Warum bloss hat Benjamin Franklin die Rechnung nicht gemacht? Sie wäre ganz einfach gewesen, und ihr Resultat hätte seinem Experiment zu historischer Grösse verholfen. So blieb es ein kurioser Trick, mit dem er zwar regelmässig seine Freunde in Erstaunen versetzte, der es aber nur zur Fussnote in der Wissenschaftsgeschichte brachte.
Auf seiner Reise 1757 von New York nach London fiel Franklin auf, dass bei zwei Schiffen der Flotte das Kielwasser merkwürdig ruhig war. Der Kapitän war darüber nicht erstaunt. «Die Köche haben wohl eben fettiges Wasser durch das Speigatt geleert. Das hat diese Seite des Schiffs etwas eingefettet.» Franklin erinnerte sich nun dumpf daran, dass schon der römische Gelehrte Plinius vom Brauch der Seeleute schrieb, Wellen mit Öl zu glätten, und beschloss, es bei Gelegenheit selber zu versuchen.
Irgendwann im nächsten Jahr ging er bei starkem Wind am Teich von Clapham bei London spazieren und goss Olivenöl ins Wasser. «Das Öl, obwohl nicht mehr als ein Teelöffel voll, bewirkte sofortige Stille», schrieb Franklin später. Es breitete sich sehr schnell aus, erreichte bald die andere Seite und machte einen Viertel des Gewässers, «vielleicht einen halben Acre, so glatt wie einen Spiegel». Von da an hatte Franklin in einem Hohlraum seines Gehstocks immer ein bisschen Öl dabei und wiederholte seinen Versuch in anderen Gewässern.
Liess sich der Effekt auch in der Seefahrt nutzen? Konnte Öl auf dem Wasser das Landen in einer Bucht bei schwerer See erleichtern? Im Oktober 1773 machte Franklin in Portsmouth den Test: Von einem Schiff aus, das vor der Küste kreuzte, gossen Helfer stetig kleine Mengen Öl ins Wasser. Dadurch verschwanden zwar die weissen Schaumkronen auf den Wellen, doch zu Franklins Enttäuschung konnte er keinen Unterschied in der Stärke der Brandung feststellen.
Der französische Gelehrte M. Achard wollte es genau wissen und baute kurze Zeit später in seinem Labor eine vier mal ein Meter grosse Wanne, in der sich über eine Kurbel Wellen erzeugen liessen. Er setzte ein Schiffchen in die Wanne und beobachtete, wie lange es dauerte, bis es bei hohem Wellengang kenterte. Ohne Öl auf der Wasseroberfläche sank es nach 30 Kurbelumdrehungen, mit Öl nach 35. Dieser kleine Unterschied und weitere Versuche mit uneindeutigem Resultat überzeugten Achard jedoch nicht. Er vermutete, dass «die Seeleute in ihren Erzählungen stark übertrieben haben». Achard hatte in seinen Experimenten eine wichtige Komponente vernachlässigt: den Wind.
Ein Ölkanister im Rettungsboot
Die Legende vom Öl gegen hohen Wellengang hielt sich hartnäckig. Ein holländischer Kapitän soll während eines Sturms mit Öl die «Wuth der Wogen» gestillt haben, und ein anderer Seemann will 1735 beobachtet haben, wie zwei mit Olivenöl beladene Schiffe, die auf ihrer Fahrt geringe Mengen davon verloren, auf glatter See durch einen Sturm fuhren. Es gab sogar ein altes Seegesetz, das verordnete: Bei Sturm, wenn die Ladung über Bord geworfen werden muss, ist das Öl als erstes an der Reihe.
1882 liess der Schotte John Shields im Hafen Peterhead Röhren legen, die kontinuierlich Öl ins Wasser abgaben. Ein Test schien zwar erfolgreich, doch waren die Mengen Öl, die bei einem Sturm nötig gewesen wären, wohl etwas gross und die technischen Schwierigkeiten beträchtlich. Nach einem weiteren Versuch in Aberdeen verlief die Sache im Sand.
Einfacher und billiger waren mit ölgetränktem Hanf gestopfte Segeltuchsäcke, die je nach Windrichtung an Bug oder Heck über Bord gehängt wurden. Noch in den 1960er Jahren galt für deutsche Schiffe die Vorschrift, «Wellenberuhigungsöl» mitzuführen. Tierische Öle seien wirksamer als Pflanzenöle und diese besser als mineralische. Das Öl sollte verhindern, dass Wasser in die Rettungsboote schwappt. Weil diese heute oft geschlossen sind und keine Einigkeit über die Wirkung der Massnahme herrschte, wurde die Vorschrift aufgehoben. Aber es soll immer noch Rettungsboote mit einem kleinen Ölkanister an Bord geben.
Dass ein Ölfilm Wellen tatsächlich dämpfen kann, zeigten Experimente unter der Leitung von Heinrich Hühnerfuss von der Universität Hamburg in den 1970er Jahren. Im Bereich eines zweieinhalb Quadratkilometer grossen Ölfilms, der in der Nordsee ausgebracht wurde, sank die Höhe grösserer Wellen um zehn Prozent.
Warum das so ist, konnten Wissenschafter bereits Ende des 19. Jahrhunderts erklären: Das Öl bildet auf der Oberfläche einen zähen, teilweise elastischen Film. Der Wind, der die Wellen erzeugt, verliert Energie, wenn er diesen Film und mit ihm das darunterliegende Wasser bewegt. So wird die Entstehung von kleinen Wellen unterbunden, was über eine Kettenreaktion auch grössere abschwächt.
Bei seinem Versuch fiel Franklin neben der Wellendämpfung auch «… die plötzliche, weitreichende und heftige Ausbreitung» eines Tropfens Öl auf dem Wasser auf. Er beobachtete, dass der Ölfilm so dünn wurde, dass er schliesslich unsichtbar war, und vermutete eine Art Abstossung des Öls dahinter. Obwohl das nicht stimmte, hätte eine einfache Überlegung zu diesem Phänomen ihm die Antwort auf eine der grossen Fragen der Zeit geben können.
Es war damals unbestritten, dass Materie aus Teilchen besteht. Doch niemand wusste, wie gross diese Teilchen waren. Franklin hätte bloss die plausible Annahme treffen müssen, dass die schnelle Ausbreitung des Öls erst dann zum Stillstand kommt, wenn der dünne Film nicht mehr dünner werden kann, wenn er also genau ein Molekül dick ist, und das Rätsel wäre gelöst gewesen.
Mit den Angaben aus Franklins Beschreibung lässt sich einfach errechnen, dass der Ölfilm auf dem Teich von Clapham etwa ein Millionstelmillimeter dünn gewesen sein muss, was in der Grössenordnung tatsächlich der Länge eines Trioleinmoleküls entspricht (Triolein ist der Hauptbestandteil von Olivenöl und etwa zwei Millionstelmillimeter lang). Doch diese Rechnung wurde erst über hundert Jahre später gemacht. Es war die erste zuverlässige Schätzung einer Molekülgrösse.
Bis man herausfand, warum sich Olivenöl in einer bloss ein Molekül dicken Schicht, einem sogenannten Monolayer, aufs Wasser legt, dauerte es noch einmal 30 Jahre. Wie viele andere organische Moleküle stossen auch die langgestreckten Atomketten des Trioleins am einen Ende das Wasser ab – deshalb löst sich Öl nicht in Wasser – und ziehen es am anderen Ende an. Mit diesem Ende versuchen sie, mit dem Wasser in Kontakt zu kommen, was zur Bildung des Monolayers führt.
Wallfahrtsort der Chemiker
In den 1950ern kam eine andere Verwendung für Ölfilme auf: Man brauchte sie, um in heissen, trockenen Gegenden das Wasser in Reservoiren am Verdunsten zu hindern. Diese Massnahmen wurden jedoch wieder aufgegeben: Wenn der Wind zu stark blies, blieb der Oberflächenfilm nicht intakt und verlor seinen Effekt.
Die weitreichendsten Folgen hatte Franklins Versuch völlig unterwartet in der Biologie bei der Frage, woraus die Membranen bestehen, die Zellen umhüllen. 1899 publizierte der Botaniker Charles E. Overton eine Arbeit, in der er vermutete, es müsse zwischen Olivenöl und Zellmembran eine Ähnlichkeit geben. Overton hatte per Zufall festgestellt, dass die Durchlässigkeit der Zellmembran für bestimmte Stoffe auf charakteristische Weise mit ihrer Löslichkeit in Olivenöl zusammenhängt: Kann ein Stoff einfach in eine Zelle eindringen, löst er sich auch gut im Öl auf; hat er hingegen Schwierigkeiten, die Membran zu passieren, löst er sich auch schwer im Öl.
Die Zelle, so schloss Overton, müsse also von Molekülen umhüllt sein, die jenen des Olivenöls gleichen. Wie diese angeordnet sind, fanden Forscher 1925 heraus, indem sie – wie Franklin 170 Jahre vor ihnen – Öl auf Wasser gaben, wenn auch viel kleinere Mengen.
Evert Gorter und sein Student F. Grendel extrahierten von roten Blutkörperchen alle Fett- und Ölmoleküle (Lipide). Sie nahmen an, dass diese vor allem die Membran bildeten. Dann gaben sie die gesammelten Lipide auf Wasser, wo sie einen Monolayer bildeten, dessen Fläche genau doppelt so gross war wie die gesamte Oberfläche der ursprünglichen Blutkörperchen. Die Forscher schlossen daraus korrekt: Die Membran der Blutkörperchen muss genau zwei Moleküle dick sein – zwei Monolayer, die sich mit ihrem wasserfeindlichen Teil gegen innen aneinanderlegten.
Gemessen an seiner Einfachheit, führte das Experiment, Öl auf Wasser zu giessen, in erstaunlich vielen Gebieten zu wichtigen Erkenntnissen.
Clapham Pond ist heute ein Wallfahrtsort für alle Oberflächenchemiker. Manchmal können die Wissenschafter nicht widerstehen, Franklins Experiment dort zu wiederholen. Der Olivenölgehalt des Wassers dürfte weit über dem Durchschnitt liegen.