Zwei winzige Polystyrolkügelchen, in einem Schallfeld schwebend, stoßen immer wieder zusammen. Bei jedem einzelnen Stoß sieht die übertragene Ladung zufällig aus – die Messwerte streuen um einen schiefen Mittelwert. Nach hundert Stößen sieht sie nicht mehr zufällig aus.
Ein Team um Tom O'Hara an der University of Bristol hat mit einem eigens gebauten akustischen Levitator die vielleicht einfachste Version einer der häufigsten und am schlechtesten verstandenen Erscheinungen der Physik isoliert: der triboelektrischen Aufladung, also der statischen Elektrizität, die entsteht, wenn sich zwei Körper berühren und wieder trennen. Das berichtet Physics World; die Arbeit erschien in Physical Review E.
Die Schwierigkeit liegt in der Statistik. In einer Staubwolke, einer Aschewolke oder einem Gewitter gibt es Milliarden von Stößen unter ständig wechselnden Bedingungen. Was ein einzelner Stoß überträgt, lässt sich darin nicht isolieren. Also baute das Team das Gegenteil: ein System mit genau zwei Teilchen.
Das Gerät heißt MultiLev und ist eine steuerbarere Version von TinyLev, das dieselbe Gruppe 2017 aus günstigen Standardbauteilen zusammengesetzt hatte. Zwei gegenüberliegende Faradaybecher aus Drahtgitter halten je ein Teilchen; die Maschenweite ist so gewählt, dass die Schallwellen ungehindert hindurchgehen. So lässt sich jedes Kügelchen in seinem eigenen Becher schweben lassen, das Schallfeld so verändern, dass sich beide in der Mitte treffen und zusammenstoßen, und danach jedes in seinen Becher zurückholen. Ein empfindliches Pikoamperemeter misst die influenzierte Ladung.
Das Einzelergebnis ist Rauschen. Das kumulierte Ergebnis ist eine Sättigungskurve: Die Ladung steigt zunächst zügig und flacht dann gegen einen Maximalwert ab. Genau dieses Verhalten sagt das Kondensatormodell voraus, das Physiker seit Langem für triboelektrische Aufladung vorschlagen, ohne es sauber prüfen zu können. Ladung fließt umso schwerer nach, je größer die bereits aufgebaute Spannung ist – bis sich ein Gleichgewicht einstellt.
„Die triboelektrische Aufladung ist seit Platons Zeit bekannt, aber die grundlegenden Mechanismen der Ladungsübertragung sind noch immer unvollständig verstanden“, sagte O'Hara. Besonders gelte das für isolierende Pulver, deren große Oberfläche viel Ladung aufnehme.
Warum das mehr ist als eine Laborfußnote: Dieselbe Physik entscheidet über Vulkanasche, Staubstürme und die Elektrifizierung von Gewitterwolken, in denen sich Ladung aufbaut, bis sie sich als Blitz entlädt. In der Industrie entscheidet sie darüber, ob Staub oder Lösungsmitteldämpfe sich an einer Entladung entzünden. Wer ein Modell hat, das vorhersagt, wie schnell ein Pulsenbett sättigt, kann Schutzkonzepte anders auslegen als jemand, der nur weiß, dass es manchmal funkt und manchmal nicht.
Der nächste Schritt ist der unbequeme: Das Experiment zeigt einen sauberen Zusammenhang bei zwei Teilchen unter idealen Bedingungen. Reale Systeme haben Korngrößenverteilungen, Feuchtigkeit, Oberflächenverunreinigungen und Millionen von Nachbarn. Ob die Sättigungskurve dort erhalten bleibt, ist die offene Frage – und die, an der sich entscheidet, ob aus einem schönen Labormodell eine brauchbare Vorhersage wird.
