Ein Stoff zum Staunen

Dabei erscheint Wasser so einfach und allgegenwärtig: Das Molekül H2O besteht aus zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoff-Atom – dem häufigsten und dem dritthäufigsten Element im Weltall. Zwei Drittel der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt. Wir Menschen bestehen zu rund 65 Prozent daraus. Wir trinken hauptsächlich Wasser, gießen unsere Äcker und Pflanzen damit, kochen mit Wasser, baden darin, bestaunen es als Meer oder Wasserfall, fahren auf ihm per Schiff von einem Ort zum anderen, betreiben mit seiner Kraft unzählige technische Geräte. Von allen Substanzen ist Wasser wohl jene, die unseren Alltag am meisten bestimmt.

Auch in der Forschung spielt es eine große Rolle – wie das Beispiel des Mpemba-Effekts zeigt. Allerdings eine paradoxe: „Von allen bekannten Flüssigkeiten“, sagte der 2016 verstorbene britische Chemiker und Wasserexperte Felix Franks, „ist Wasser wahrscheinlich diejenige, die am meisten untersucht wird – und am wenigsten verstanden ist.“

Zwei Ärmchen aus Wasserstoff

Aber woran liegt es, dass sich dieses scheinbar so vertraute Nass derart unserem Verständnis entzieht? Ein Faktor ist sicher die besondere Form des Moleküls H2O. Es ist klein und V-förmig angeordnet. Das Sauerstoff-Atom bildet sozusagen den Rumpf, von dem die beiden Wasserstoff-Atome als Ärmchen abzweigen. Allerdings nicht gegenüberliegend, sondern eben V-förmig – also quasi auf 2 Uhr und 10 Uhr statt auf 3 und 9 Uhr. Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff. Das bedeutet, dass der Sauerstoff die Bindungselektronen beider Wasserstoff-Atome näher zu sich heranzieht, auch wenn er sie diesen nicht entreißt.

Der Sauerstoff ist daher tendenziell negativ geladen, der Wasserstoff positiv. Dadurch zieht der Sauerstoff auf seiner freien Seite – also der Seite ohne Ärmchen – andere Wassermoleküle an, die dort mit einem ihrer beiden Ärmchen andocken. Diese recht losen Verbindungen bezeichnen die Chemiker als Wasserstoffbrückenbindungen. Und sie spielen nach dem aktuellem Verständnis eine zentrale Rolle für das merkwürdige Verhalten von H2O. Denn Sauerstoff hat sechs Elektronen, also sechs potenzielle Andockstellen. Zwei sind durch die eigenen Wasserstoff-Atome des Wassers besetzt. Damit bleiben vier, an die sich weitere Moleküle binden können. So sind sehr komplexe dreidimensionale Netzwerke möglich.

Dazu kommt: Wasser ist vor allem in seiner flüssigen Form sehr dynamisch. Ständig gehen die winzigen flinken Moleküle neue Wasserstoffbrückenbindungen ein – nur um sie binnen Sekundenbruchteilen wieder zu kappen, sich andere Partner zu suchen und dabei die Position im Netzwerk der Moleküle zu wechseln. So sind die Vorgänge zwischen den Teilchen selbst und ebenso ihre Interaktionen mit Fremdstoffen im Wasser im Detail schwer zu beobachten.

Allerdings: Die Forschung macht enorme Fortschritte bei der Untersuchung immer kleinerer Materialproben – moderne atomgenaue Röntgenmikroskopie und Lasertechnologie sowie weitere, immer feiner ausgetüftelte Hightech-Verfahren sind der Schlüssel dazu. So ist es gelungen, immer exotischere Formen von Wasser zu produzieren, zu untersuchen und so manchen Geheimnissen auf die Spur zu kommen.

Zwei Flüssigkeiten in einer?

Zum Beispiel haben Forscher starke Hinweise auf noch eine Merkwürdigkeit des Wassers gefunden: Womöglich ist es in Wahrheit gar keine homogene Flüssigkeit, sondern besteht aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten, die untrennbar miteinander vermischt sind. Und es wäre dann das komplexe Wechselspiel dieser beiden, das für viele Anomalien verantwortlich ist: „Wasser wäre keine komplizierte Flüssigkeit, sondern zwei einfache Flüssigkeiten in einer komplizierten Beziehung“, sagt Anders Nilsson.

Um das zu verstehen, muss man etwas ausholen. Ein großer Teil der Erforschung von Wasser ist im Grunde die Erforschung von Eis, weil die flinken Moleküle dann zu einer festen Kristallgitterordnung zusammenfinden und sich in Ruhe untersuchen lassen. Zudem zeigen sich viele Seltsamkeiten des Wassers gerade in seiner gefrorenen Form – wobei man vielmehr von „Eisformen“ sprechen muss, denn die Forscher haben inzwischen 20 verschiedene Sorten von Wassereis entdeckt. Je nach Druck und Temperatur bildet Wasser beim Gefrieren starre Molekülgefüge mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften.

Es gefriert keineswegs immer bei null Grad Celsius. Wenn man es unter Druck setzt, kann es auch schon bei Raumtemperatur gefrieren. Und wenn es destilliert, also frei von Fremdstoffen ist, kann es noch bei minus 40 Grad Celsius flüssig sein. Es fehlen dann die Kondensationskeime, an denen sich Eiskristalle bilden können. Allerdings reicht in diesem Zustand schon eine schwache Erschütterung, und das Wasser gefriert ruckartig.

Eiswürfel in der Erdatmosphäre

Derart unterkühltes Wasser findet sich zum Beispiel hoch oben in den Wolken, wo entsprechend tiefe Temperaturen herrschen. In den höchsten Schichten der Erdatmosphäre bei klirrender Kälte und wenig Luftdruck kommen außerdem Eiskristalle vor, die würfelförmig sind, weil ihnen ein kubisches Kristallmuster zugrunde liegt. Die Kristalle des Eises, das wir so kennen – Schnee, Eiswürfel, die Eisfläche auf dem See – haben dagegen eine hexagonale Form. Das liegt daran, dass sich die Moleküle unter normalen irdischen Verhältnissen immer im Sechseck zusammenfinden. Beide Subtypen, kubisch und hexagonal, zählen Experten als Ic und Ih zur Variante „Ice One“ oder Eis I.

Wie unterschiedlich schon diese zwei Subtypen einer Sorte sind, zeigt der Vergleich mit Grafit – dem Material von Bleistiftminen – und Diamant: Beide Materialien bestehen aus reinem Kohlenstoff, doch Grafit hat eine hexagonale Kristallstruktur wie Schneeflocken, Diamant hingegen eine kubische wie auch Eisen und Chrom. Niemand käme auf die Idee, mit einem Stift aus Diamant schreiben zu wollen. Ähnlich weit weichen die Eigenschaften der 19 weiteren Wassereis-Sorten voneinander ab: „Es sind ganz verschiedene Materialien“, sagt Christoph Salzmann. Der Chemiker aus Österreich forscht am University College London und war an den Entdeckungen der Eisvarianten XIII, XIV und XV beteiligt.

Dabei kommt (fast) nur Eis I in der irdischen Natur vor. Andere Sorten lassen sich bloß im Labor herstellen – etwa indem man eine winzige Probe mit Lasern beschießt und mit Diamantstempelzellen komprimiert. Einzige Ausnahmen sind Eis VI und VII, die als Einschlüsse in Diamanten nachgewiesen wurden. Sie sind also tief im heißen, unter Hochdruck stehenden Inneren der Erde entstanden.

Sammelsurium der Kuriositäten

Jedenfalls ist von den Sorten Eis II bis XX eine Sorte absonderlicher als die andere. Zum Beispiel Eis XVIII, das 2019 ein Team um den US-Physiker Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien erstmals hergestellt hat. Die Forscher beschossen dazu ihre Wasserprobe im Labor mit einem der stärksten Laser der Welt. Die Temperatur stieg dabei auf 1700 Grad Celsius. Und dennoch gefror die Flüssigkeit, da sie gleichzeitig unter einen Druck von über drei Millionen Bar gesetzt wurde. Heraus kam ein sogenanntes superionisches Eis, das teils fest und teils flüssig war: Die Sauerstoff-Atome bildeten ein dreidimensionales Gittermuster, die Wasserstoff-Atome jedoch gaben ihr jeweils einziges Elektron an den Sauerstoff ab und flossen dann als positiv geladenes Proton durch diesen Käfig wie eine Flüssigkeit. Im Gegensatz zu allen zuvor produzierten Eisvarianten I bis XVII waren also die Wassermoleküle aufgebrochen.

Das führte zu bizarren Eigenschaften, wie Entdecker Millot berichtet: „Eis XVIII absorbiert Licht und ist daher schwarz. Es ist halb so heiß wie die Sonne und elektrisch leitfähig wie Metall.“ Statt freier Elektronen transportiere darin der freie Wasserstoff die elektrische Ladung.

So exotisch superionisches Eis anmutet – wahrscheinlich kommt es im Universum, zumindest aber in unserem Sonnensystem, viel häufiger vor als das irdische Eis I sowie Wasser. Denn die beiden Gasplaneten Uranus und Neptun, die viel größer sind als die Erde, bestehen jeweils zu mehr als der Hälfte aus Eis. Jeder dieser beiden Planeten enthält 50.000 Mal so viel Wasser wie alle Ozeane, Gletscher und Eiskappen der Erde zusammen. Und das meiste davon steckt tief in ihrem Inneren. Dort herrschen Druckbedingungen von mehreren Millionen Bar und Temperaturen von Tausenden Grad. „Unsere Experimente legen nahe“, sagt Millot, „dass dieses Wasser superionisches Eis ist.“

Viele der höheren Eissorten sind außerdem amorph, wie Wissenschaftler sagen. Amorphes Eis entsteht, wenn Wasser schnell gefriert und sich dabei binnen Sekundenbruchteilen um Hunderte Grad Celsius abkühlt, sodass die Moleküle keine Zeit haben, sich zu einem regelmäßigen Kristallgitter anzuordnen. Im All ist amorphes Eis die Regel. Doch auf der Erde muss man es künstlich herstellen – etwa, indem man Wasserdampf bei minus 140 Grad Celsius an einem Kupferrohr kondensieren lässt.

Zwiespältige Natur

Mit solchem amorphen Eis gelang nun die Entdeckung eines starken Hinweises auf die vermutete zwiespältige Natur des Wassers. Amorphes Eis selbst – das ist schon länger klar – liegt in zwei Formen vor, von denen die eine genauso ungeordnet wie die andere ist, aber eine etwa 25 Prozent höhere Dichte aufweist. Man nennt die beiden Eissorten daher HDA für High Density Amorphous Ice und LDA für Low Density Amorphous Ice. Die Vermutung ist, dass es bei flüssigem Wasser Entsprechungen gibt – HDL (High Density Liquid) und LDL (Low Density Liquid). Diese Formen sind aber sehr viel schwerer festzustellen, weil sie sich ständig durchmischen.

Ein Forscherteam um Anders Nilsson von der Universität Stockholm, Gerhard Grübel vom Hamburger Forschungszentrum DESY und Thomas Lörting von der Universität Innsbruck erhitzte 2017 in einem Experiment reines HDA-Eis von minus 150 auf minus 140 Grad Celsius. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass es sich in die LDA-Variante umwandelte – aber über ein Zwischenstadium: Für einen kurzen Augenblick schmolz das HDA zunächst zu LDL, der vermutlich weniger dichten Wasservariante. Beobachten konnten die Forscher das mit dem ultrahochauflösenden Röntgenmikroskop PETRA III des DESY, das mit seinen extrem intensiven Röntgenstrahlen die Vorgänge in Materialproben, etwa bei chemischen Reaktionen räumlich wie zeitlich haarfein aufgelöst ablichten kann.

Damit ist die Existenz der zwei verschiedenen Wasserphasen für so niedrige Temperaturen erwiesen. Gelungen ist das nur, weil die beiden Phasen bei dieser Kälte recht zähflüssig sind und sich weniger schnell durchmischen. Der Nachweis, dass auch das tägliche Glas Wasser in Wahrheit ein Mixgetränk ist, steht noch aus. Die Forscher erwarten, dass es zum größten Teil aus HDL besteht, mit kleinen Bereichen von 20 oder 30 Molekülen, die sich vorübergehend immer wieder zu LDL zusammenfinden.

Doch um die äußerst kurzlebigen Einsprengsel aufzuspüren, braucht es neue Messtechniken. Die sollen jetzt entwickelt werden, und zwar im Rahmen eines neuen Forschungszentrums. Das soll demnächst in Hamburg gegründet werden und ans DESY angegliedert sein. Dort gibt es bereits für diese Disziplin hilfreiche Großforschungsanlagen. Am neuen Centre for Molecular Water Science (CMWS) wollen sich Forscher aus aller Welt zusammentun – nicht nur, um die wahre Natur des Wassers zu entschlüsseln, sondern auch, um auf Basis eines besseren Verständnisses seiner Eigenschaften und Wechselwirkungen mit anderen Substanzen Fortschritte in verschiedenen Forschungsdisziplinen und Technologien zu ermöglichen.

Wasser als kosmische Brutstätte?

So wollen Astrochemiker herausfinden, ob und wie Wasser oder seine exotischen Formen von Eis im Weltall als Brutstätte für komplexere Verbindungen fungiert. Denn eigentlich sollten Vakuum und extreme Kälte chemische Reaktionen stark erschweren. „Wir gehen davon aus, dass ein Großteil der Reaktionen auf den Oberflächen von Eispartikeln stattfindet“, sagt DESY-Chemikerin Melanie Schnell. Womöglich treffen die Moleküle auf vagabundierende Eiskörnchen und bleiben daran kleben. Dort reagieren sie, etwa angeregt durch UV-Strahlung, mit anderen Molekülen, die ebenfalls eingefangen werden.

Die Forscher spekulieren, dass auf diese Weise sogar manche Urbausteine des Lebens entstanden sind – organische Vorläufermoleküle von Aminosäuren. „Im neuen Wasserzentrum wollen wir entsprechende Experimente beispielsweise in einer Vakuumkammer durchführen, in der wir die Bedingungen des Weltraums simulieren“, sagt Schnell, die an den Gründungsvorbereitungen des CMWS als Koordinatorin mitwirkt. „Womöglich bestätigen sie unsere Vermutung, dass Eis im Weltall eine Art interstellarer Katalysator ist.“

Klimaforscher dagegen sind vor allem an der Mitwirkung des Wassers bei der Erderwärmung interessiert: Wie bilden sich Wolken, und wie verändert sich dieser Prozess bei steigenden Temperaturen? Heizen Wolken den Klimawandel zusätzlich an oder mildern sie ihn? Die Antwort darauf ist noch unklar. Entscheidend dürften die Schwebepartikel in der Luft sein, auch „Aerosole“ genannt, an denen der Wasserdampf zu Tropfen kondensiert. „Sobald das geschieht, kann das Wasser Bestandteile aus den Partikeln herauslösen, zum Beispiel seifenartige organische Moleküle“, sagt Nønne Prisle, Atmosphärenforscherin an der Universität Oulu in Finnland. Diese Partikel können das Verhalten des Wassers beeinflussen. Was dabei genau vor sich geht, hängt stark vom Aerosol ab. Prisle untersucht das mit Anlagen wie PETRA III, wo die Wissenschaftlerin aus Finnland überschallschnelle Wasserstrahlen in eine Vakuumkammer hineinschießt, die mit organischen Molekülen angereichert ist. Die Effekte misst das Röntgenmikroskop.

Die Klimawirkung von Wolken

Computersimulationen mit den bisherigen Messwerten deuten darauf hin, dass die freiwerdenden Substanzen die Oberflächenspannung der Wassertropfen so verändern, dass sie die Tropfen unterm Strich stabilisieren und so die Wolkenbildung verstärken. Das hätte einen kühlenden Effekt aufs Klima. Hört sich gut an, wirft aber ein Dilemma auf: Wenn die Menschheit immer weniger Schadstoffe in die Atmosphäre bläst, tut das zwar der Gesundheit aller Menschen gut, aber die Konzentration von Schwebeteilchen sinkt, die Wolkenbildung nimmt ab und die Klimaerwärmung dadurch zu. Um solche Prognosen zu erhärten, sind weitere, präzisere Messungen nötig. Diese möchte Prisle am CMWS durchführen.

Auch anwendungsorientierte Forschung ist dort geplant, etwa im Bereich Energietechnik: Wasserstoff ist ein großer Hoffnungsträger für eine künftige nachhaltige Energieversorgung der Menschheit. Man kann ihn mit Strom aus regenerativen Quellen per Elektrolyse aus Wasser herstellen, doch es geht auch einfacher: Sonnenlicht könnte den Wasserstoff direkt aus dem Wassermolekül abspalten, wenn ein geeigneter Katalysator im Spiel ist, der den Prozess beschleunigt. Diese sogenannte photokatalytische Wasserspaltung funktioniert bislang noch nicht effektiv genug, um sie großtechnisch umzusetzen. Was fehlt, ist der ideale Katalysator.

Diesen zu finden, soll am Wasserzentrum gelingen. Dazu möchte ein Team um die DESY-Forscherin Simone Techert Experimente unter anderem am European XFEL durchführen – einer weiteren Großforschungsanlage, die gleich neben PETRA III in Hamburg steht. Der Röntgenlaser soll mit einer Pulsfrequenz von 27.000 Laserblitzen pro Sekunde wasserbenetzte Katalysatorkristalle beschießen, um die Wasserspaltung auszulösen und dann mit Röntgenblitzen zu analysieren, was dabei auf der Nanoskala im Detail geschieht. „Wir wollen wissen, welche Materialzusammensetzung des Katalysators am besten funktioniert und warum“, sagt Techert. Favoriten sind zurzeit Perowskite. Das sind häufig vorkommende Mineralien mit einer bestimmten Kristallstruktur. Sollte es gelingen, die Wasserspaltung mit ihnen zu optimieren, könnte das die Energieversorgung künftig deutlich nachhaltiger machen.

Wasserforschung für die Medizin

Nicht zuletzt soll die Wasserforschung auch die Medizin voranbringen. Denn Wasser hat lebenswichtige Funktionen im menschlichen Körper. Es bestimmt den Flüssigkeitshaushalt, löst feste Nahrung wie Zucker, Salz und Vitamine und bewahrt den Organismus als Kühlmittel vor einer Überhitzung. Auch in Körperzellen spielt es sicher eine zentrale Rolle – aber es ist noch unklar, welche genau.

So scheint Wasser mitzuhelfen, den pH-Wert zu regulieren: Bestimmte Eiweiße pumpen Protonen (Wasserstoff-Atomkerne) in die Zellen hinein oder aus ihnen heraus. Kurze Ketten aus Wassermolekülen dürften dabei wie Kletterseile fungieren. Doch bislang konnten die Forscher das kaum detailliert untersuchen. Die Proteinkristallografie, die mit starkem Röntgenlicht die Struktur der Biomoleküle offenbart, nutzt tiefgefrorene kristallisierte Proben, da sie der intensiven Strahlung besser widerstehen. „Doch die Dynamik der Wassermoleküle in den Proteinen lässt sich so nicht erkennen“, sagt Müller-Werkmeister. „Denn die Bewegung der Moleküle ist ja erstarrt.“

Eine maßgeblich in Hamburg entwickelte Methode schafft nun Abhilfe: Bei der seriellen Femtosekunden-Kristallografie treffen die Röntgenblitze nicht mehr auf einen gefrorenen großen Proteinkristall, sondern auf einen haarfeinen Strahl aus vielen kleinen Kristallen. Weil jeder von ihnen ohnehin nur einmal vom Röntgenblitz getroffen wird, ist die Kühlung unnötig. Die Experimente können nun also bei Raumtemperatur vonstattengehen, das Wassernetzwerk behält seine realitätsnahe Dynamik.

Außerdem haben Versuche gezeigt, dass Wasser Beihilfe leistet, wenn sich ein Eiweißmolekül nach seiner Entstehung in seine endgültige Form faltet. Bei der neurodegenerativen Krankheit Alzheimer geht dabei etwas schief: In der wässrigen Lösung der Zellen ballen sich im Gehirn Proteine zu sogenannten Plaques und lösen sich nicht mehr auf. Um das gezielt beeinflussen zu können oder gar zu verhindern, muss das Zusammenspiel zwischen Wasser und Proteinen detaillierter verstanden werden. Dafür setzen die Forscher große Hoffnungen auf den Nachfolger des Röntgenmikroskops PETRA III, den sie der Einfachheit halber PETRA IV nennen: Nach einem milliardenteuren Umbau soll die Anlage ab 2028 noch 100 Mal genauer hinschauen können als jetzt. Forscher könnten dann die Interaktionen der Wassermoleküle mit den nanometerkleinen Proteinen quasi wie in einem 3D-Film live, in Zeitlupe und mit atomgenauer Auflösung verfolgen.

Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen Forscher zudem klären, wie Wasser, das die Erbsubstanz und andere Biomoleküle umhüllt, deren Funktionen direkt beeinflusst. Eine Arbeitsgruppe um Karim Fahmy, Leiter der Abteilung Biophysik, untersucht vor allem Membranproteine, die an den Zelloberflächen sitzen und zum Beispiel Sinneswahrnehmungen übertragen. Wenn Hormone oder andere Wirkstoffe an die Zellrezeptoren andocken, wird das ins Innere der Zelle kommuniziert und löst Reaktionen aus.

Allerdings: Ob das Andockmanöver funktioniert, darauf hat das Wasser erheblichen Einfluss. „Es ist über die Wasserstoffbrücken mit den Rezeptoren verbunden, hält diese gewissermaßen frei, stabilisiert das Protein und hilft den Liganden – also den Bindestoffen – beim Positionieren“, erklärt Fahmy. „Andererseits muss der Ligand eine gewisse Energie mitbringen, um das Wasser von der Anlegestelle zu verdrängen.“

Zu wissen, wie viel Energie dazu notwendig ist und wie das Wasser im Detail Einfluss nimmt, wäre etwa für die Medizin von großem Vorteil. Denn so ließen sich neue Arzneien entwickeln – etwa zur Therapie von Krebs. „Man könnte die Andockmanöver an Rezeptoren verhindern oder fördern – je nachdem, was einem Patienten hilft“, sagt Fahmy.

Großes Interesse in aller Welt

Mehr als 60 Forschungsteams aus aller Welt, vor allem aus Europa, haben Interesse angemeldet, am neuen Hamburger Wasserzentrum mitzuwirken und so den Rätseln auf den Grund zu gehen. Ein Bericht dazu ist bereits verfasst. Darin haben 140 Wasserforscher aus 16 Ländern ein präzises Forschungsprogramm mit Herausforderungen, Zielen, Methoden und Infrastrukturbedürfnissen für das CMWS entworfen. Nun müssen vor allem die nötigen Mittel aufgebracht werden.

Vielleicht lässt sich dann auch endlich der Mpemba-Effekt erklären – die scheinbar so simple Frage, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes. „Wer die komplexe molekulare Dynamik von Wasser erkennt, kann sich vorstellen, dass das nicht einfach ist“, sagt die Physikerin Claudia Goy, die am DESY die fundamentalen Merkmale von Wasser erforscht. „Es wird immer noch diskutiert, unter welchen Bedingungen der Effekt in dieser Form existiert. Es hängt vom Versuchsaufbau und den genauen Umständen ab, ob er eintritt oder nicht, was wiederum Hinweise auf mögliche Erklärungen geben kann.“ Und es könne auch sein, dass die Intuition trügt. Denn streng physikalisch betrachtet sei es nicht so verwunderlich, dass ein energiereiches, dynamischeres System, das aus dem Gleichgewicht ist, einen neuen Zustand schneller annimmt als eines, das weniger dynamisch ist und sich im Gleichgewicht befindet.

Erasto Mpemba wird die mögliche Antwort auf seine Schülerfrage nicht mehr erleben. Er ist 2020 im Alter von 70 Jahren nach einem erfüllten Leben als Mitarbeiter des tansanischen Ministeriums für natürliche Ressourcen und Tourismus gestorben.