Sir William Crookes war ein Londoner Physiker und Chemiker. Er wurde besonders wegen seiner Untersuchungen an Gasentladungen in Glasröhren ("Crookes'scher Dunkelraum") bekannt. Er hatte den Radiometereffekt beobachtet und entwickelte 1873 ein wissenschaftliches Instrument, welches heute als Lichtmühle oder Crookes'sches Radiometer bezeichnet wird. Seitdem wird es fast unverändert, meist von Glasbläsern, produziert und verblüfft immer wieder.
Wenn Licht der Sonne oder von Glühlampen auf das Flügelrad fällt, beginnt es sich zu drehen. Es scheint, als ob das Rad wie bei einer Wasser- oder Windmühle durch den Druck des Lichtes in Gang kommt. Mit Licht von Leuchtstofflampen funktioniert es Seltsamerweise jedoch schlechter oder gar nicht. dafür können aber sogar warme Hände oder warmes Wasser am Glaskolben die Lichtmühle in Bewegung setzen. Wird der Glaskolben abgekühlt (bspw. durch kaltes Wasser oder Kältespray) dreht sie sich sogar rückwärts.
Erklärung:
Im Glaskolben von Lichtmühlen befindet sich Luft. Einfallende Wärmestrahlung erwärmt die dunkle Seite der Flügel stärker als die helle, da dunkle Flächen Licht absorbieren und helle dieses reflektieren. Dadurch wird die Luftschicht an der dunklen Seite ebenfalls stärker erwärmt als die Schicht auf der Gegenseite. Der Gasdruck auf der warmen, dunklen Seite ist so ein wenig höher als der Druck an der kühlen und helleren Seite. Dadurch beginnt dann auch schon sich das Flügelrad zu drehen.
Je größer der Temperaturunterschied auf den beiden Flügelflächen ist, desto größer ist die Kraft, die es bewegt. Um eine optimale Lichtmühle zu bauen, muss also die eine Seite möglichst gut Wärmestrahlung in Wärme umsetzen, die Gegenseite sollte dies möglichst schlecht können. Die Wärmeleitfähigkeit der Flügel, vor allem zwischen den Flügelflächen, sollte möglichst klein sein. Außerdem sollte das Rad möglichst leicht sein und so reibungsarm als möglich gelagert sein, um eine hohe Beschleunigung und beeindruckende Geschwindigkeit zu erreichen.
Die Flügel der Lichtmühle bestehen daher üblicherweise aus leichten, dünnen Glimmerplättchen, die Wärme sehr schlecht leiten. Die helle, silbrige Seite reflektiert sehr gut Wärmestrahlung, bleibt also kühl, während die schwarze, berußte Seite Licht gut absorbiert und in Wärme umwandelt. Auf der berußten Seite ist der Gasdruck höher als auf der silbrigen, deshalb wird sie weggedrückt.
Diese Bewegung wird durch die Reibung des Flügelrades mit der Nadel, auf der sie hängt, gebremst. Erhöht man den Gasdruck im Glaskolben der Lichtmühle, wird die Reibung höher und überwiegt schließlich. Senkt man dagegen den Gasdruck im Glaskolben, so sinkt auch die Gasreibung, die bei einem perfekten Vakuum verschwunden wäre. Die Lichtmühle dreht sich dann nicht noch schneller, sondern überhaupt nicht, da kein Druckunterschied ohne Gas aufgebaut werden kann. Es herrscht also ein Wettstreit zwischen Reibung und Rückstoß. Es gibt nun einen optimalen Druck, bei dem Rückstoß und Reibung sich in einer perfekten Balance befinden. Er liegt bei 5*10-2 bis 6*10-2 mbar (ca. 55 mTorr).
Oft hört man die Erklärung, dass das Flügelrad durch den Druck des auftreffenden Lichtes in Drehung versetzt wird. So einen Strahlungsdruck gibt es zwar, aber er ist viel zu gering, um das Flügelrad in Bewegung setzen zu können. Wäre dies die Ursache, sollte sich zudem die Lichtmühle anders herum bewegen, weil der Lichtdruck auf der reflektierenden Seite höher ist, als auf der absorbierenden.
Eine weitere falsche Erklärung behauptet, dass durch die Wärme aus der dunklen Flügelseite gelöste Gase ausströmen und durch den entstehenden Rückstoß die drehende Kraft erzeugen. Auch Konvektionsströme mit horizontaler Komponente fallen als falsch aus. Ebenfalls falsch ist die Annahme, dass per Photoeffekt austretende Elektronen den Rückstoß verursachen.
Einige glauben, die Erklärung durch erhöhten Gasdruck in der Lichtmühle auf der warmen Seite wäre falsch. In einer geschlossenen Röhre mit Gas, in der auf einer Seite einer Fläche die Temperatur höher ist als auf der anderen, ist der Druck trotzdem überall gleich. Es gibt zwar ein Temperatur- und Dichte-, aber kein Druckgefälle, denn der Druckausgleich kann ja auch zwischen den Blättchen der Lichtmühle stattfinden, ohne diese zu bewegen. Bzw. das Gas bewegt sich nicht, es fließt nur Wärme. Nur beim Aufheizen gibt es dann einen kurzen Druckausgleich, der aber nicht für eine dauerhafte Bewegung ausreicht.
Die korrekte Lösung des Problems soll im Effekt des thermischen Molekulardruckes bzw. der thermischen Transpiration liegen. Ist eine Gasleitung gegenüber der freien Weglänge der Gasmoleküle klein, wird durch eine Verengung innerhalb der Leitung und Aufrechterhaltung verschiedener Temperaturen T1 und T2 zu beiden Seiten der Verengung im Gleichgewicht eine Druckdifferenz aufrechterhalten.