SCHOTT solutions Nr. 1/2014 > Otto-Schott-Forschungspreis 2014

Foto: thinkstock

Das Glaslabor im Berg


Die experimentelle Erforschung von Vulkanen steht seit den
1990er-Jahren im Mittelpunkt der Arbeiten des renommierten Geowissenschaftlers Professor Dr. Donald Dingwell. Der gebürtige Kanadier wurde dafür mit dem Otto-Schott-Forschungspreis 2014 ausgezeichnet.


Matthias Matting

Schon in der Steinzeit nutzte der Mensch vulkanisches Glas für Schneidewerkzeuge oder Speerspitzen. Donald Bruce Dingwell begegnete dem sogenannten Obsidian erst während seiner Junior-Highschool-Zeit in seiner Heimat Kanada: auf einer Abbildung in einem Schulbuch über Geowissenschaften. Dass er später einmal die natürlichen Labore untersuchen würde, in denen vulkanisches Glas entsteht, war ihm damals noch nicht klar – er studierte Physik und Chemie mit dem Wahlfach Geologie.

Erst mit etwa Dreißig entdeckte der 1958 geborene Forscher seine Leidenschaft für die Vulkanologie. Obwohl Vulkane den Menschen durch Geschichte und Evolution begleiten, erfolgte ihr Studium damals noch auf für eine moderne Wissenschaft einseitige Weise: Vulkanforschung, erinnert sich der heutige Professor für Experimentelle Vulkanologie und Direktor des Department Geo- und Umweltwissenschaften der LMU München, „beschränkte sich auf eine beschreibende Herangehensweise.” Die Forscher nahmen all das genauestens unter die Lupe, was bei Eruptionen ans Tageslicht befördert worden war – und versuchten dann Rückschlüsse auf die physikalischen und chemischen Prozesse im Inneren des Berges zu ziehen. „Diese Art Geländearbeit ist fast eine Kunst”, sagt Dingwell – und doch hätten Kollegen aus der Physik oder der Biologie die Vulkanologie durch das Fehlen der Elemente Simulation und Experiment kaum als moderne Naturwissenschaft bezeichnet. Inzwischen hat sich das gründlich geändert – und das ist, was die experimentelle Vulkanologie betrifft, zu wesentlichen Teilen Donald Dingwell zu verdanken.
In Dingwells Labor an der Münchner Universität wird bei 1.300 Grad Celsius Gestein unter Druck erhitzt und ein Vulkanausbruch „künstlich” nachgestellt. Foto: SCHOTT/H.-J. Schulz
Doch wie lässt sich ein solcher Feuerberg im Labor nachstellen? Die „künstlichen” Vulkane befinden sich in einem Kellerraum des Münchner Uni-Gebäudes: Wassereimerdicke Röhren, bis zu vier Meter lang, bilden die Schlote, durch die die Explosion nach oben steigt. Ein Heizofen liefert bis zu 1.300 Grad Celsius; unter Druck wird darin Gestein erhitzt. Wie bei einem echten Vulkan erfolgt der Ausbruch, wenn der Druck plötzlich entlastet wird. Per Hochgeschwindigkeitskamera messen die Forscher um Professor Dingwell, wie schnell sich die ausgeworfenen Partikel – darunter auch Gläser – bewegen. Um ihre Größe zu bestimmen, werden sie nach dem Experiment einfach von den Wänden der Schlote abgetragen. Dingwell: „Die hier entstandenen Gläser sind Schnappschüsse der Struktur von Flüssigkeiten, die keine Gelegenheit hatten, sich im thermodynamischen Gleichgewicht abzukühlen. Das ist wirklich ein spezieller Zustand der Natur, ich bin fasziniert davon.”

Damit die experimentelle Vulkanologie diesen Stand erreichen konnte, mussten Dingwell und Kollegen einige Hindernisse überwinden. Um den Einfluss heißer Flüssigkeiten und ihrer abgekühlten gläsernen Endprodukte auf einen Vulkanausbruch zu ermitteln, benötigten die Wissenschaftler Informationen zu den ge­nauen Eigenschaften dieser Stoffe. Deren präzise Bestimmung hat Dingwell zu dem gemacht, was er heute für die Glaswelt ist: einer der international gefragtesten Experten bei der Charakterisierung von Glas und Glasschmelzen.
Für seine Forschung über vulkanische Gläser wurde Professor Donald Dingwell (2. von links) mit dem Otto-Schott-Forschungspreis ausgezeichnet. Die Preisübergabe erfolgte während eines internationalen Glaskongresses Ende Mai in Aachen durch den Vorsitzenden des Kuratoriums des Ernst-Abbe-Fonds, SCHOTT Vorstandsmitglied Dr. Hans-Joachim Konz (2. von rechts). Ebenso auf dem Bild: die Kuratoriumsmitglieder Professor Reinhard Conradt (RWTH Aachen; links) und Professor Carlo Pantano (Penn State University; rechts). Foto: SCHOTT/A. Sell
Insbesondere dann, wenn das Verständnis von Glas Versuche unter nichtalltäglichen Bedingungen oder an nicht alltäglichen Zusammensetzungen erfordert, wendet man sich an ihn. Denn für den Vulkanologen ist der Grenzfall die Regel. Vulkanische Gläser enthalten z.B. oft noch einen besonders hohen Anteil an Beimengungen wie Wasser und Gase, was ihre Eigenschaften in vielfältiger Weise ändert. „Wir hätten damals gern in Fachbüchern nachgeschlagen”, schildert Dingwell, „aber selbst bei einfachen Fragen nach der Dichte, dem Wärme-Ausdehnungs-Koeffizienten, der Kompressionsfähigkeit, der Oberflächenspannung oder der Löslichkeit von Gasen bei hohem Druck fanden wir vor allem Lücken vor.” Unzählige Veröffentlichungen zeugen davon, wie Dingwell und Kollegen diese Daten sammelten: Sie bestimmten die thermomechanischen Eigenschaften von Silicatgläsern und maßen die Wasserlöslichkeit in Schmelzen. Mittlerweile sind diese Publika­tionen Pflichtlektüre bei allen Industriewissenschaftlern, deren Aufgabe die Läuterung des Glases ist, also das Austreiben von Wasser und löslichen Gasen aus der Schmelze, um Blasenbildung im späteren Glasprodukt zu vermeiden. Mehrere Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe von Dingwell befassten sich auch damit, wie sich die Zusammensetzung eines Glases auf Viskosität und ther­mische Ausdehnung auswirkt. Es gelang damit, das Verständnis viskoelastischer Reaktionen bei einfachen und komplexen Gläsern erheblich voranzutreiben. „Inzwischen haben wir die Formeln ­dafür, aus Zusammensetzung und Struktur die Eigenschaften eines Glases ableiten zu können”, sagt Dingwell. Wissen, von dem ­wiederum auch die Forscher in den Laboren der Glas­industrie ­profitieren und für das Dingwell nun mit dem alle zwei Jahre ­ausgeschriebenen und mit 25.000 Euro dotierten Otto-Schott-Forschungspreis des Ernst Abbe Fonds ausgezeichnet wird.

Pionier des experimentellen Vulkanismus

„Professor Dingwell ist ein hervorragender Wissenschaftler, dessen Arbeit über die thermomechanischen Eigenschaften von Silikatgläsern und -schmelzen erhebliche Auswirkungen in den Geowissenschaften, der Glaswissenschaft und der Glastechnik
haben”, betonte das Kuratoriumsmitglied des Forschungspreises, Professor Carlo Pantano, bei der Verleihung. „Diese grundlegenden Erkenntnisse haben auch zu einem besseren Verständnis beim Schmelzen und Formen von Industriegläsern beigetragen.” <