I Frozen II återvänder isdrottningen Elsa med sitt magiska kommando över snö och is. Snöflingor stänker från hennes fingertoppar. Hon kan spränga is för att bekämpa lågor. Kanske kommer hon till och med överträffa sin bedrift i den första filmen att trolla fram ett högt ispalats. Men hur nära närmar sig Elsas isiga beröring verkligheten? Och skulle ett kolossalt isslott ens hålla i sig?
I vår värld kan fysiksvingande vetenskapsmän koka ihop snöflingor. Och Elsa är inte ensam om att bygga med is. Arkitekter kan också göra fantastiska strukturer av is. Vissa kanske till och med inte är av denna värld.
Förklarare: Skapandet av en snöflinga
Det krävs tre ingredienser för att göra snö. “Du behöver kyla. Du behöver fukt och något sätt att få igång processen”, förklarar Kenneth Libbrecht. Han är fysiker vid California Institute of Technology i Pasadena. Disney vände sig till denna snöflingexpert som konsult för Frozen.
Som iskristaller bildas snöflingor bara när det fryser. Men temperaturen spelar in i flingornas form. Utarbetade förgreningsmönster bildas bara runt –15º Celsius (5º Fahrenheit), noterar Libbrecht. “Det är en väldigt speciell temperatur.” Varmare eller svalare och du får andra former — tallrikar, prismor, nålar och mer.
När luftfuktigheten är hög innehåller luften mycket vattenånga: “100 procent luftfuktighet är när allt bara är blött, ” han förklarar. Hög luftfuktighet gör förhållanden mogna för snö. Men för att starta processen behöver snöflingor kärnbildning (Nu-klee-AY-shun). Här betyder det att sammanföra vattenångmolekyler för att bilda droppar, vanligtvis genom att kondensera på en partikel av damm eller något annat. Sedan fryser de och växer. “Det krävs ungefär 100 000 molndroppar för att göra en snöflinga”, säger han.
I labbet kan Libbrecht sporra snöflingor på flera sätt. Han kan till exempel släppa ut tryckluft ur en behållare. “Delar av luften i den expanderande gasen går till riktigt låga temperaturer, som –40 till –60 .” Det är –40 till –76 °F. Vid dessa temps behöver färre molekyler förenas för att starta en snöflinga. Torris, poppar bubbelplast och till och med strömavbrott kan också göra susen.
Elsas fingertoppar kanske sätter igång snöflingans tillväxt. “Det kan vara magin som Elsa gör,” säger Libbrecht. Hon har en annan fördel framför naturen – snabbhet. Libbrechts snöflingor tar cirka 15 minuter till en timme att växa. Snöflingor som tumlar genom molnen tar lika lång tid.
Elsas isslott har också ett tidsproblem. Inom loppet av cirka tre minuter, medan Elsa bältar ut “Let It Go”, sträcker sig hennes palats mot himlen. Det är inte realistiskt att tro att någon skulle kunna ta bort värme från mycket vatten tillräckligt snabbt för att frysa det så här. Faktum är att Libbrecht noterar, “Det är helt klart inte så mycket vatten i luften.”
I naturen kommer du inte att stöta på identiska snöflingor. Men i labbet där iskristaller kan uppleva exakt samma förhållanden när de växer, gjorde fysikern Kenneth Libbrecht dessa snöflingatvillingar.
© Kenneth Libbrecht
Knäcker, kryper, smälter
Men om vi släpper allt det där, hur håller isslottet?
Självklart smälter is när det är varmt . När det smälter åt sidan, kanske palatset fortfarande inte är så solidt – strukturellt i alla fall. Is är skör. Ett ark av den splittras när den träffas av en hammare. Även under tryck kan isen spricka och splittras, konstaterar Mike MacFerrin. Han är glaciolog vid University of Colorado Boulder. Där studerar han is som bildas av packad snö. “Om du försöker bygga en stor byggnad … skulle det vara väldigt svårt att få is till [hold a lot of weight] utan att spricka”, säger han.
Och även under fryspunkten mjuknar isen när den värms. Det kan också deformeras under tryck. Detta är vad som händer med glaciärer. Is på botten kommer så småningom att deformeras under en glaciärs vikt, säger MacFerrin. Detta kallas krypning och är “hela anledningen till att glaciärer flyter.”
chaolik/iStock/Getty Images Plus
Något liknande kan hända ispalatset, speciellt om den är hög och tung. Med mjuk och krypande is vid basen, “kommer hela byggnaden att börja skifta och luta och spricka isär”, säger han. Det slottet kanske bara håller i månader. En liten igloo skulle hålla längre eftersom den inte är under lika hög press.
Elsa borde nog också ha en reservigloo, säger Rachel Obbard. Hon är materialingenjör vid SETI Institute i Mountain View, Kalifornien. Elsas slott ser ut att vara en enkristall. En iskristall är svagare åt vissa håll än i andra. Men i en igloo, “varje block har tusentals små iskristaller i sig, var och en vände på ett annat sätt”, förklarar hon. Så ingen riktning skulle vara svag som den troligen skulle vara i det här slottet. Om man träffar från sidan skulle tunna delar av slottet sannolikt gå sönder, säger hon.
“Elsa kunde stärka sitt slott genom att lägga till ett andra material – ungefär som havregrynen i en havregrynskaka, säger Obbard. Och folk har gjort det ett tag.
Kalla in förstärkningarna
Under andra världskriget, med brist på stål, kläckte britterna en plan för att bygga ett hangarfartyg med ett skrov tillverkat av is. De trodde att det kunde få flygplan inom slående avstånd från deras mål. Forskare upptäckte att de kunde stärka isen genom att förstärka den med trämassa. Denna mashup av is och massa fick namnet “pykrete” – efter Geoffrey Pyke. Han var en av forskarna som utvecklade det.
En prototyp av pykreteskepp tillverkades 1943. Det riktiga isskeppet var tänkt att vara mer än en mil långt. Men planerna för det sjönk av många anledningar. Bland dem var fartygets höga kostnad.
Pykrete inspirerar fortfarande en del arkitekter. En är Arno Pronk från Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna. Hans team bygger strukturer – kupoler i byggnadsstorlek, torn och andra föremål – med isblandningar. Eftersom materialen är billiga och strukturerna tillfälliga kan man göra många experiment, säger han.
“Om du förstärker [ice] med cellulosa, som sågspån eller papper, blir det starkare”, noterar Pronk. Det blir också mer seg, vilket innebär att ett material kommer att böjas eller sträckas innan det går sönder. Duktil är motsatsen till spröd.
Under 2018 gjorde Pronks team den högsta isstrukturen hittills. Detta flamencoistorn i Harbin, Kina var cirka 30 meter (nästan 100 fot) högt!
Teamet gjorde först en stor uppblåsbar struktur fylld med luft. Sedan sprayade de flytande pykrete över det – den här gången en blandning av vatten och pappersfiber. Dess struktur stabiliserades när vattnet frös. Det tog ungefär en månad att bygga. Även om de var höga, var väggarna tunna. Precis vid grunden var väggarna 40 centimeter (15,75 tum) tjocka. De avsmalnande till bara 7 centimeter (2,6 tum) tjocka upptill.
Mars verkar ha en sjö med flytande vatten
Telaget planerar ett annat torn för att toppa sitt rekord. Men andra forskare funderar på att göra utomjordiska isstrukturer. Dessa forskare tar reda på vad som kan krävas för att bygga en ismiljö på Mars för mänskliga upptäcktsresande. Isväggar kan till och med hjälpa till att skydda astronauter, eftersom is kan blockera strålning. Dessutom skulle människor inte behöva ta vatten från jorden. Is finns redan på Mars.
Även om det fortfarande bara är ett koncept, “vårt ishem är inte science fiction”, säger Sheila Thibeault. Hon är fysiker vid NASA Langley Research Center i Hampton, Va. Den nuvarande idén är att kapsla in isen i plast, säger hon. Detta skulle hjälpa till att ge isen lite struktur. Och det skulle hålla materialet inne om temperaturer orsakade smältning eller att isen direkt övergick till vattenånga. (Vissa platser på Mars kan komma över fryspunkten.)
Kanske Elsa kan hjälpa till att frysa is för Mars livsmiljö. Och hon skulle förmodligen vara hemma där. Du vet, eftersom förkylningen inte stör henne ändå.
Leave a Reply