Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre völlig überraschte, war sein Fließverhalten. Man erwartete, dass ein so heißes Medium sich wie ein dünnes Gas verhalten würde. Stattdessen zeigten die Messungen, dass das Quark-Gluon-Plasma sich wie eine perfekte Flüssigkeit mit extrem niedriger Viskosität verhält – genauer gesagt, wie ein Flüssigkeitstropfen mit fast keinem inneren Widerstand . Es fließt so leicht und mit so wenig Reibung wie keine andere bisher bekannte Substanz. Forscher sprechen von der „perfekten Flüssigkeit“, die einer theoretischen Untergrenze für die Viskosität sehr nahekommt.
Diese Entdeckung revolutionierte unser Verständnis der frühen Universums. Sie zeigte, dass der Kosmos wenige Mikrosekunden nach dem Urknall nicht von einem chaotischen Gas, sondern von einer gleichmäßig verteilten, fließenden Supra-Flüssigkeit erfüllt war . Das Quark-Gluon-Plasma ist somit der Gegenpol zum Pechtropfen: Hier fließt das Universum auf seiner fundamentalsten Ebene mit einer Leichtigkeit, die unser Vorstellungsvermögen übersteigt.
Eine kleine Tabelle der Größenordnungen
Um die ungeheure Spannweite der Viskosität zu veranschaulichen, hilft ein Blick auf konkrete Zahlen. Die dynamische Viskosität wird in der Einheit Pascal-Sekunde (Pa·s) oder Millipascal-Sekunde (mPa·s) angegeben. Wasser dient dabei oft als Referenz.
Fazit und Ausblick
Die Viskosität erweist sich als eine Eigenschaft mit zwei Gesichtern. Auf der einen Seite ist sie eine alltägliche, technisch beherrschbare Größe, die wir mit ausgeklügelten Methoden vom Kapillarviskosimeter bis zum Rheometer präzise messen können. Sie ist entscheidend für die Qualität unserer Schmiermittel, Lebensmittel und Farben. Auf der anderen Seite führt sie uns an die Grenzen des physikalisch Vorstellbaren. Sie lässt uns die Geduld lehren, mit dem Pechtropfen-Experiment fast ein Jahrhundert auf einen einzigen Tropfen zu warten, und sie konfrontiert uns mit den extremsten Bedingungen des Universums, in denen Materie in einem Zustand perfekter Fließfähigkeit existiert.
Die Erforschung der Viskosität ist damit weit mehr als eine Disziplin der Ingenieurswissenschaften. Sie ist eine Reise vom Makroskopischen zum Subatomaren, von der Langeweile eines jahrzehntelangen Wartens bis zur Aufregung einer Entdeckung, die uns dem Ursprung des Universums ein Stück näherbringt. Und wer weiß, vielleicht wartet die nächste große Überraschung schon in einem unscheinbaren Glastrichter in Brisbane – oder in der nächsten Kollision im Teilchenbeschleuniger.
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