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Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus. Das kann unangenehme Folgen haben: Wer eine Glasflasche im Winter bei Minusgraden im Auto vergisst, steht schnell vor einem Scherbenhaufen. Die Flasche hält dem Druck des sich ausdehnenden Wassers nicht stand.

Bei einer Plastikflasche ist es nicht ganz so schlimm. Das Material ist elastisch und dehnt sich mit dem Eis aus. Aber was wäre nun, wenn sich das Gefäß weder ausdehnen noch platzen würde? Wenn wir Wasser in eine druckfeste Flasche füllten? - Das Wasser würde trotzdem zu Eis gefrieren – wenn die äußeren Bedingungen stimmen.

Druck senkt die Schmelztemperatur

Ist die Flasche druckfest und starr, kann sich das Wasser nicht ausdehnen. Der Druck in der Flasche steigt. Das senkt die Schmelztemperatur. Allerdings ist ein Druck von mehr als 100 bar nötig, um die Schmelztemperatur nur um ein Grad zu senken. Handelsübliche Getränkeflaschen halten nur einen Bruchteil davon aus.

Trotzdem Eisbildung bei ausreichend niedrigen Temperaturen

Aber das Wasser befindet sich ja nun in einem druckfesten Gefäß. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen wandelt sich also ein Teil des Wassers in Eis um. Der Druck steigt. Mit sinkenden Temperaturen nimmt die Eisbildung aber immer weiter zu – und damit auch der Druck.

Wasser friert bei mehr als 2000 bar komplett durch

Bei etwa 2000 bar und darüber passiert dann etwas Besonderes: Das Wasser gefriert komplett zu Eis. Denn unter solch hohem Druck entsteht eine andere Art von Eis, so genanntes Eis III. Eis III hat nicht nur eine höhere Dichte als normales Eis, sondern auch eine höhere Dichte als Wasser. Deshalb reicht diesem Eis der Platz in der Flasche aus.

Kristalllisationskeime stoßen Eisbildung an

Allerdings muss Wasser nicht immer sofort gefrieren. Um die Eisbildung in Gang zu setzen, sind in der Regel Kristallisationskeime nötig. Das sind winzige Feststoffe oder auch Gasbläschen, um die herum sich Wassermoleküle anordnen. Damit stoßen sie die Kristallisation des Wassers an.

Flüssiges Wasser bei Minustemperaturen

Liegen keine solchen Kristallisationskeime vor, kann Wasser auch noch weit unter Null Grad Celsius flüssig bleiben. Man spricht dann von einer unterkühlten Flüssigkeit. Amerikanische Forscherinnen haben vor Kurzem in einer Computersimulation herausgefunden, dass reines Wasser erst bei minus 48 Grad Celsius spontan Eiskristalle bildet.

Verzögerung auch im Alltag möglich

Das Phänomen lässt sich gelegentlich auch bei Getränkeflaschen beobachten. Lässt man ungeöffnete Wasserflaschen im Winter im Auto liegen– oder steckt sie ins Gefrierfach –, so bleibt der Inhalt manchmal trotz der Minusgrade flüssig. Das spricht für sehr reines Wasser im Inneren der Flasche.

Plötzliche Eisbildung in der Wasserflasche

Noch spannender wird es, wenn man die Flasche mit dem unterkühlten Wasser dann öffnet. Enthält das Wasser Kohlensäure, gefriert es beim Öffnen plötzlich innerhalb weniger Sekunden vom Flaschenhals bis hin zum Flaschenboden durch. Die Kohlensäurebläschen agieren dabei als Kristallisationskeime.

Manuskript