Gefriert oder kocht Wasser im Weltraum?
„Man kann das Meer nicht überqueren, indem man nur steht und auf das Wasser starrt.“
-Rabindranath Tagore
Wenn Sie flüssiges Wasser in den Weltraum bringen würden, würde es gefrieren oder würde es kochen? Das Vakuum des Weltraums unterscheidet sich furchtbar von dem, was wir hier auf der Erde gewohnt sind. Wo Sie jetzt stehen, umgeben von unserer Atmosphäre und relativ nahe an der Sonne, sind die Bedingungen genau richtig, damit flüssiges Wasser fast überall auf der Oberfläche unseres Planeten stabil existiert, egal ob Tag oder Nacht.
Aber der Weltraum unterscheidet sich in zwei äußerst wichtigen Punkten: Es ist kalt (besonders wenn Sie nicht direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind oder weiter von unserem Stern entfernt sind) und es ist das beste drucklose Vakuum, das wir kennen. Während der normale atmosphärische Druck auf der Erde etwa 6 × 10 ^ 22 Wasserstoffatome darstellt, die auf jeden Quadratmeter an der Erdoberfläche nach unten drücken, und während die besten terrestrischen Vakuumkammern auf etwa ein Billionstel davon herunterkommen können, hat der interstellare Raum einen Druck Das ist Millionen oder sogar Milliarden Mal kleiner als das!
Mit anderen Worten, es gibt einen unglaublichen Rückgang von Temperatur und Druck, wenn es um die Tiefen des Weltraums geht, verglichen mit dem, was wir hier auf der Erde haben. Und doch ist es das, was diese Frage umso problematischer macht.Sie sehen, wenn Sie flüssiges Wasser nehmen und es in eine Umgebung bringen, in der die Temperatur unter den Gefrierpunkt abkühlt, bildet es in sehr, sehr kurzer Zeit Eiskristalle.
Nun, der Weltraum ist wirklich, wirklich kalt. Wenn wir davon sprechen, in den interstellaren Raum zu gehen, weit weg (oder im Schatten) von irgendwelchen Sternen, kommt die einzige Temperatur von dem übrig gebliebenen Glühen des Urknalls: dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Die Temperatur dieses Strahlungsmeeres beträgt nur 2.7 Kelvin, was kalt genug ist, um Wasserstoff fest einzufrieren, viel weniger Wasser.
Wenn Sie also Wasser in den Weltraum bringen, sollte es gefrieren, oder?
Nicht so schnell! Denn wenn Sie flüssiges Wasser nehmen und den Druck in der Umgebung senken, kocht es. Sie kennen vielleicht die Tatsache, dass Wasser in großen Höhen bei einer niedrigeren Temperatur kocht; Dies liegt daran, dass sich über Ihnen weniger Atmosphäre befindet und daher der Druck niedriger ist.
Wir können jedoch ein noch schwerwiegenderes Beispiel für diesen Effekt finden, wenn wir flüssiges Wasser in eine Vakuumkammer geben und dann die Luft schnell evakuieren. Was passiert mit dem Wasser?
Es kocht, und dabei kocht es ziemlich heftig! Der Grund dafür ist, dass Wasser in seiner flüssigen Phase sowohl einen bestimmten Druckbereich als auch einen bestimmten Temperaturbereich benötigt. Wenn Sie mit flüssigem Wasser bei einer bestimmten festen Temperatur beginnen, führt ein ausreichend niedriger Druck dazu, dass das Wasser sofort kocht.
Aber aus erster Hand, wenn Sie mit flüssigem Wasser bei einem bestimmten, festen Druck beginnen und die Temperatur senken, wird das Wasser sofort gefrieren!
Wenn wir davon sprechen, flüssiges Wasser in das Vakuum des Weltraums zu bringen, sprechen wir davon, beide Dinge gleichzeitig zu tun: wasser aus einer Temperatur / Druck-Kombination nehmen, bei der es stabil flüssig ist, und es auf einen niedrigeren Druck bringen, etwas, das es kochen lässt, und es auf eine niedrigere Temperatur bringen, etwas, das es einfrieren lässt.
Sie können flüssiges Wasser in den Weltraum bringen (beispielsweise an Bord der internationalen Raumstation), wo es unter erdähnlichen Bedingungen gehalten werden kann: bei stabiler Temperatur und stabilem Druck.
Aber wenn Sie flüssiges Wasser in den Weltraum stellen — wo es nicht mehr als Flüssigkeit bleiben kann — welches dieser beiden Dinge passiert? Friert oder kocht es?
Die überraschende Antwort ist, dass es beides tut: Zuerst kocht es und dann friert es ein! Wir wissen das, weil dies früher geschah, als Astronauten im Weltraum den Ruf der Natur spürten. Laut den Astronauten, die es selbst gesehen haben:
Wenn die Astronauten während einer Mission ein Leck nehmen und das Ergebnis in den Weltraum ausstoßen, kocht es heftig. Der Dampf geht dann sofort in den festen Zustand über (ein Prozess, der als Desublimation bekannt ist), und Sie erhalten eine Wolke aus sehr feinen Kristallen gefrorenen Urins.
Dafür gibt es einen zwingenden physikalischen Grund: die hohe spezifische Wärme des Wassers.
Es ist unglaublich schwierig, die Temperatur von Wasser schnell zu ändern, denn obwohl der Temperaturgradient zwischen dem Wasser und dem interstellaren Raum enorm ist, hält Wasser die Wärme unglaublich gut. Darüber hinaus neigt Wasser aufgrund der Oberflächenspannung dazu, im Raum in kugelförmigen Formen zu bleiben (wie Sie oben gesehen haben), wodurch die Oberfläche, die es zum Wärmeaustausch mit seiner Umgebung unter Null benötigt, tatsächlich minimiert wird. Der Gefrierprozess wäre also unglaublich langsam, es sei denn, es gäbe eine Möglichkeit, jedes Wassermolekül einzeln dem Vakuum des Weltraums auszusetzen.
Aber es gibt keine solche Einschränkung für den Druck; es ist effektiv Null außerhalb des Wassers, und so kann das Kochen sofort stattfinden und das Wasser in seine gasförmige (Wasserdampf) Phase eintauchen!
Aber wenn dieses Wasser kocht, denken Sie daran, wie viel mehr Volumen Gas aufnimmt als Flüssigkeit und wie viel weiter die Moleküle voneinander entfernt sind. Dies bedeutet, dass unmittelbar nach dem Kochen des Wassers dieser Wasserdampf — jetzt bei praktisch Null Druck – sehr schnell abkühlen kann! Schauen wir uns das Phasendiagramm für Wasser noch einmal an.
Sobald Sie unter etwa 210 K kommen, werden Sie in die feste Phase für Wasser — Eis eintreten — egal wie hoch Ihr Druck ist. Das passiert also: Zuerst kocht das Wasser, und dann gefriert der sehr feine Nebel, den es wegkocht, und es entsteht ein dünnes, feines Netzwerk von Eiskristallen.
Ob Sie es glauben oder nicht, wir haben eine Analogie dafür hier auf der Erde! An einem sehr, sehr kalten Tag (es muss ungefähr -30 ° oder niedriger sein, damit dies funktioniert), nehmen Sie einen Topf mit etwas kochendem Wasser und werfen Sie es (weg von Ihrem Gesicht) in die Luft.
Der schnelle Druckabfall (von Wasser auf Luft) führt zu einem schnellen Kochen, und dann führt die schnelle Einwirkung der extrem kalten Luft auf den Wasserdampf zur Bildung von gefrorenen Kristallen: Schnee!
Also kocht oder gefriert Wasser, wenn Sie es in den Weltraum bringen? Ja, das tut es.