Kein Fortschritt ohne Frost

Für Chemielaborantin Julia Diecker sind frostige Temperaturen von großer Bedeutu

Für Chemielaborantin Julia Diecker sind frostige Temperaturen von großer Bedeutung. Im Institut für Biochemie werden mehrere hundert Zellkulturen in Plastikröhrchen bei bis zu -196 Grad Celsius gelagert. © WWU - MünsterView

Wer mehr über unser aller Materie wissen will, der kommt an den Bausteinen aller festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe nicht vorbei - also an den Atomen. Problem Nummer eins: Atome sind naturgemäß klein, mit 0,0000000001 Metern sogar sehr klein. Zum Vergleich müsste man ein DIN-A4-Blatt 32 Mal der Breite nach in zwei Hälften reißen, um einzelne Atome zu erzeugen. Diesem Problem begegnen Wissenschaftler beispielsweise mit Rasterkraftmikroskopen, mit denen sie immerhin die Atomhülle darstellen können. Problem Nummer zwei besteht darin, dass Atome einfach nicht stillhalten, sie sind in ständiger „Brownscher Bewegung“ - benannt nach der entsprechenden Entdeckung durch den schottischen Botaniker Robert Brown im Jahr 1827. Doch auch dafür haben Wissenschaftler eine Lösung gefunden: Sie versetzen Atome mithilfe von flüssigem Helium in die Nähe des „absoluten Nullpunkts“, also der physikalisch tiefst möglichen Temperatur von -273,15 Grad Celsius beziehungsweise 0 Kelvin. Die Atome werden in den Stillstand schockgefroren - beim absoluten Nullpunkt ist die kinetische Energie der Teilchen gleich null.

Für den Nanophysiker Markus Donath und sein Team ist Eiseskälte eine buchstäblich elementare Bedingung für ihren Versuch, ein super-sauberes Vakuum herzustellen - um die Eigendrehimpulse von Elektronen zu untersuchen, um letztlich Datenspeicher beispielsweise für Computer künftig energiesparender zu bauen und deren Datendichte und die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung zu erhöhen. Markus Donath begnügt sich dafür bereits mit -196 Grad Celsius, der Temperatur von flüssigem Stickstoff. „Damit sind wir in der Lage, jedes einzelne Atom an eine bestimmte Position zu bringen und festzuhalten“, berichtet der Forscher.

Viele physikalische Eigenschaften sind unmittelbar von der Temperatur abhängig, Temperaturen beeinflussen maßgeblich die Reaktionsgeschwindigkeiten von chemischen Prozessen, gleiches gilt für den Stoffwechsel von Lebewesen, und auch in der Medizin ist beispielsweise die Kryotherapie mit dem gezielten Einsatz von Frost zugunsten von therapeutischen Effekten unverzichtbar. Wissenschaft ohne Kälte? Für viele Wissenschaftler undenkbar, möglichst niedrige Temperaturen sind für sie die (frostige) Bedingung auf dem Weg zu neuen Erkenntnissen.

Ohne seine zig „stocks“, also ohne die mit menschlichen Zellen oder Mikroorganismen gefüllten kleinen Plastikröhrchen, wäre für Henning Mootz wissenschaftliches Arbeiten nicht möglich. Für den Biochemiker ist Kälte eine „rein technische Anforderung und gleichzeitig absolut essenziell“. Teilweise über Jahrzehnte hegen und pflegen er sein Team die mehrere Tausend Zelllinien, die sie in den rund 200 Tiefkühlschränken im Institut für Biochemie vorhalten - und mit denen sie gegebenenfalls auch an die nächste Universität umziehen würden. Eine spezielle Art verderblicher Ware, Henning Mootz bezeichnet den Inhalt der Gefrierschränke als „das Gedächtnis unserer Arbeit“. Hinzu kommen fünf Labor-Spezialschränke, die Temperaturen von -80 Grad Celsius erreichen - menschliche Zellen werden mit flüssigem Stickstoff konserviert.

Und davon brauchen die WWU-Forscher reichlich. Dr. Andreas Gorschlüter zeigt die beiden mächtigen, hoch aufragenden Tanks, die die münstersche Firma „Westfalen AG“ mehrmals pro Woche mit flüssigem Stickstoff befüllt. Im Gebäude nebenan, im Physikalischen Institut, stehen in der „Verteilstelle tiefkalte Gase“ drei 400-Liter-Behälter, an denen sich ausgewählte Personen mit 50-Liter-Kannen für ihre Versuche bedienen können. Auf rund 500.000 Liter schätzt der Geschäftsführer des Physikalischen Instituts den jährlichen und uniweiten Bedarf am chemischen Element mit dem Symbol „N“.

Hinzu kommen allein in diesem Institut rund 5000 Liter flüssiges Helium per annum - ein in Forschung, Technik und Medizin stark gefragtes Edelgas, dessen Vorräte in den USA, Algerien, Katar und Russland endlich sind und dessen Preise von aktuell zehn Euro pro Liter entsprechend steigen. Am häufigsten setzen Forscher Helium in der Tieftemperaturtechnik ein, unter anderem als Kühlmittel für supraleitende Magneten. Rund ein Viertel des weltweiten Heliumverbrauchs geht auf die Erzeugung extremer Kälte zurück. Die WWU-Wissenschaftler sind deswegen um Sparsamkeit bemüht - zudem können sie einen Teil des Heliums nach dem Experiment in einer schwarzen, etwa drei Meter breiten und zwei Meter großen Gummiblase auffangen und in Gasflaschen pressen. Das darin enthaltende Helium wird gegen eine Vergütung an Westfalen zurückgegeben.

Einige Räume nebendran beobachtet der Nachwuchsphysiker Dr. Robert Schmidt mithilfe eines Lasers die optischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen. Auch hier gilt: Kälte hält die Atome schön ruhig, das „Cryostat“ der amerikanischen Firma „janis“ wird deswegen auch mit flüssigem Helium gefüllt. Derartige Geräte lassen Nicht-Physiker sichtlich staunen. Dankenswerterweise finden die Fachleute für die Laien aber gleich den passenden Vergleich für diese spezielle Kälte-Apparatur. „Eigentlich ist das nichts anderes“, betont Robert Schmidt, „als eine ziemlich große und ziemlich teure Thermoskanne“.

Mehr über das weitverzweigte Netz der Kälteversorgung lesen Sie in der Unizeitung wissen

leben Nr. 2, 3. April 2019
, aus der auch dieser Artikel stammt.