28 Nov. Eine Laserfalle für die Blitzforschung
Eine neue Methode, um mikrometergroße Partikel mit Lasern einzufangen, sie aufzuladen und ihre Lade- und Entladungsdynamik zu beobachten, könnte Antworten auf Fragen in der Wetterforschung liefern. Doktorandin Andrea Stöllner forscht dafür am österreichischen Institute of Science and Technology Austria (Ista) in den Gruppen von Scott Waitukaitis und Caroline Muller zu Eiskristallen in Wolken. Um herauszufinden, wie sich Eiskristalle ansammeln und mit elektrischer Ladung interagieren, nutzt die Wissenschafterin Modell-Aerosole – winzige, transparente Siliziumdioxidpartikel. Die Forscherin hat nach eigenen Angaben eine Technik entwickelt, bei der sie mithilfe von zwei Laserstrahlen ein einzelnes Modell-Aerosol einfangen, fixieren und elektrisch aufladen kann. Dieser Ansatz könnte in verschiedenen Bereichen Anwendung finden, so die Forscherin, unter anderem bei der Erforschung der elektrischen Aufladung von Wolken und der Entstehung von Blitzen.
Laserpinzetten fixieren Aerosolpartikel
Andrea Stöllner erforscht das Ladungsverhalten an einzelnen Aerosolen in einer Laserfalle. Bild: Ista
Im Labor laufen Laser in zwei Strahlen zusammen, die in einer Kammer münden. Hier treffen die beiden Strahlen aufeinander und bilden eine optische Falle, in der Mikropartikel durch Licht stabil gehalten werden. „Als ich zum ersten Mal ein Teilchen eingefangen habe, war ich überglücklich“, erinnert sich Stöllner an den Moment vor zwei Jahren. „Scott Waitukaitis und meine Kolleginnen und Kollegen stürmten ins Labor und warfen einen kurzen Blick auf den eingefangenen Aerosolpartikel. Damals hielt es genau drei Minuten lang, dann war das Teilchen wieder verschwunden. Jetzt können wir es wochenlang in dieser Position halten.“
Die Wissenschafterin benötigte nach eigner Aussage fast vier Jahre, um das Experiment so weit zu bringen, dass es zuverlässige Daten lieferte. Ausgangspunkt war eine frühere Version des Setups. „Ursprünglich war unser Aufbau so konzipiert, dass er nur ein einziges Partikel halten und dessen Ladung analysieren sollte. Wir wollten damit herausfinden, wie Feuchtigkeit dessen Ladungen verändert“, erklärt Stöllner. „Aber so weit sind wir nie gekommen. Die von uns verwendeten Laser laden nämlich unsere Aerosolpartikel auf.“
Zwei-Photonenabsorption lädt Aerosole auf
Die Forschenden entdeckten, dass Laser die Partikel durch einen Zwei-Photonen-Prozess aufladen. Absorbiert ein Aerosolpartikel zwei Photonen gleichzeitig, können sie ein Elektron aus dem Partikel herauslösen. Auf diese Weise erhält das Teilchen eine elementare, positive Ladung. Schritt für Schritt wird es immer positiver geladen. Stöllner erklärt: „Wir können nun die Entwicklung eines einzelnen Aerosolpartikels von der neutralen bis zur hochgeladenen Ladung genau beobachten und auch die Laserleistung anpassen, um die Ladegeschwindigkeit zu steuern.“ Die Experimente zeigten auch, dass ein Partikel, wenn es positiv geladen ist, beginnt, sich zu entladen. Das bedeutet, dass es gelegentlich spontan Ladungen abgibt.
Was löst Blitze aus?
Dies könnte auch in Gewitterwolken passieren, die Eiskristalle und größere Eiskörner enthalten, sagen die Forschenden. Wenn diese aufeinanderprallen, tauschen sie elektrische Ladungen aus. Schließlich lädt sich die Wolke so stark auf, dass sich Blitze bilden. Laut einer Theorie könnte der erste kleine Funke eines Blitzes dabei an den geladenen Eiskristallen selbst entstehen. Es bleibt aber weiterhin ein Rätsel wie genau Blitze entstehen. Alternative Theorien gehen davon aus, dass kosmische Strahlen den Prozess auslösen, da die von ihnen erzeugten geladenen Teilchen aus bereits vorhandenen elektrischen Feldern beschleunigt werden. Laut Stöllner ist der derzeitige Konsensus aber zu allen diesen Varianten, dass das elektrische Feld in Wolken zu schwach ist, um Blitze zu verursachen.
„Unser neues Setup gibt uns die Möglichkeit, die Eiskristalltheorie zu untersuchen, indem wir die Ladungsdynamik eines Teilchens im Laufe der Zeit genau beobachten“, erklärt Stöllner. Zwar seien die Eiskristalle in Wolken viel größer als die Modellkristalle, die Wechselwirkungen im Mikrobereich könnten aber Aufschlüsse über das Gesamtbild geben. „Unsere Modell-Eiskristalle zeigen Entladungen. Vielleicht steckt noch mehr dahinter. Stellen Sie sich vor, dass die Mini-Partikel irgendwann winzige Blitze erzeugen würden – das wäre wirklich cool“, schmunzelt Stöllner.
Projektförderung
Dieses Projekt wurde durch Mittel des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms ‚Horizont 2020‘ der Europäischen Union (Fördervereinbarungen Nr. 949120 und Nr. 805041) unterstützt.
Originalveröffentlichung
[Stoellner et al.: Using optical tweezers to simultaneously trap, charge and measure the charge of a microparticle in air; Physical Review Letters, 2025, DOI: 10.1103/5xd9-4tjj, https://doi.org/10.1103/5xd9-4tjj]
Quelle und Bild: ista.ac.at