Nach knapp einjähriger kreativer Arbeit am Konzept der (für’s Erste rein theoretischen) Konstruktion eines Vakuum-Ballons, ist es unserer Gruppe nun gelungen, den dieser Konstruktion zugrunde liegenden und bis dato unerforschten physikalischen Effekt auf dem Gebiet der elementaren Elektrostatik im Experiment nachzuweisen.
Ein Ballon kann zwecks seiner Auftriebskraft nach Archimedes umso leichter aufsteigen, desto geringer seine Dichte im Vergleich mit der Dichte des ihn umgebenden Mediums ist. In Hinblick auf eine zukünftige Anwendung in der Luft- und Raumfahrt ist zu beachten, dass die Dichte der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe stark abnimmt, sodass um weiter zu steigen, nur das Gewicht des Ballon verkleinert werden kann.
Doch welches Gas wiegt am wenigsten? Wäre es nicht am besten, jegliches Gas aus dem Inneren eines solchen Ballons zu entfernen? Könnte man dann nicht auch in Höhen aufsteigen, in denen die Dichte der Atmosphäre und somit der Luftwiderstand hinreichend klein sind, um von dort energetisch effizienter den Sprung in den Erdorbit zu wagen?
Solche und weitere Fragen führten zu der Grundidee, dem Kollaps einer solch evakuierten (oder teilevakuierten) Ballonhülle mithilfe von elektrostatischen Kräften entgegenzuwirken, indem auf der als dünnen Metallfolie gedachten Hülle, gleichartige, sich wechselseitig abstoßende elektrische Ladungen aufgebracht werden, um so dem Atmosphärendruck entgegenzuwirken.
Doch ein geladenes Objekt entlädt sich gerade unter den extremen Bedingungen unserer Erdatmosphäre nur allzu schnell. Dadurch kommt man auf den Gedanken, dass sich beim Einschließen dieser nunmehr inneren, elektrisch aufgeladenen Kugelfläche in eine äußere, genau entgegengesetzt geladene, konzentrische Sphäre die inneren in radialer Richtung wirkenden anziehenden Kräfte zwischen den beiden voneinander durch eine dünne Isolationsschicht getrennten Ladungsflächen, entgegen der Intuition nicht auslöschen. Diese Anordnung entspricht einem Kugelkondensator, analog kann man einen solchen Effekt für den Zylinderkondensator vorhersagen.
Das erste halbe Jahr beschäftigten wir uns eingehend mit der theoretischen Behandlung des effektiven elektrostatischen Drucks an solch gekrümmten kapazitiven Flächen sowie anschließend mit dem Designen eines geeigneten Experiments zum Nachweis jener kleinen, so kontraintuitiven Kräfte.
Anfang Mai dieses Jahres war es dann soweit: Bei einer Exkursion an die Physikalischen Institute der Universität Leipzig (siehe Foto) starteten wir einen ersten experimentellen Nachweisversuch, der unter Hilfe von Herrn Märcker von der Uni Leipzig ein noch eher verhaltenes Indiz dafür geben konnte, dass wir schon nah dran waren: Der von der Metallschicht der zum Zylinder gekrümmten Folie quer durch den Großen Hörsaal der Physik reflektierte Laserstrahl veränderte beim Anlegen einer Hochspannung von 10kV kaum merklich, aber dennoch wahrnehmbar seine Position an der Wand.
Später kam uns noch etwas der Zufall zu Hilfe, denn als die Folie beim Transport unbeabsichtigt knickte, entstand die Idee, dass durch die Verformung der Folie alleinig unter dem Einfluss der Erdanziehung die Symmetrie nicht hinreichend stark gebrochen war, denn für eine vollkommen zylindersymmetrische Anordnung heben sich die vorhergesagten Kräfte für den Nachweis auf.
Mit der verbesserten Anordnung war es uns nunmehr möglich durch die dank des Falzes gebrochene Symmetrie das lokale Auftreten derartiger Kräfte anhand der Position des reflektierten Laserstrahls wie auch mit bloßem Auge reproduzierbar zu beobachten.
Großes Lob an die Schüler für ihre kreative Mitarbeit an den mitunter sehr theoretischen Problemen!