Wenn man flüssiges Wasser in den Weltraum bringen würde, würde es gefrieren oder kochen? Das Vakuum im Weltraum ist ganz anders als das, was wir hier auf der Erde gewohnt sind. Dort, wo wir uns jetzt befinden, 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 existieren kann, egal ob es Tag oder Nacht ist.

Der Weltraum ist jedoch in zweierlei Hinsicht anders: Er ist kalt (vor allem, wenn man sich nicht im direkten Sonnenlicht befindet oder weiter von unserem Stern entfernt ist), und er ist das beste drucklose Vakuum, das wir kennen. Während der normale atmosphärische Druck auf der Erde etwa 6 × 10^22 Wasserstoffatomen entspricht, die auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche drücken, und während die besten irdischen Vakuumkammern etwa ein Billionstel davon erreichen können, herrscht im interstellaren Raum ein Druck, der Millionen oder sogar Milliarden Mal kleiner ist als das!

Mit anderen Worten: In den Tiefen des Weltraums gibt es einen unglaublichen Temperatur- und Druckabfall im Vergleich zu dem, was wir hier auf der Erde haben. Und genau das macht diese Frage noch schwieriger. Wenn man nämlich flüssiges Wasser in eine Umgebung bringt, in der die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt, bildet es in kürzester Zeit Eiskristalle.

Nun, der Weltraum ist wirklich sehr, sehr kalt. Wenn wir uns in den interstellaren Raum begeben, weit weg (oder im Schatten) von irgendwelchen Sternen, kommt die einzige Temperatur aus dem Restglühen des Urknalls: dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Die Temperatur dieses Strahlungsmeeres beträgt nur 2,7 Kelvin, was kalt genug ist, um Wasserstoff und noch viel weniger Wasser einzufrieren. Wenn man also Wasser in den Weltraum bringt, sollte es gefrieren, oder?

Nicht so schnell! Denn wenn man flüssiges Wasser nimmt und den Druck in der Umgebung senkt, kocht es. Sie wissen vielleicht, dass Wasser in großen Höhen bei einer niedrigeren Temperatur kocht; das liegt daran, dass sich über Ihnen weniger Atmosphäre befindet und somit der Druck geringer ist. Ein noch deutlicheres Beispiel für diesen Effekt finden wir, wenn wir flüssiges Wasser in eine Vakuumkammer geben und dann schnell die Luft ablassen. Was passiert mit dem Wasser?

Es kocht, und zwar ziemlich heftig! Der Grund dafür ist, dass Wasser in seiner flüssigen Phase sowohl einen bestimmten Druckbereich als auch einen bestimmten Temperaturbereich benötigt. Wenn man von flüssigem Wasser bei einer bestimmten Temperatur ausgeht, führt ein ausreichend niedriger Druck dazu, dass das Wasser sofort kocht.

Aber auch hier gilt: Wenn man mit flüssigem Wasser bei einem bestimmten, festen Druck beginnt und die Temperatur senkt, wird das Wasser sofort gefrieren! Wenn wir davon sprechen, flüssiges Wasser in das Vakuum des Weltraums zu bringen, geht es darum, beides gleichzeitig zu tun: Wasser von einer Temperatur/Druck-Kombination zu nehmen, bei der es stabil flüssig ist, und es auf einen niedrigeren Druck zu bringen, etwas, das es zum Sieden bringt, und es auf eine niedrigere Temperatur zu bringen, etwas, das es zum Gefrieren bringt.

Man kann flüssiges Wasser in den Weltraum bringen (z. B. an Bord der internationalen Raumstation), wo es unter erdähnlichen Bedingungen gehalten werden kann: bei einer stabilen Temperatur und einem stabilen Druck.

Aber wenn man flüssiges Wasser in den Weltraum bringt – wo es nicht mehr flüssig bleiben kann – was passiert dann? Gefriert es oder kocht es? Die überraschende Antwort ist, dass es beides tut: erst kocht es und dann gefriert es! Wir wissen das, weil dies früher der Fall war, wenn die Astronauten im Weltraum den Ruf der Natur verspürten. Laut den Astronauten, die es selbst gesehen haben:

Wenn die Astronauten während einer Mission ein Leck haben und das Ergebnis ins All ausstoßen, kocht es heftig. Der Dampf geht dann sofort in den festen Zustand über (ein Prozess, der als Desublimation bekannt ist), und am Ende hat man eine Wolke aus sehr feinen Kristallen von gefrorenem Urin.

Dafür gibt es einen zwingenden physikalischen Grund: die hohe spezifische Wärme von Wasser.

Es ist unglaublich schwierig, die Temperatur von Wasser schnell zu ändern, denn obwohl das Temperaturgefälle zwischen dem Wasser und dem interstellaren Raum riesig ist, kann Wasser Wärme unglaublich gut speichern. Außerdem neigt Wasser aufgrund der Oberflächenspannung dazu, im Weltraum eine kugelförmige Gestalt anzunehmen (wie Sie oben gesehen haben), wodurch die Oberfläche, die es für den Wärmeaustausch mit seiner Umgebung unter dem Gefrierpunkt benötigt, auf ein Minimum reduziert wird. Der Gefrierprozess würde also unglaublich langsam ablaufen, es sei denn, es gäbe eine Möglichkeit, jedes Wassermolekül einzeln dem Vakuum des Weltraums auszusetzen. Da der Druck außerhalb des Wassers praktisch gleich Null ist, kann das Wasser sofort kochen und in die Gasphase (Wasserdampf) übergehen!

Aber wenn das Wasser kocht, muss man bedenken, dass Gas viel mehr Volumen einnimmt als Flüssigkeit und dass die Moleküle viel weiter voneinander entfernt sind. Das bedeutet, dass sich der Wasserdampf unmittelbar nach dem Sieden des Wassers, das nun praktisch unter Null Druck steht, sehr schnell abkühlen kann! Dies ist im Phasendiagramm für Wasser zu sehen.

Wenn man unter etwa 210 K kommt, tritt man in die feste Phase von Wasser ein – Eis – egal wie hoch der Druck ist. Das passiert also: Zuerst kocht das Wasser, und dann gefriert der sehr feine Nebel, zu dem es verkocht, und es entsteht ein feines Netz von Eiskristallen. Ob du es glaubst oder nicht, wir haben hier auf der Erde eine Analogie dafür! An einem sehr, sehr kalten Tag (es muss etwa -30° oder kälter sein, damit das funktioniert), nimm einen Topf mit gerade kochendem Wasser und wirf ihn (von deinem Gesicht weg) in die Luft.

Der schnelle Druckabfall (von Wasser zu Luft) wird ein schnelles Sieden verursachen, und dann wird die schnelle Wirkung der extrem kalten Luft auf den Wasserdampf die Bildung von gefrorenen Kristallen verursachen: Schnee!

Kocht oder gefriert also Wasser, wenn man es ins All bringt? Ja. Ja. Das tut es.