Alles was man für den Funkensturm in der eigenen Mikrowelle braucht, ist eine Weintraube. In dem beliebten Do-it-yourself Experiment wird die Traube halbiert, sodass noch eine feine Hautbrücke die beiden Hälften verbindet. Nach ein paar Sekunden in der Mikrowelle lässt sich ein Miniatur-Feuerwerk aus blitzendem Plasma bestaunen.
Seit rund zwanzig Jahren ist dieser Effekt bekannt und wurde vielfach in Videos dokumentiert. Welche physikalischen Mechanismen hinter dem funkenstiebenden Obst liegen, war bisher jedoch unklar. Kanadische Forscher rund um Aaron Slepkov von der Trent University in Peterborough haben dieses Rätsel nun gelöst.
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Ihrer im Fachmagazin PNAS erschienen Studie zufolge sind die runde Form der Trauben und die Eigenschaften des Wassers entscheidend. Frühere Erklärungen für dieses Phänomen hätten stets die Rolle der Haut und der offenen, nassen Oberfläche bei der Bildung des Plasmas betont, schreiben die Forscher. "Wir stellen jedoch fest, dass keine dieser Bestandteile für die Bildung des Plasmas wesentlich ist."
Der Begriff Plasma bezeichnet ein Teilchengemisch, in dem neben neutralen Atomen auch geladene Teilchen wie Ionen oder Elektronen vorkommen, also freie Ladungsträger. Plasma kann zum Beispiel durch das Erhitzen von Gasen erzeugt werden. Ein genauer Blick auf die Entwicklung des Plasmablitzes zeige, so schreiben die Forscher in ihrem Artikel, dass die Zündung unterhalb der Hautbrücke zwischen den beiden Traubenhälften stattfinde.
Zunächst stellten die Forscher fest, dass auch ganze Weintrauben und Kugeln aus Hydrogel, das zum größten Teil aus Wasser besteht, Plasmablitze entstehen lassen, wenn sie mit Mikrowellen bestrahlt werden. Entscheidend dabei ist, dass es einen Kontakt zwischen den Trauben oder Kugeln gibt.
Das Experiment funktioniert auch mit Wachteleiern
Slepkov und Kollegen untersuchten mittels Wärmebildkamera und Computersimulation die Wärmeverteilung in Trauben vor dem Plasmablitz. Dabei zeigte sich, dass sich zwischen den Trauben "Hotspot" bildet.
Nach den Erkenntnissen der Forscher sorgt die sogenannte Mie-Streuung, eine Streuung elektromagnetischer Wellen in runden Objekten, für die Hotspots. Eine wichtige Rolle spielt auch die dielektrische Konstante des Wassers, die anzeigt, wie durchlässig Wasser für elektrische Felder ist.
Um zu zeigen, dass der Inhalt entscheidend ist und nicht die Oberfläche, legten die Forscher zwei sich berührende Wachteleier in einen Mikrowellenofen. Es zeigte sich ein Hotspot am Berührungspunkt. Diesen Hotspot gab es nicht, wenn die Eier durch ein kleines Loch entleert worden waren. Füllten die Wissenschaftler die Eierschalen mit Wasser, wurde wieder ein Hotspot erzeugt.
Eine Spektralanalyse des Plasmablitzes weist auf Natrium und Kalium hin, chemische Elemente, die in der Traubenhaut vorhanden sind. Weil sich das elektrische Feld der Mikrowellenstrahlung stark im Berührungspunkt konzentriert, werden diese Atome teilweise ionisiert. Die Natrium- und Kalium-Ionen sind mit der Wellenlänge der Mikrowellen in Resonanz und können auch die umgebende Luft ionisieren, so dass ein Plasma entsteht.
