Schneemaschine ¶
Mit der Schneemaschine produzieren wir im Kältelabor naturidentischen Schnee. Indem wir Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändern, können wir unterschiedliche Kristallformen herstellen.
Natürlicher Schnee unterscheidet sich je nach seinen Entstehungs- und Ablagerungsbedingungen. Wenn wir diesen Schnee für Experimente verwenden, sind wir nie ganz sicher, wie stark das Ergebnis durch die Variabilität des Schnees beeinflusst wird.
Aus diesem Grund züchten wir im Kältelabor unter bekannten und wiederholbaren Bedingungen unseren eigenen, naturidentischen Schnee. Dieser Schnee hat sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie natürlicher Schnee. So können wir nicht nur vergleichbare Experimente durchführen, sondern sind auch noch unabhängig von der Jahreszeit und von Schneefällen.
Funktionsweise ¶
Mit der Schneemaschine können wir Schnee auf dieselbe Weise herstellen, wie er auch in einer Wolke entsteht, also durch Kristallbildung aus Wasserdampf. Das Prinzip der Schneemaschine ist sehr einfach (Abb. 1). Man erwärmt Luft über einem Wasserbad und bläst sie in eine kältere Umgebung. Kalte Luft kann weniger Wasserdampf aufnehmen als warme. Deswegen ist sie nach der Abkühlung mit Wasserdampf übersättigt und bei Temperaturen unter 0° C beginnen sich Eiskristalle zu bilden. Diesen Prozess beschleunigen wir mit Nylonfäden, die wir als künstliche Kristallisationskeime verwenden. Die gewachsenen Kristalle werden in regelmässigen Abständen von den Nylonfäden abgestreift und in einer Auffangschale gesammelt.
Mit der Schneemaschine können wir auch die Form der Kristalle beeinflussen. Die entscheidenden Faktoren dafür sind die Temperatur am Ort des Kristallwachstums und die Wasserdampf-Übersättigung der Luft. Die Temperatur entspricht ungefähr der Labortemperatur. Den Grad der Wasserdampf-Übersättigung steuern wir über die Wassertemperatur und der damit verbundenen Verdampfungsrate. Wie sich die beiden Parameter auf die Kristallformen auswirken, zeigt die untenstehende Graphik (Abb. 2). Die Eiskristalle werden zum Beispiel als Dendriten, Nadeln oder Eisgraupel gewonnen (Abb. 3).
Die Apparatur im Detail ¶
Einen ersten Prototyp (1999-2011) der Schneemaschine bauten wir nach dem Prinzip von Nakamura (1978). Mit dem weiterentwickelten zweiten Prototypen können wir die produzierte Schneemenge verdreifachen und die Kristallgrösse besser kontrollieren. Ausserdem ist die neue Maschine insgesamt einfacher zu handhaben.
Die Schneemaschine besteht im Wesentlichen aus drei Modulen. Links in der Abbildung 4 ist das Wasserbecken zu sehen. Es fasst ca. 60 Liter deionisiertes Wasser. Unter dem Gitter befindet sich der Querstromlüfter, der kalte Laborluft über die Wasseroberfläche in Richtung Nukleationskammer bläst. In der Mitte befindet sich die Nukleationskammer, in der die Nylonfäden gespannt sind und die Schneekristalle wachsen. In regelmässigen zeitlichen Abständen fährt eine Bürstenkonstruktion über die Nylonfäden (Abb. 5), um die Schneekristalle abzustreifen und die Fäden zu säubern. Unterhalb der Nukleationskammer steht die Schneesammelbox. Angehängt an die Nukleationskammer und ganz rechts im Bild ist ein Vorhang angebracht, in dem die Restfeuchtigkeit resublimiert.
Unterschiede zwischen natürlichem, naturidentischer Schnee und technischem Schnee
Da sich Schneekristalle in einer Wolke frei bewegen können, bilden sich dort meist symmetrische, 6-eckige Kristalle. An den Nylonfäden im SnowMaker hingegen wachsen die Schneekristalle bevorzugt nach unten, weshalb eher einzelne Schneeäste entstehen (Abb. 6).
Während natürlicher oder naturidentischer Schnee durch Resublimation von Wasserdampf entsteht, wird technischer Schnee zum Beschneien von Pisten durch das direkte Gefrieren von Wassertropfen hergestellt. Die Wassertropfen gefrieren auf ihrem Weg von der Düse zum Boden in der kalten Umgebungsluft von aussen nach innen. Deswegen bildet der Tropfen zunächst eine Eisschale mit flüssigem Kern. Idealerweise ist der Tropfen vollständig gefroren, wenn er auf dem Boden ankommt. Technischer Schnee besteht also aus kleinen Eiskugeln, ganz im Gegensatz zu den filigranen Kristallgebilden des natürlichen oder naturidentischen Schnees.
Kontakt ¶
Das Ding ¶
Publikationen ¶
- Nakamura, H. (1978), A new apparatus to produce fresh snow (in Japanese, with English abstract), Rep. Natl. Res. Cent. Disaster Prev., 19, 229–237.
- Schleef, S., M. Jaggi, H. Löwe, and M. Schneebeli (2014), An improved machine to produce nature-identical snow in the laboratory, J. Glaciol., 60(219), 94–102, doi:10.3189/2014JoG13J118.
- Furukawa, Y . (1997), Faszination der Schneekristalle: wie ihre bezaubernden Formen entstehen, Chemie unserer Zeit, 31(2), 58–65, doi:10.1002/ciuz.19970310203.
- Furukawa, Y. (2015), Snow and ice crystal growth, in Handbook of Crystal Growth, pp. 1061–1112, Elsevier.