Eine Nebelkammer ohne Trockeneis funktioniert mit zwei oder drei übereinander gestapelten Peltierelementen, die eine geschwärzte Metallplatte auf etwa minus 30 Grad kühlen. Darüber sammelt sich Isopropanoldampf, der bei dieser Temperatur übersättigt ist und an jedem geladenen Teilchen sofort zu feinen Tröpfchen kondensiert. Dort, wo ein Teilchen durchfliegt, entsteht für Sekundenbruchteile eine weiße Spur wie bei einem Flugzeug am Himmel. Mit einem einzelnen Element und einem Kühlkörper reicht die Temperatur dagegen nicht aus, das ist der häufigste Grund für gescheiterte Versuche.
Der Bau lohnt sich, weil Trockeneis schwer zu bekommen ist, schnell verdampft und sich nur für einen Abend hält. Ein Peltieraufbau läuft dagegen stundenlang, solange die warme Seite gut gekühlt wird. Die Teile kosten insgesamt etwa 40 bis 60 Euro, und gebraucht wird weder Lötkolben noch Spezialwissen. Das Ergebnis ist sehenswert: Auch ohne radioaktive Quelle fliegen in der Kammer ständig Teilchen aus der Höhenstrahlung durch, die als dünne gerade Striche aufleuchten. Mit einer Quelle, etwa einem thoriumhaltigen Glühstrumpf aus dem Campingbedarf, kommen kurze dicke Spuren dazu.
Wie lange der Aufbau bis zur ersten Spur braucht, hängt von der Kühlung der heißen Seite ab. Rund zehn Minuten nach dem Einschalten ist die Platte in der Regel kalt genug, und kurz danach beginnt der Alkohol zu wirken.
Plattentemperatur und Ergebnis im Überblick
Die Tabelle zeigt grob, was sich bei welcher Plattentemperatur beobachten lässt. Die Werte stammen aus gängigen Aufbauten und schwanken mit Raumtemperatur, Luftfeuchte und Alkoholsorte. Maßgeblich ist die Temperatur der Plattenoberfläche, nicht die der Elemente. Ein Thermometer mit Fühler, den ein Streifen Alufolie an die Platte presst, lohnt sich deshalb. Je tiefer die Temperatur, desto dicker wird die empfindliche Schicht über der Platte und desto länger bleiben die Spuren stehen. Hinter dem Grenzwert steckt das Verhältnis der Dampfdrücke bei Raum- und Plattentemperatur. Je größer es wird, desto stärker ist der Dampf übersättigt und desto kleiner darf der Keim sein, an dem er kondensiert. Ein einzelnes Ion in der Luft gilt dann bereits als ausreichend, und genau deshalb zeichnet die Kammer die Bahn eines Teilchens nach.
Bemerkenswert ist der abrupte Übergang. Zwischen minus 10 und minus 20 Grad passiert wenig, die Kammer zeigt höchstens feinen Dunst. Erst unterhalb von etwa minus 25 Grad kippt das Verhalten, weil der Dampf dann so stark übersättigt ist, dass bereits einzelne Ionen als Kondensationskeime genügen. Das erklärt, warum ein Aufbau mit einem Element so häufig scheitert, während derselbe Aufbau mit einem zweiten Element sofort funktioniert.
| Plattentemperatur | Aufbau | Beobachtung | Alkohol |
|---|---|---|---|
| 0 Grad | Eiswasser, kein Peltier | nur Dunst | Isopropanol |
| minus 10 Grad | 1 Element, Lüfter | Nebel, keine Spuren | Isopropanol |
| minus 20 Grad | 2 Elemente, Lüfter | vereinzelt Spuren | Isopropanol 99 % |
| minus 30 Grad | 2 bis 3 Elemente, Wasserkühlung | viele Spuren | Isopropanol 99 % |
| minus 78 Grad | Trockeneis | sehr kräftige Spuren | Isopropanol |
Material und Aufbau der Kammer
Das Herz ist ein Stapel aus zwei Peltierelementen. Unten sitzt ein großes Modell vom Typ TEC1-12706 mit 40 Millimetern Kantenlänge, darauf ein kleineres, etwa TEC1-12703, das die vom unteren Element ausgehende Kälte weiter absenkt. Dazwischen und an den Außenflächen sorgt Wärmeleitpaste für guten Kontakt. Auf das obere Element kommt eine Platte aus Aluminium oder Kupfer, die mit mattschwarzem Lack gestrichen wird. Schwarz wirkt hier wie eine Kinoleinwand, vor der die hellen Nebelspuren kontrastreich erscheinen.
Unter dem Stapel muss ein kräftiger Kühlkörper mit Lüfter sitzen, besser noch ein Wasserblock oder ein Eimer mit Eiswasser. Je kälter die warme Seite, desto kälter wird auch die Platte darüber. Ein Netzteil mit 12 Volt und mindestens 10 Ampere versorgt beide Elemente. Obenauf kommt eine durchsichtige Box ohne Boden, innen am oberen Rand mit einem Filzstreifen ausgekleidet, der den Alkohol aufnimmt. Das Licht liefert eine LED-Taschenlampe von der Seite. Wichtig ist ein abgedunkelter Raum. Die Kosten verteilen sich ungleich: Die Elemente schlagen nur mit wenigen Euro zu Buche, Netzteil und Wasserblock machen den größeren Anteil aus. Für den Einstieg mit einem Element lohnt gleich ein Netzteil, das auch zwei Elemente trägt, damit später nichts doppelt gekauft wird.
- 2 Peltierelemente (TEC1-12706 unten, TEC1-12703 oben)
- Kühlkörper mit Lüfter oder Wasserblock
- Aluminiumplatte, matt schwarz lackiert
- Transparente Box, Filzstreifen, Isopropanol 99 Prozent
- Netzteil 12 V, 10 A, Wärmeleitpaste, LED-Taschenlampe
Schritt für Schritt zur ersten Spur
Die Reihenfolge entscheidet über Erfolg und Dauer. Zuerst wird der Kühlkörper auf die Arbeitsfläche gesetzt, darauf kommen das große Element, das kleine Element und die schwarze Platte, jeweils mit dünn aufgetragener Paste. Zwischen den Bauteilen dürfen keine Luftspalte bleiben, sonst bricht die Kälteübertragung zusammen. Erst wenn alles fest aufeinander sitzt, wird die Box darübergestülpt und die Verbindung zum Netzteil hergestellt. Die kalte Seite eines Peltierelements ist diejenige, auf der die Drähte nicht austreten, bei neuen Bauteilen mit der Beschriftung nach unten. Zeigt die Platte nach kurzem Betrieb Wärme, wurden Plus und Minus vertauscht.
Nach dem Einschalten bildet sich auf der Platte zuerst Raureif, und erst danach beginnt der Aufbau zu arbeiten. Der Filzstreifen am oberen Rand wird großzügig mit Isopropanol getränkt, ohne dass es tropft. Der Alkohol verdunstet, sinkt als schwerer Dampf nach unten und kühlt dabei ab. Unmittelbar über der Platte entsteht eine Schicht von rund einem Zentimeter Dicke, in der Spuren erkennbar werden. Ein bis zwei Minuten Geduld sind nötig, bis sich der Dampf einpendelt, und wenn nichts passiert, hilft es meist, nur den Lüfter oder das Eiswasser zu verbessern.
- Kühlkörper, Elemente und Platte mit Wärmeleitpaste stapeln.
- Box aufsetzen, Filzstreifen mit Isopropanol tränken.
- Netzteil einschalten und Kühlung der warmen Seite prüfen.
- Raum abdunkeln, Taschenlampe flach über der Platte anlegen.
- Nach etwa zehn Minuten auf Spuren in der untersten Zentimeterschicht achten.
Typische Fehlerquellen
An erster Stelle steht eine unzureichend gekühlte warme Seite. Erwärmt sich der Kühlkörper auf 50 Grad, liefert selbst ein Doppelstapel nur minus 10 oder minus 15 Grad an der Platte. Ein Lüfter allein genügt dann nicht, Wasserkühlung bringt 15 bis 20 Grad Gewinn. Der zweite Stolperstein ist feuchte Luft. Im Sommer kondensiert Wasserdampf zuerst und vereist als Raureif auf der Platte, der Alkoholnebel liegt dann auf einer rauen Fläche und wirkt trüb. Abhilfe schafft ein gründlich abgewischter Rand und eine rasche Anlaufzeit mit geschlossener Box. Ein dritter Punkt ist Kondenswasser an den Kanten der Elemente. Es leitet Wärme zurück und kann bei Dauerbetrieb Kurzschlüsse verursachen, weshalb die Spalte zwischen den Elementen mit etwas Silikon abgedichtet werden. Nach dem Ausschalten taut der Aufbau in wenigen Minuten ab, und die Platte muss vor dem nächsten Start abgewischt werden.
Weitere Ursachen sind schlicht handwerklich:
- Box oben nicht dicht, der Alkoholdampf entweicht.
- Filz zu trocken, es entsteht keine Dampfschicht.
- Taschenlampe von oben, das Streulicht überstrahlt die Spuren.
Spuren leuchten nur im Seitenlicht auf, deshalb sollte die Lampe flach über der Platte liegen. Zum Fotografieren gehört die Kamera auf ein Stativ, bei Videoaufnahmen sind 60 Bilder pro Sekunde sinnvoll, weil die Tröpfchenbahn nur etwa eine halbe Sekunde stehen bleibt.
