Eine Lichtmühle besteht aus einer evakuierten Glaskugel und besitzt in ihrem Innern ein Flügelrad mit vier Flügeln. Diese haben eine berußte und eine reflektierende Seite und beginnen sich zu drehen, sobald sie vom Licht beschienen werden, und zwar mit der hellen Seite voran. Auch unter Einwirkung von Wärmestrahlung kann sich eine Lichtmühle in Bewegung setzen. Hierzu reicht eine Tasse heißen Kaffees, die man direkt neben das Radiometer stellt. Überhaupt lassen sich mit einer Lichtmühle spannende Experimente machen, indem man zum Beispiel nicht nur eine Kaffeetasse für den Betrieb der Lichtmühle verwendet, sondern verschiedene Lichtquellen wie Leuchtstoffröhren und brennende Kerzen ausprobiert.
Wer hat die Lichtmühle erfunden?
Lichtmühlen sind auch bekannt unter der Bezeichnung Solarradiometer, Lichtrad oder einfach Radiometer und tragen manchmal den Beinamen Crookesche Lichtmühle oder Crookesches Radiometer, da der britische Naturwissenschaftler William Crookes dieses Gerät erfunden hat. Am 7. April 1875 stellte er es erstmals der Royal Society vor, einer Art Akademie der Wissenschaft.
Wie funktioniert eine Lichtmühle?
Das Radiometer sollte beweisen, so die Hoffnung ihres Erfinders, dass Licht bzw. Strahlung Druck ausüben kann. Tatsächlich drehte sich seine zu diesem Zweck 1873 entwickelte Lichtmühle auf wundersame Art und Weise und der von Crookes erdachte „Lichtdruck“ schien eine plausible Erklärung 
für dieses Verhalten zu sein. Crookes machte sogar Versuchsreihen, für die er unterschiedliche Licht- bzw. Strahlungsquellen einsetzte, um herauszufinden, wann die Bewegung der Lichtmühle am stärksten ist (Quelle s. unten).
Sich bewegende Moleküle treiben die Lichtmühle an
Erst später kam man dahinter, dass Crookes Theorie vom Lichtdruck in Hinblick auf die Lichtmühle falsch war. Die Bewegung der Flügel ist darauf zurückzuführen, dass sich die berußten Flächen bei Bestrahlung stärker erwärmen als auf der silbernen. Daher bewegen sich die Moleküle und Atome dort auch viel stärker als auf den hellen Seiten des Flügelrades.
Treffen nun Gasmoleküle auf die schnell schwingenden Teilchen der angerußten Seite, werden sie von diesen angestoßen und fliegen weg. Jede Kraft erzeugt jedoch eine gleich große Gegenkraft, so dass die schwarze Seite des Flügels eine Rückstoßkraft erfährt, und zwar in die entgegengesetzte Richtung der wegfliegenden Gasteilchen. Deshalb beginnt sich das Flügelrad mit den silbernen Flächen voran zu drehen. Man nennt dies auch das Rückstoßprinzip. Es folgt aus dem dritten Newtonschen Axiom (actio = reactio).
Physik-Experimente mit der Lichtmühle
Lichtmühle von Kikkerland Design Inc.
Das Ganze funktioniert entsprechend nur dann, wenn im Glaskörper Unterdruck herrscht, jedoch kein Hochvakuum. Befände sich zu viel Luft in der Lichtmühle, wäre der Luftwiderstand zu groß. Ganz ohne Luft würden die Moleküle für die Stöße fehlen. Normalerweise herrscht ein Druck von ein bis zehn Pascal.
Auch die Umgebungstemperatur spielt eine Rolle. Ist es zu kalt, dann reicht die Energie der Lichtstrahlen nicht aus, um die Flügelräder in Bewegung zu versetzen. Ist es zu warm, kann dies ebenfalls zum Stillstand der Lichtmühle führen. Im Video unten wird gezeigt, was passiert, wenn man eine Lichtmühle abkühlt (bei Minute 1:39). Bei diesem Physik-Experiment kann man sehen, dass sich die Flügel dann plötzlich rückwärts drehen, denn die schwarzen Seiten geben die Wärme viel schneller ab, als die silbernen.
Die Flügel der Lichtmühle bestehen aus Glimmerplättchen. Sie werden verwendet, weil sie sehr leicht sind und dazu Wärme ganz besonders schlecht leiten. Dadurch wird gewährleistet, dass der Wärmeunterschied zwischen der hellen und der dunklen Seite der Flügel maximal ist.
Eine Lichtmühle selbst zu bauen, ist übrigens nicht so einfach möglich, denn dafür müsste man die Lichtmühle evakuieren und dann luftdicht verschließen können.
Verschiedene Lichtmühlen-Designs
An dem eben Gesagten kann man erkennen, dass Glasbläser, die Lichtmühlen bauen, nicht nur eine hohe Fertigkeit im Glasblasen mitbringen müssen, sondern auch ein entsprechendes Wissen um die beteiligten Materialien und die physikalischen Wirkprinzipien. Lichtmühlen gibt es heute in ganz unterschiedlichen Designs. So wird die Lichtmühle ganz klassisch auf einem Ständer aus Glas hergestellt, zum Hängen, in unterschiedlichen Farben oder einem Sockel aus Kunststoff. Sehr populär sind heutzutage auch Lichtmühlen mit einem Holzsockel.
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Quelle:
Die Geschichte des Radiometers kann man in dem Buch „Crookes’s radiometer: an instrument which revolves continuously under the influence of radiation“ aus dem Jahr 1876 nachlesen.
Das Buch steht hier zur Verfügung zum Download als PDF.
