Abfluss auf Nord- und Südhalbkugel: Physik oder Fake?

Marion, eine Leserin, auf deren Blog ich schon mehr als einmal als Gastautorin gewirkt habe, schickte mir neulich einen Link zu einem Video, das gerade auf Facebook die Runde machte. Darin zu sehen sind Einwohner Kenias bzw. Tansanias, die filmenden Touristen ein Experiment vorführen. Das Spannende daran: Diese beiden Länder liegen auf dem Äquator!

Die Anrainer dieser Kreislinie, welche den Globus genau in Nord- und Südhalbkugel teilt, möchten den Touristen mit ihrem Experiment weismachen, dass Wasser, welches durch ein enges Loch abläuft, je nach Position auf der Erdkugel in eine bestimmte Richtung wirbelt: Links herum auf der Nordhalbkugel, Rechts herum auf der Südhalbkugel und genau auf dem Äquator ganz ohne Wirbel, d.h. gerade nach unten durch das Loch. Und das soll mit Hilfe eines Trichters und eines Eimers Wasser auf einem vielleicht 30 Meter langen Stück Strasse nachprüfbar sein.

“Das ist doch alles fake, oder?”, fragte mich die Leserin. Und mein Instinkt sagte gleich, dass ihrem Bauchgefühl zu trauen sei. Dennoch habe ich nachgelesen und schnell bestätigt bekommen – unter anderem in der Lehrmaterialsammlung der Uni Karlsruhe – dass Marion ganz richtig liegt: Alles fake!

Aber wie kommt es dazu, dass derlei Gerüchte um die Drehrichtung von abfliessendem Wasser sich so hartnäckig um die ganze Welt verbreiten (auch in südamerikanischen Ländern auf dem Äquator sollen entsprechende Experimente gezeigt werden)? Warum sollte das Wasser auf der Nordhalbkugel links- und auf der Südhalbkugel rechtsherum in den Abfluss wirbeln?

 

Was die Drehrichtung des Wassers bestimmen soll: Die Corioliskraft

Urheber der vorbestimmten Drehrichtung sei – so heisst es in den meisten Gerüchten – die Drehbewegung der Erde um sich selbst. Die führt nämlich wirklich dazu, dass eine geheimnisvolle Kraft – die Physiker nennen sie Corioliskraft – von der Erdkugel ausgehende Bewegungen in eine bestimmte Richtung ablenkt!

Welche Bewegungen werden abgelenkt?

Die Corioliskraft wirkt auf solche Bewegungen, die von einem Pol zum anderen, also entlang der Längengrade (jener Linien, die auf der Weltkarte oder dem Globus Nord- und Südpol miteinander verbinden) oder von der Drehachse der Erde fort bzw. zu ihr hin (aus Sicht eines Menschen auf der Erdoberfläche “nach oben” oder “nach unten” verlaufen.

Wie kommt es zu der Ablenkung?

Die Erdumdrehung als Ursache

Die Erde ist (mehr oder weniger) eine Kugel, die sich stetig um ihre Mittelachse dreht – also um die gerade Linie, die Nord- und Südpol durch die Kugel hindurch miteinander verbindet. Da diese Erdkugel im Grossen und Ganzen ein fester Körper ist, müssen sich alles Material, aus dem sie besteht und alles, was sonst noch darauf haftet (Meere, Pflanzen, Tiere, Menschen und sogar die Lufthülle, die den Planeten umgibt!) stets im gleicher Lage zueinander mitdrehen, damit alles seinen Platz behält. Schliesslich ist es noch nie vorgekommen, dass jemand seine Fortbewegung durch die Erddrehung verschlafen hätte und ein paar Tausend Kilometer weiter westlich wieder aufgewacht wäre.

Alle Orte auf der Erde drehen sich gemeinsam

Dieser feste Zusammenhalt aller Teile der Erdkugel führt auch dazu, dass die Entfernung zwischen Tunis, der Hauptstadt Tunesiens in Nordafrika, und der Norwegischen Hauptstadt Oslo zu jeder Tages- und Nachtzeit gleich ist. Wenn ihr nun Tunis und Oslo auf einem Globus-Modell ausfindig macht (beide Städte liegen nahezu auf demselben Längengrad!) und kleines Bisschen von Physik versteht, mag euch eine Ungereimtheit ins Auge fallen:

Nicht alle Punkte auf der Erdoberfläche drehen sich gleich schnell

Tunis liegt deutlich weiter aussen auf der Wölbung des Globus’ als Oslo, d.h. der Abstand von Tunis zur Mittelachse ist deutlich grösser als der Abstand von Oslo zur Mittelachse. Das bedeutet, dass der Kreis, welchen Tunis innerhalb eines Tages entlang bewegt wird, erheblich länger ist – d.h. einen grösseren Umfang hat – als der Kreis, welchen Oslo entlang bewegt wird!

Vom Abstand zum Kreisumfang

Die Länge einer Kreislinie, d.h. den Umfang U eines Kreises kann man berechnen, indem man seinen Radius r – den Abstand zwischen Kreislinie und Kreismittelpunkt – mit 2 und der Zahl Pi multipliziert.

Damit entspricht der (kürzeste) Abstand von Tunis bzw. Oslo zur Drehachse der Erde dem Radius, aus dem sich die Länge des Umlaufs der jeweiligen Stadt während eines Tages ergibt.

Damit die Entfernung zwischen beiden Städten stets gleich bleibt, müssen sowohl Tunis als auch Oslo sich an einem Tag (d.h. in 24 Stunden) genau einmal um die Erdachse wandern. Wegen des grösseren Abstands zur Drehachse muss Tunis dazu einen längeren Weg zurücklegen als Oslo. Das bedeutet: Tunis muss sich schneller bewegen als Oslo, um seine längere Umlaufstrecke am gleichen Tag zu schaffen!

Geschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit v einer gleichförmigen, d.h. stetig in die gleiche Richtung verlaufenden Bewegung kann man ausrechnen, indem man einen zurückgelegten Streckenabschnitt durch die dafür benötigte Zeitspanne teilt:

Eine vergleichbare Beziehung gilt auch für eine gleichförmige Kreisbewegung, in welcher der zurückgelegte Winkel Phi (φ) den Streckenabschnitt ersetzt. Die so berechnete Grösse nennen die Physiker Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit und schreiben dafür statt v ein kleines Omega (ω):

Wenn die benötigte Zeit für zwei Bewegungen gleich ist, aber ein Streckenabschnitt bzw. Winkel grösser als der andere, ergibt sich mit dem somit grösseren Zähler im Bruch auf der rechten Seite der Gleichung aus dem grösseren Streckenabschnitt bzw. Winkel eine grössere Geschwindigkeit.

Gut sichtbar wird das, wenn ihr euch die Erdkugel einmal von “oben” anseht:

Ablenkung eines Balls auf dem Weg von Oslo nach Tunis

Die Erde von einem Punkt über dem Nordpol aus gesehen: Die Nordhalbkugel erscheint als flache Scheibe mit dem Nordpol als Mittelpunkt. Ein Fussball fliegt von Oslo in der Nähe des Mittelpunkts nach Tunis, welches weiter vom Mittelpunkt entfernt liegt. Aus der Summe der Geschwindigkeiten von Oslo (kurzer blauer Pfeil) und der Südwärtsbewegung des Balles (durchgezogener roter bzw. langer blauer Pfeil) ergibt sich Punkt (2) als Zielpunkt für den Ball. Tunis, das sich schneller als Oslo bewegen muss, um seinen längeren Kreisabschnitt in gleicher Zeit zu schaffen, befindet sich dann aber schon an Punkt (3)! Der Weg des Balls kann auch durch die gekrümmte gepunktete Linie beschrieben werden: Eine Kraft – die Corioliskraft, die nach “rechts” wirkt, lenkt den Ball von der geraden Flugbahn ab.

Die Grafik zeigt die Erde aus der Sicht eines Astronauten, der über dem Nordpol (in der Grafik der Mittelpunkt der Kreise) schwebt. Die gestrichelte Kreisline markiert den Weg, auf dem sich Oslo mit der Erde dreht. Die mittlere, durchgezogene Kreislinie zeigt den Weg, den Tunis nimmt (da Tunis auf der Kugelwölbung weiter aussen liegt, ist dieser Kreis grösser). Der ganz äussere Kreis ist der Äquator – die Südhalbkugel ist aus dieser Richtung nicht zu sehen.

Ein Fussballspiel von Oslo nach Tunis

Stellt euch nun vor, ein besonders kräftiger Spieler würde einen Fussball vom Anstosspunkt im Osloer Stadion über die Stadionmauer in Richtung Tunis (also genau nach Süden) treten. Wenn der Fussballspieler nun als Kind in den Zaubertrank gefallen ist und der Ball seine Reise über Europa hinweg antritt…wo würde er dann – die Lufthülle der Erde mal ausser Acht gelassen – landen? Im Tor im Stadion von Tunis?

Die Krux mit der Impulserhaltung

Eines der grundlegenden Gesetze der Physik – das Gesetz der Impulserhaltung – schreibt vor, dass jede Bewegung eines jeden Gegenstands in jede Richtung erhalten bleibt, so lange keine Kraft in die der Bewegung entgegengesetzte Richtung wirkt und ihn ausbremst.

Da der Fussball vor dem Anstoss auf der Erde gelegen hat, hat er sich zunächst mit der Geschwindikgeit von Oslo um die Erdachse gedreht. Diese Drehrichtung und -geschwindigkeit bleibt dem Ball auch, nachdem der Fussballer ihn in Richtung Süden getreten hat. Die Bewegung in Richtung Süden wird einfach zur Bewegung in Richtung der Oslo-Kreisbahn hinzugezählt.

Wie man Bewegungen addiert

Die geraden Pfeile in der Grafik zeigen die Richtungen der Teilbewegungen an – die Länge der Pfeile steht für die Geschwindigkeit bzw. den Impuls in der jeweiligen Richtung. Verschiebt man nun das hintere Ende eines Pfeils an die Spitze des ersten, zeigt der neue Pfeil vom hinteren Ende des einen zur Spitze des anderen Pfeils die Richtung der Gesamtbewegung (und dessen Länge die Gesamtgeschwindigkeit). Dieses Verfahren nennen die Mathematiker Vektoraddition (denn die Pfeile heissen bei ihnen Vektoren).

Die Grafik zeigt: Obwohl nach Süden getreten bewegt sich der Fussball diagonal über Europa nach Südosten – wobei die Geschwindikeit in Ost-Richtung der von Oslo entspricht. Damit landet der Ball am Punkt 2 irgendwo an der tunesischen oder algerischen Mittelmeerküste und nicht in Tunis (das befindet sich inzwischen weiter östlich an Punkt 3). Denn weil Tunis sich schneller bewegt als Oslo, ist es während der Flugzeit des Fussballs weiter nach Osten gewandert als der von der Impulserhaltung als “südlich von Oslo” vorgegebene Punkt 2! Der Schuss geht also gründlich daneben.

Durch Drehbewegung auf die krumme Bahn

Wenn der Astronaut, der über dem Nordpol unbewegt schwebt, dieses unglaubliche Fussballspiel beobachtet und filmt, um anschliessend die Position des Balles in regelmässigen Zeitabschnitten einzublenden, erhält er eine Linie, die dem nach links gekrümmten gestrichelten Pfeil in der Grafik entspricht. Solch eine gekrümmte Flugbahn lässt sich mathematisch beschreiben, indem man annimmt, dass eine Kraft den Fussball in Ablenkungsrichtung beschleunigt – die sogenannte Corioliskraft.

Kraft und Beschleunigung: Zwei physikalische Grössen mit Richtung

Das Grundgesetz der Mechanik beschreibt die einfache Beziehung zwischen Kraft (F) und Beschleunigung (a):

Je grösser die Kraft ist, die auf einen Gegenstand mit der Masse m wirkt, desto grösser ist dessen Beschleunigung – d.h. desto schneller wird der Gegenstand schneller. Die physikalische Grösse für die Beschleunigung ist – wie auch jene für die Geschwindigkeit – stets mit einer Richtung versehen, die gemäss der Gleichung auch für die Kraft gilt.

Da die Corioliskraft mathematisch nur “in Erscheinung tritt”, wenn man das Fussballspiel wie der Astronaut von aussen beobachtet (die Zuschauer im Stadion in Oslo, die vor dem Abstoss mit Stadt und Ball um die Erdachse kreisen, kommen mit Hilfe der Vektoraddition weiter oben auf das Ziel des Balles), wird sie von den Physikern eine Scheinkraft genannt.

Die Corioliskraft ist aber durchaus real

Trotzdem könnt ihr selbst die Corioliskraft spüren, wenn ihr zum Beispiel versucht, auf einer sich drehenden Karussell-Scheibe auf dem Spielplatz geradewegs zu ihrem Mittelpunkt zu laufen. Das ist nämlich gar nicht so einfach – ihr müsst schon ordentlich gegenhalten, damit euch die Corioliskraft nicht von eurem direkten Weg ablenkt!

Ähnlich verhält es sich auch mit unserem unwahrscheinlichen Fussballspiel: Wenn die tunesische Küstenwache den Fussball aus dem Mittelmeer fischen und ins Stadion von Tunis bringt, sodass ein wiederum sehr starker Spieler den Ball in Richtung Oslo abstossen kann, würde auch er das Tor der Norweger nicht treffen. Denn da der Ball nun die höhere Drehgeschwindigkeit von Tunis mitnimmt, wird das langsamere Oslo den durch die Addition der Teilbewegungen ermittelten Zielpunkt beim Eintreffen des Balls noch nicht erreicht haben: Stattdessen fällt der Ball weiter östlich vielleicht auf die Grenze zwischen Norwegen und Schweden.

Die Regeln für die Ablenkung durch die Corioliskraft

Ganz gleich, in welche Richtung der Ball auf der Nordhalbkugel gespielt wird: In Flugrichtung gesehen lenkt die Corioliskraft den Ball stets “nach rechts” (d.h. in Nord-Süd-Richtung nach Westen und in Süd-Nord-Richtung nach Osten).

Würde man ein ebenso unwahrscheinliches Fussballspiel auf der Südhalbkugel austragen, müsstet ihr die Zeichnung oben in einem Spiegel betrachten: An die Stelle des Nordpols tritt der Südpol (der ist auch auf jeder europäischen Landkarte unten, sodass ihr euren Atlas nun richtig herum halten könnt) und Osten ist nun rechts, sodass die Erde sich nun rechts herum dreht. Demnach “wirkt” auch die Corioliskraft nun in spiegelverkehrter Richtung:

Ganz gleich, in welche Richtung der Ball auf der Südhalbkugel gespielt wird: In Flugrichtung gesehen lenkt die Corioliskraft den Ball stets “nach links” (d.h. in Nord-Süd-Richtung nach Osten und in Süd-Nord-Richtung nach Westen).
Warum das unwahrscheinliche Fussballspiel?

Vielleicht habt ihr euch schon gefragt, weshalb ich so eine hahnebüchene Begebenheit wie ein Fussballspiel von Oslo nach Tunis ersinne, um die Ablenkung durch die Corioliskraft zu beschreiben. Würden realistischere Umstände nicht den gleichen Zweck erfüllen?

Mit dieser klugen Frage kommen wir zu den Wasserwirbeln in Kenia und Tansania zurück. Der gekrümmte Pfeil in der Grafik deutet es schon an: Da die Ablenkung durch die Corioliskraft auf unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Start- und Zielort einer Bewegung beruht, fällt eben diese Ablenkung um so grösser aus, je grösser der betreffende Geschwindigkeitsunterschied ist. Und der Geschwindigkeitsunterschied ist um so grösser, je weiter die Abstände von Start und Ziel von der Drehachse sich unterscheiden – d.h. je weiter Start und Ziel in Nord-Süd-Richtung voneinander entfernt liegen!

Warum die Corioliskraft für das Abfluss-Experiment keine Bedeutung hat

Beim Abfliessen aus einem vielleicht 40cm durchmessenden Trichter kommen die strömenden Wasserteilchen auf eine Bewegung von höchstens 20 Zentimeter in Nord-Süd-Richtung und wieder zurück. Dementsprechend winzig ist der Einfluss der Corioliskraft auf die Bewegungsrichtung der Teilchen – und dementsprechend einfach lässt sich die Bewegung durch andere Kräfte sehr gezielt beeinflussen.

Solche Kräfte lassen sich zum Beispiel durch eine angepasste Trichterform ausüben, welche die daran vorbei strömenden Wasserteilchen ganz unscheinbar in die gewünschte Richtung lenkt. Die Bemalung mit den auffälligen Spiralmustern lenkt recht erfolgreich von diesen kleinen Unterschieden ab.

Wenn ihr genau hinschaut, könnt ihr im Video erkennen, dass der Trichter, der “auf dem Äquator” zum Einsatz kommt (welcher übrigens den Wirbel mittig halbiert, sodass die entgegengesetzte Wirkung der Coriolis-Ablenkung in der Nord- und Südhälfte sich aufheben soll), eine andere Form zu haben scheint als die Trichter für den Norden und den Süden.

 

Wo ihr die Auswirkung der Corioliskraft wirklich beobachten könnt

Wenn bei der Wettervorhersage im Fernsehen eine bewegte Wetterkarte zum Einsatz kommt, sind darauf meist riesige Wolkenwirbel zu sehen, die sich in die eine oder andere Richtung drehen. Es handelt sich dabei um Gebiete mit besonders hohem oder besonders tiefem Luftdruck. Ein hoher Luftdruck führt dazu, dass Luft in alle Richtungen von dem Gebiet wegströmt, während tiefer Luftdruck dazu führt, dass aus allen Richtungen zum betreffenden Gebiet hinströmt.

Diese Luftströmungen sind Hunderte bis Tausende Kilometer lang – und da die Lufthülle des Planeten sich im Grossen und Ganzen mit der Erde mitdreht, wirkt auf die strömenden Teilchen eine Corioliskraft. Die führt dazu, dass die Luftströme nicht geradlinig auf ein “Tief” zu oder von einem “Hoch” weg strömen, sondern in krummen, einen abflussähnlichen Wirbel bildenden Bahnen.

Der Coriolis-Ablenkung wegen drehen sich die Wirbel um Hochdruckgebiete auf der Nordhalbkugel stets “nach rechts”, also im Uhrzeigersinn, während die Wirbel um Tiefdruckgebiete – hier strömt die Luft in umgekehrter Weise – sich stets “nach links”, also gegen den Uhrzeigersinn drehen. Auf der Südhalbkugel, wo die Corioliskraft in seitenverkehrter Weise wirkt, ist das genau umgekehrt.

Um dagegen die Wirkung der Corioliskraft auf Wasserwirbel sichtbar zu machen, müssen diese mindestens ein paar Meter durchmessen und in aufwändig vor äusseren Einflüssen geschützter Umgebung im Labor kreisen können – auf der Strasse in Kenia funktioniert das jedenfalls nicht!

Seid ihr dem Mythos um die Drehrichtung von abfliessendem Wasser auch schon begegnet?

Und wenn ihr anlässlich der kommenden Weltmeisterschaft nur noch Fussball im Kopf habt, habe ich auch eine passende Anekdote aus der Chemie: Die Natur hat nämlich ein originalgetreues Fussball-Molekül erfunden!

Grasblüte und fliegende Pollen

Wir alle spüren es: Der Frühling zeigt sich in seiner ganzen Pracht. Alles grünt und blüht und duftet…und das könnte so schön sein. Aber die Natur höchstpersönlich verleidet mir dieses Jahr die Freude an ihrer selbst, sobald ich mich länger draussen aufhalte. Denn dann jucken und brennen mir die Augen, die Lider sind geschwollen und mitunter läuft mir gar die Nase. Heuschnupfen lässt grüssen – oder mit anderen Worten: Ich habe eine Allergie.

Und damit bin ich nicht allein: 2008 bis 2011 litten rund 15% der Menschen in Deutschland – und vermutlich auch in den Nachbarländern – an Allergien. Heuschnupfen, Asthma, Nesselsucht gehören zu den bekanntesten Erscheinungsformen, und geradezu berüchtigt ist der lebensbedrohliche anaphylaktische Schock.

Aber was ist eigentlich eine Allergie? Was passiert dabei in unserem Körper? Und welche teilweise ähnlichen Symptome gehen nicht auf eine Allergie zurück?

Was ist eine Allergie?

Eine allergische Reaktion ist ein Fehlalarm durch unser adaptives, d.h. lernfähiges Immunsystem. Im Artikel über die Wirkweise von Impfungen habe ich die verschiedenen Verteidigungslinien des menschlichen Immunsystems genauer dargestellt: Die mechanischen Barrieren gegen unliebsame Eindringlinge werden vom angeborenen Immunsystem bemannt, das ohne genaues Hinsehen bei allem irgendwie Fremdartigem Alarm auslöst. Dieser Alarm bahnt nicht zuletzt dem adaptiven Immunsystem den Weg. Dessen Bestandteile können Eindringlinge genau identifizieren und sich über Jahre an sie erinnern, sodass eine zielgerichtete, effektive Bekämpfung möglich ist.

Normalerweise sind solch unliebsame Eindringlinge Bakterien, Viren, Parasiten und andere Auslöser von Krankheiten sowie ihre Proteine oder teils giftigen Absonderungen. Doch manchmal haben solche Stoffe “von draussen” gar nichts mit Krankheitserregern zu tun. Das weiss das Immunsystem aber nicht unbedingt zu unterscheiden. Und wenn solch ein Stoff fälschlich als “gefährlich” erinnert wird, kann sein Auftauchen das Immunsystem in helle Panik versetzen – und uns eine allergische Reaktion bescheren. Die Fähigkeit zu einer allergischen Reaktion, das heisst der Umstand, dass ein oder mehrere Stoff/e “immun-behördlich bekannt” sind, wird somit kurz als “Allergie” bezeichnet.

Nicht zu den Allergien zu rechnen sind dahingegen fehlgeleitete Reaktionen auf Bestandteile des eigenen Körpers. Solche Fehler werden stattdessen “Autoimmunerkrankungen” genannt.

Welche Arten von Allergien gibt es?

Nicht alle Allergien äussern sich auf die gleiche Weise – vielmehr gibt es zahlreiche unterschiedliche Symptome und Verlaufsformen. Den Anfang macht jedoch immer ein Kontakt des Körpers – genauer des Immunsystems – mit einem (fälschlich) als gefährlich eingestuften Stoff. Ein solcher Stoff, der eine allergische Reaktion auslöst, wird seiner Rolle gemäss “Allergen” genannt.

Typ I – der Soforttyp

Die wohl berüchtigtste und aus den Medien bekannteste Allergiesorte ist der Soforttyp oder Typ I. Wie der Name vermuten lässt, zeichnet sich dieser Typ dadurch aus, dass eine Begegnung mit dem jeweiligen Allergen binnen Sekunden oder allenfalls Minuten zur allergischen Reaktion führt – die im Extremfall den ganzen Körper erfassen und so den lebensbedrohlichen Zustand erzeugen kann, den man “anaphylaktischen Schock” nennt. Letzterer ist grundsätzlich ein Fall für den Notarzt und ein beliebtes dramaturgisches Mittel in Film und Fernsehen. Aber wie kommt es dazu?

Sensibilisierung: Aller Allergien Anfang

Das adaptive Immunsystem ist schnell dabei, körperfremde Stoffe als Bedrohung, d.h. als Antigene einzustufen. Wird ein bislang unbekannter Stoff beim ersten Kontakt als Angreifer gedeutet, aktiviert eine Signalfolge von den Zellen, die das Antigen als solches benennen, schliesslich Plasmazellen. Das sind weisse Blutzellen vom Typ B, die daraufhin passende Antikörper – das sind Proteine, sogenannte Immunglobuline E (kurz IgE) – gegen das Antigen produzieren.

Normalerweise achten andere weisse Blutzellen – regulatorische T-Zellen – darauf, dass nicht gegen jedes harmlose Molekül gleich Antikörper in die Welt gesetzt werden, sondern nur gegen solche, die wirklich gefährlich sind. Bei manchen Menschen sind diese T-Zellen jedoch ziemlich faul oder einfach unterbesetzt, sodass sie ihre Aufgabe nicht wahrnehmen. Dann kann es passieren, dass IgE-Antikörper erzeugt werden, die eigentlich keiner braucht (weil “ihre” Antigene – oder besser Allergene – an sich für den Körper nicht gefährlich sind).

Die IgE-Antikörper werden durch den Körper geschwemmt und kommen so unweigerlich an Mastzellen oder basophilen Zellen vorbei – weiteren Einsatzkräften des Immunsystems, die überall, aber vor allem in Schleimhäuten, zur Verteidigung gegen Eindringlinge bereitstehen. Die IgE heften sich an die Oberfläche solcher Zellen und dienen ihnen fortan als “Augen und Ohren” (bis hierhin werden die Vorgänge als “Sensibilisierung” bezeichnet und gehen unbemerkt vonstatten).

Beim Zweitkontakt: Allergische Reaktion

Sobald das ursprüngliche Antigen erneut auftaucht und an “seine” IgE-Antikörper bindet, versetzen diese ihre Mastzellen und Basophilen sogleich in Aktion: Die Zellen schütten Stoffe wie Histamin aus, die ihre Umgebung im Handumdrehen zum Schlachtfeld machen. Histamin und andere Entzündungsmediatoren sollen nämlich ein passendes Umfeld für die Abwehr von Eindringlingen schaffen: Gute Durchblutung für das schnelle Nachrücken von Abwehrzellen, unangenehme Umweltbedingungen für den Gegner selbst. Dumm nur, dass es keinen Gegner gibt. Denn was für Eindringlinge ungemütlich ist, ist auch für körpereigenes Gewebe alles andere als bequem.

So sind die Folgen der Ausschüttung von Histamin und Co Entzündungssymptome wie juckende und brennende sowie gerötete und geschwollene Haut oder Schleimhäute und vermehrte Flüssigkeitsabsonderung – kurzum: Entzündete, tränende Augen, eine laufende oder verstopfte Nase, Hautausschlag (“Nesselsucht”), verschwollene Bronchien (“Asthma”) und im schlimmsten Fall ein körperweiter Aufruhr – der anaphylaktische Schock.

Und da die Schleimhäute mit den IgE-bewehrten Mastzellen an allen Ein- und Ausgängen des Körpers zu finden sind, folgt die allergische Reaktion ohne Umwege, d.h. sehr schnell auf die Begegnung mit dem Antigen.

Allergie : Mechanismus allergische Reaktion vom Typ I

So entsteht eine Allergie Typ I (links): T-Helferzellen erkennen ein Allergen als “gefährlich” und animieren B-Zellen zur Antikörperproduktion. Regulatorische T-Zellen, welche diesen Vorgang im Zaum halten sollten, fehlen hier. So heften sich die IgE-Antikörper an Mastzellen, die bei folgenden Kontakten mit dem Allergen (rechts) Histamin ausschütten. (by Christopher Streibert [CC BY-SA 3.0 de], via Wikimedia Commons)

Allergien vom  Typ II

Bei diesem Allergie-Typ kommen andere Sorten Antikörper zum Einsatz – nämlich Immunglobuline M (IgM) oder G (IgG). Anders als die IgE schwimmen diese Antikörper frei in der Blutbahn oder den Körperflüssigkeiten mit – teilweise als lebenslange Grundausstattung des menschlichen Körpers. Die frei schwimmenden Antikörper sind dazu geschaffen, fremde Zellen am Aufbau ihrer Oberfläche als feindlich zu erkennen. Wenn das geschieht, rufen die IgM bzw. IgG T-Killerzellen auf den Plan, welche über die feindlichen Zellen herfallen und sie zerstören. Bis die Antikörper ihr Antigen gefunden und die T-Killerzellen angelockt haben, vergeht etwas mehr Zeit als bei der schnellen Typ I – Allergie, sodass 6 bis 12 Stunden vergehen können, bis die allergische Reaktion schliesslich spürbar wird.

Blutgruppen-Unverträglichkeit – eine Typ II – Allergie

Zu den “Typ II”- Antikörpern gehören auch die Blutgruppen-Antikörper “Anti-A” und “Anti-B” gegen die Oberflächenmerkmale “A” und “B” menschlicher roter Blutzellen. Die roten Blutzellen eines Menschen mit der Blutgruppe A tragen das Oberflächenmerkmal “A”, während in dessen Blutbahn Antikörper gegen das “fremde” Merkmal B mitschwimmen. Bei Blutgruppe B verhält es sich umgekehrt.

Ich selbst habe die Blutgruppe 0, was bedeutet, dass meine roten Blutzellen keines der beiden Merkmale tragen, während in meiner Blutbahn beide Sorten Antikörper schwimmen. Sollte ich also jemals eine Blutkonserve mit roten Zellen brauchen, verwendet bitte eine mit der Blutgruppe 0. Anderenfalls würden die Antikörper in meinem Blut meine T-Killerzellen auf die Neuankömmlinge hetzen und ich somit eine gefährliche allergische Reaktion vom Typ II erleiden. Um so wertvoller sind meine eigenen roten Zellen für andere: Die sind nämlich für jegliche Blutgruppen-Antikörper unsichtbar und lösen so keine “Blutgruppen-Unverträglichkeitsreaktion” aus (so lange die Blutflüssigkeit – das “Plasma” – mit meinen Antikörpern vorher abgetrennt wurde).

 

Allergien vom Typ III

Wie die Allergien des Typs II beruht auch dieser Allergietyp auf dem Vorhandensein überflüssiger IgG- oder IgM-Antikörper. Diese schwimmen jedoch nicht frei, sondern heften sich an Zellen. Wenn solche Antikörper ihrem Antigen begegnen, binden sie auch daran, sodass sie ihre Trägerzellen regelrecht mit den Antigenen verkleben. Die so entstehenden Zellmüll-Klumpen werden von Fresszellen (Granulozyten) des angeborenen Immunsystems entsorgt.

Da Granulozyten jedoch an sich haben, dass sie an ihrer Mahlzeit zu Grunde gehen, werden bei diesem Vorgang unweigerlich ihre Verdauungsenzyme freigesetzt. Die versuchen sich wiederum daran, das umliegende Gewebe gleich mit zu verdauen. Die Folge: Protest seitens des Gewebes – mit anderen Worten: Eine Entzündungsreaktion. Bis es dazu kommt, können vom Kontakt mit dem Antigen – besser Allergen – an 6 bis 12 Stunden vergehen.

Zu den Typ III – Allergien zählen zum Beispiel Berufskrankheiten, die im Volksmund als “Staublunge” und von Medizinern als “exogen-allergische Alveolitis” bezeichnet werden. Die auslösenden Allergene werden dabei von den Betroffenen im Arbeitsalltag eingeatmet und führen zu entzündlichen Veränderungen der Lungenbläschen (Alveolen).

 

Typ IV – der Spättyp – bzw. Kontaktallergien

Die zweithäufigste Sorte Allergie nach dem Soforttyp ist der sogenannte Spättyp, der im Volksmund auch als Kontaktallergie bekannt ist. Bei dieser Form sind es die T-Zellen selbst, die ein eigentlich harmloses Antigen erkennen und unnötige Arbeit aufnehmen. So scheiden die T-Zellen Signalstoffe auf, die auf Makrophagen – grosse Fresszellen – wie eine Fährte wirken. Der Spur folgend wandern die Makrophagen durch das Gewebe an den Fundort des Allergens und lösen dort eine Entzündung aus.

Dieser Bindung der allergischen Reaktion an den Kontaktort wegen kann eine Allergie des Typs IV nicht zu einem anaphylaktischen Schock führen.

Die allergische Reaktion äussert sich häufig als Hautausschlag (allergisches Kontaktekzem) an eben der Stelle, die mit dem Allergen in Berührung – Kontakt – gekommen ist. Vom Kontakt bis zum Auftreten des Ausschlags können allerdings 12 Stunden bis 3 Tage vergehen, sodass zuweilen genaue Beobachtung nötig ist, um den Zusammenhang zwischen Auslöser und allergischer Reaktion zu finden.

Ein sehr bekanntes und alltägliches Beispiel für eine Allergie Typ IV ist die allergische Reaktion auf Nickel als Bestandteil von Schmuckstücken. Weniger alltäglich aber auch eine allergische Reaktion des Spättyps ist die Abstossung transplantierter Organe durch den Empfängerkörper (die durch die Gabe von das Immunsystem hemmenden Medikamenten vermieden werden kann).

 

Kreuzallergien

Die Kreuzallergie ist kein eigener Allergietyp, sondern eine Spielart der vorhergehenden Typen: Auch das präzise adaptive Immunsystem ist nicht unfehlbar, wenn es um die Erkennung von Antigenen bzw. Allergenen geht. So kann es einander sehr ähnliche Moleküle miteinander verwechseln: Wenn eine Molekülsorte als Allergen “registriert” worden ist, also eine Sensibilisierung stattgefunden hat, können die dazu passenden Antikörper mitunter auch an sehr ähnliche Moleküle binden und so eine allergische Reaktion darauf auslösen.

Deshalb sollte sich jemand, der auf Bienenstiche allergisch reagiert, zum Beispiel auch vor Wespen hüten, denn das Gift beider Gattungen enthält ganz ähnliche Proteine. Aber auch verschiedene Pollensorten und Nahrungsmittel können einander ähnliche Allergene enthalten, sodass es nicht einfach wäre, den oder die Verursacher meiner Pollenallergie eindeutig zu entlarven.

 

Nicht alle Symptome, die wie allergische Reaktionen aussehen, gehen auf eine Allergie zurück

Viele Reaktionen des Körpers auf Einflüsse von aussen werden landläufig als “Allergien” bezeichnet, obwohl ihre Ursache keine allergische Reaktion ist. Eine solche ist schliesslich nur gegeben, wenn das adaptive Immunsystem einen Fremdstoff fälschlich als Gefahr vermerkt und folglich darauf “anspringt”. Einige entzündliche Reaktionen haben aber ganz andere Ursachen:

Pseudoallergische Reaktion

Es kommt vor, dass der Kontakt mit Fremdstoffen ohne Einbezug des adaptiven Immunsystems zu einer “allergischen” Reaktion führt. In diesen Fällen springt das angeborene Immunsystem, das keine Einzelmoleküle wiedererkennen kann, sondern allgemein auf Fremdstoffe losgeht, auf den Auslöser an. Damit hängt das Ausmass der pseudoallergischen Reaktion direkt von der Menge der Eindringlinge ab, während bei einer “echten” Allergie schon kleine Mengen des Allergens das adaptive Immunsystem im grossen Stil aufscheuchen können.

Hängt also die Stärke der Reaktion von der Dosis des Auslösers ab, die ein Betroffener abbekommt, handelt es sich aller Wahrscheinlichkeit nach um eine pseudoallergische Reaktion. Und die ist überaus weit verbreitet: Bekannte “Pseudoallergene” sind Duftstoffe, flüchtige Bestandteile von Sprays oder Klebstoffen, Feinstaub, Rauch und andere Umweltschadstoffe.

Nahrungsmittel-Intoleranzen

Eine Fehlfunktion im Stoffwechsel führt bei einigen Menschen dazu, dass sie bestimmte Nahrungsmittel nicht wie Andere verdauen können. Die Folge sind Verdauungsbeschwerden von Bauchweh bis Durchfall, wie sie auch Folge einer “echten” Nahrungsmittelallergie sein können.

Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Laktoseintoleranz, die dadurch entsteht, dass besonders erwachsenen Menschen oft das Enzym Laktase fehlt, welches dafür zuständig ist, Milchzucker (Laktose) in seine verwertbaren Bestandteile zu zerlegen. Der unzerlegte Milchzucker führt dann zu Darmbeschwerden – ohne dass das Immunsystem darin verwickelt wäre.

Sonnenallergie

Es kommt vor, dass Menschen Hautausschlag bekommen, wenn sie direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt worden sind. Diese Erscheinung wird auch als Sonnenekzem oder Polymorphe Lichtdermatose bezeichnet. Da Licht aber kein “Stoff” ist, sondern aus elektromagnetischen Wellen besteht, enthält es nichts, woran sich das adaptive Immunsystem erinnern könnte. Eine Allergie gegen Licht kann es damit nicht geben.

Tatsächlich ist die Ursache der Sonnenekzeme noch unklar. Möglicherweise löst die Lichtenergie chemische Reaktionen aus, in welchen körpereigene Stoffe in “fremde” Allergene oder einfach in reaktive Teilchen, die das Gewebe direkt angreifen, umgewandelt werden.

Wasserallergie

Äusserst selten kommt es vor, dass Menschen auf die Berührung mit Wasser mit Hautauschlag reagieren. Das Phänomen wird auch Wassernesselsucht oder auf medizinisch aquagener Pruritus genannt. Das winzige Wassermolekül kommt jedoch als “echtes” Allergen nicht in Frage. Dazu ist es viel zu allgegenwärtig in jedem menschlichen Körper und zu simpel, als dass es von Antikörpern eindeutig “erkannt” werden könnte. Die tatsächliche Ursache der Wassernesselsucht ist hingegen noch nicht geklärt.

Zuckerallergie

Manche Menschen möchten beobachtet haben, dass sie oder ihre Angehörigen eine allergische Reaktion auf Haushalts- und andere Zucker zeigen. Letztlich sind aber genau diese Zucker im menschlichen Körper praktisch allgegenwärtig, sodass sie – ähnlich Wasser – als Allergene nicht in Frage kommen.

Da Zucker gewöhnlich als Bestandteil verschiedenster Nahrungsmittel aufgenommen werden, liegt die Vermutung nahe, dass die als “Zuckerallergie” beschriebenen Reaktionen in Wirklichkeit allergische oder pseudoallergische Reaktionen auf andere Bestandteile gezuckerter Nahrungsmittel sind.

Welche Stoffe können Allergien auslösen?

Grundsätzlich kann jeder Stoff, gleich ob natürlicher oder synthetischer Herkunft, zum Allergen werden, sofern er nicht dem eigenen Körper entstammt. In der Regel sind Allergene aber grössere bis sehr grosse Moleküle, insbesondere Proteine. Diese grossen, Ihre Grösse und ihr komplexer Aufbau machen Protein- und ähnliche Moleküle so einzigartig, dass sie von Antikörpern (fast) verlässlich wiedererkannt werden können – womit die Grundvoraussetzung für eine Allergie gegeben ist.

Proteine kommen praktisch überall in der Natur vor. Bekannte Quellen für die Allergene unter ihnen sind zum Beispiel Pollen, Tierhaare oder Nahrungsmittelbestandteile. Aber auch “Designermoleküle”, die im Labor entworfen und geschaffen wurden, können Allergien auslösen. Aber Achtung: Viele kleinere, als Umweltschadstoffe bekannte Moleküle lösen eine pseudoallergische Reaktion und keine Allergie aus!

Keine Allergien auslösen können zudem Bestandteile des eigenen Körpers, wie Wasser, reines Kochsalz, kurzkettige Zucker und Fette.

Was kann man gegen Allergien machen?

Allergene meiden

Die simpelste und effektivste Massnahme gegen jede Form von Allergie liegt auf der Hand: Meidet das Allergen!

Zuerst: Wissen, was zu meiden ist

Das klingt jedoch einfacher, als es oft ist. Denn dazu muss das Allergen (oder im Fall von Kreuzallergien: die Allergene), welches die allergische Reaktion auslöst, erst einmal gefunden werden. Das gestaltet sich allein schon deshalb aufwändig, weil jedes Immunsystem auf seine Art reagiert. So gibt es keine Stoffe, die grundsätzlich Allergien auslösen – sondern allenfalls solche, die dafür bekannt sind, dass sie häufiger als andere zu allergischen (oder pseudoallergischen) Reaktionen führen. Damit muss wohl oder übel jeder Allergiker mit der Suche nach seinen persönlichen Allergenen “von vorn” anfangen.

In einfachen Fällen genügt es, sich und seine Gewohnheiten genau zu beobachten und durch Weglassen von Nahrungsmitteln oder Änderung von Gewohnheiten den Übeltäter zu stellen. Oft gestaltet sich die Suche aber so kompliziert, insbesondere bei möglichen Kreuzallergien, dass ein Facharzt durch gezieltes Nachforschen mit Hilfe von Allergietests schneller und sicherer zum Ziel kommt.

Dem Allergen aus dem Weg gehen – wenn möglich

Ist der Auslöser der Allergie erst einmal identifiziert, könnt ihr euer Möglichstes tun, um ihn zu meiden – und zwar konsequent : Nahrungsmittel mit Allergenen vermeiden, Körperpflegeprodukte mit Allergenen nicht länger verwenden, Tieren, die Allergene tragen, aus dem Weg gehen, Medikamente, die zu allergischen Reaktionen führen, ersetzen,… Dabei gibt es jedoch kein Patentrezept und keine allgemeingültige schwarze Liste mit Allergenen. Denn während der eine Mensch heftig auf einen Stoff reagiert, kommt der andere mitunter prima mit ihm klar – und reagiert womöglich auf etwas ganz anderes allergisch.

Manchmal ist es jedoch geradezu unmöglich, einem Allergen aus dem Weg zu gehen. So ist im Frühling, wenn die allergieauslösenden Pflanzen blühen, unweigerlich die Luft voller Pollen – denn die werden mit dem Wind umher getragen. Und da ich schliesslich atmen muss und möchte, kommen diese Pollen unweigerlich mit meinen Schleimhäuten in Kontakt, sobald ich geschlossene Räume verlasse. So bleibt mir nichts anderes übrig, als den Heuschnupfen zu ertragen oder Massnahmen dagegen zu ergreifen:

Symptome behandeln

Die Wirkung von Histamin und Co kann durch Medikamente gedämpft werden: Antihistaminika, Cortison und andere lindern die Entzündungssymptome. So können sie den unweigerlichen Kontakt mit Allergenen erträglicher machen oder sogar zur Bekämpfung lebensbedrohlicher Zustände eingesetzt werden. Einfache Mittel gegen Heuschnupfen-Symptome gibt es rezeptfrei in der Apotheke, während schwere Geschütze wie viele Cortison-Präparate auf Rezept vom Arzt oder aus der Hand des Notarztes zum Einsatz kommen. Die Ursache der allergischen Reaktionen – die Fehlprägung des Immunsystems – lässt sich damit aber nicht beseitigen.

Hyposensibilisierung

Mit diesem Verfahren – auch Desensibilisierung genannt – wird die Ursache von allergischen Reaktionen direkt angegangen. Dem Körper eines Typ I – Allergikers werden dazu über lange Zeiträume (mehrere Jahre – und zur Erhaltung lebenslang) gezielt kleine Mengen eines Allergens zugeführt, wobei die Dosis langsam ein wenig gesteigert wird. Dadurch sollen die B-Zellen veranlasst werden, statt der verhängnisvollen IgE-Antikörper an Zellen geheftete IgG zu produzieren. Diese sollen letzlich Fresszellen dazu bewegen, später wieder auftretende Allergene unschädlich zu machen (wie bei einer Allergie Typ III), bevor etwaige verbliebene IgE sie finden und eine Sofortreaktion anzetteln können.

Besonders bei Insektengiftallergien (beim Stechen befördern Insekten das Allergen direkt unter die Haut!), die nach einem Stich oft zu schweren Symptomen bis hin zum anaphylaktischen Schock führen können, kann dieses aufwändige Vorgehen Leben retten.

Zusammenfassung

Eine allergische Reaktion ist eine Reaktion des adaptiven – also lernfähigen – Immunsystems auf einen Stoff, den dieses sich unnötigerweise als Gefahr “gemerkt” hat. Der erste Kontakt mit solch einem Stoff – dem Allergen – führt zum symptomlosen Merkvorgang, auch Sensibilisierung genannt. Dabei werden meist Antikörper gebildet, die bei jedem weiteren Kontakt mit dem Allergen das Immunsystem alarmieren und so das Auftreten von Entzündungserscheinungen – der allergischen Reaktion – verursachen. Der Umstand, dass eine Sensibilisierung stattgefunden hat (und fortan entsprechende Allergene Symptome auslösen), wird als Allergie bezeichnet.

Es gibt verschiedene Signalwege, die vom Allergen zur Entzündung führen. Allen gemein ist dabe die tragende Rolle des adaptiven Immunsystems. Andere Vorgänge, die ohne Einbezug des adaptiven Immunsystems zu Entzündungen führen, sind folglich keine allergischen Reaktionen.

Die wirksamste Massnahme gegen allergische Reaktionen ist das Meiden von Allergenen. Da jedoch jedes Immunsystem einzigartig ist, muss jeder Allergiker für sich herausfinden (lassen), auf welche Stoffe er reagiert. Eine allgemeingültige schwarze Liste gibt es nicht.

Wenn das jedoch – wie bei meinem Heuschnupfen – unmöglich ist, können die Entzündungserscheinungen mit Medikamenten gelindert werden. In besonders schweren Fällen – wenn z.B. gefährliche Sofort-Reaktionen zu erwarten sind – kann das Immunsystem im Zuge einer Hyposensibilisierung “umprogrammiert” werden, um eine gefährliche, schnell überschiessende Reaktion durch eine langsamere und weniger gefährliche zu ersetzen. Das Verfahren ist jedoch aufwändig und mit jahrelangen Behandlungen verbunden.

So bin ich besonders neugierig darauf, was die Forschung bezüglich Allergien in Zukunft an neuen Behandlungswegen eröffnen wird.

Übrigens: Wenn ihr aufmerksam gelesen habt – zu welchem Allergietyp zählt eigentlich meine allergische Bindehautentzündung?

Und leidet ihr auch unter Allergien? Wie geht ihr damit um?

Luftschlangen und Konfetti - wie sie funktionieren

Ob Güdismäntig oder Rosenmontag: Heute geht es vielerorts bunt und lustig zu. Die grossen Festumzüge ziehen durch die Strassen, und bei all dem bunten Treiben dürfen besonders in Mitteleuropa zwei farbenfrohe Accessoires nicht fehlen: Luftschlangen und Konfetti.

Die Schweizer Fasnacht kommt vor allem nicht ohne Konfetti aus. Säckeweise kann man die bunten Papierschnipsel zur Zeit in jedem Supermarkt erstehen, und beim Umzug und allen anderen närrischen Gelegenheiten bewirft man sich damit, was das Zeug hält.

Besonders berüchtigt ist dabei die Konfetti-Badewanne. Die wird von einer Gruppe furchterregender Hexen auf einem Wagen mit dem Umzug mitgerollt. Und wenn diese Truppe in Sicht kommt, heisst es besonders für weibliche Zuschauer Obacht – denn die verschlagenen Begleiter (meist sind die Hexen nur scheinbar weiblich) entführen immer wieder gern jemanden vom Strassenrand und stecken sie komplett mit allem Drum und Dran in die schnitzelbunte Wanne. Mich selbst hat es zum Glück noch nie getroffen – denn Reto, mein Partner, hasst Konfetti in der Wohnung. Und die wären danach wohl unvermeidlich.

Nichts einzuwenden hat er dafür gegen Dekoration mit Luftschlangen. Farbe im Haus hellt schliesslich auch seinen grauen Februar auf, und die hübsch gelockten Papierschlingen lassen sich auch ohne grossen Aufwand wieder beseitigen. Aber wie funktionieren Luftschlangen eigentlich? Und seit wann gibt es sie? Wer hat sie erfunden?

Wie funktionieren Luftschlangen?

Wir kennen sie alle, die bunten, schmalen Papierrollen, die mit einem kräftigen Luftstoss zu quirligem Eigenleben erwachen. Doch wie können sie sich eigentlich entrollen, wenn wir doch durch das Loch in der Mitte blasen?

Bernoulli machts möglich: Schon anlässlich der Antwort auf die Leserfrage, wie denn ein Helikopter fliege, habe ich den nach ihm benannten Effekt erklärt, dank welchem Luft die unwahrscheinlichsten Dinge in Bewegung setzen kann. Eine Luftströmung geht nämlich stets mit einem Unterdruck entlang ihrer selbst einher, sodass solch eine Strömung bewegliche Gegenstände regelrecht ansaugen kann.

Wenn diese Gegenstände Tragflächen eines Flugzeugs oder Rotorblätter eines Helikopters sind, hebt dieser Sog sie (unterstützt von einem höheren Druck von unten) in die Höhe. Wenn es sich aber um die leichtgewichtige Innenwand einer Papierrolle handelt, an welcher die Luft entlang strömt, wird diese Innenwand in Stromrichtung aus der Rolle hinaus gesogen – und was daran hängt, muss zwangsläufig folgen.

So setzt ein Luftstoss durch die Rolle das Eigenleben der Luftschlange in Gang. Und wenn erst einmal genügend Papier in Bewegung ist, nimmt die klassische Mechanik ihren Lauf. Denn was einmal in Bewegung ist, hört damit nicht mehr auf, so lange es nicht durch äussere Umstände – wie den Luftwiderstand – dazu gezwungen wird. Und wenn letzterer die Schlange auszubremsen droht, bringt die Gravitation das Ganze zuende: Die Papierrolle wird vollständig abgewickelt.

Im Übrigen wollen Wissenschaftler an der TU München herausgefunden haben, dass zwischen 25 und 30 cm der optimale Abstand zwischen Mund und Luftschlangen-Rolle ist, um den wirksamsten Sog damit ein spektakuläres Entkringeln zu erzeugen.

Seit wann gibt es Luftschlangen? Und wer hat sie erfunden?

Nein, nicht die Schweizer. Die Luftschlange ist, wie viele spannenden Erfindungen, ein Zufallsprodukt. Und zwar aus dem Jahre 1887.

Damals leitete der deutsche Buchbindermeister Paul Demuth in Berlin eine Firma, die nützliche Papierprodukte herstellte. Dazu gehörten auch Telegrafenrollen – fest aufgewickelte schmale Papierstreifen, die man in einen Telegrafen-Empfänger einlegte, damit dieser fortlaufend Morsezeichen darauf drucken oder stechen konnte.

Eines Tages, so heisst es, liess einer von Demuths Angestellten eine solche frisch produzierte Rolle versehentlich fallen. Da Demuth scheinbar ein jähzorniger Chef war, klaubte er die Rolle auf und schleuderte sie wütend durch den Raum. Der Fahrtwind, welcher dabei durch das Loch in der Mitte pfiff, führte dabei zum Bernoulli-Effekt und wickelte das Telegrafenband zu einer hübschen Spirale aus, die dann um so gemächlicher zu Boden geschwebt sein muss.

Einen Funken Humor (oder etwas mehr) muss Paul Demuth, der zu jener Zeit schon über 70 Jahre zählte, sich jedenfalls bewahrt haben. Denn er färbte die nächsten Papierrollen bunt ein und liess sein Spass-Produkt kurz darauf erfolgreich patentieren. Weniger humorvoll war damals, im deutschen Kaiserreich, die Berliner Polizei. Die wertete nämlich Demuths ersten Feldversuch mit der neuen Erfindung in Berlins Strassen als “Erregung öffentlichen Ärgernisses” an und nahm den Erfinder kurzerhand in Haft.

Und die Geschichte zu den Konfetti?

“Konfetti” leitet sich vom italienischen Wort für Konfekt ab. Mit diesen recht kostspieligen Süssigkeiten bewarfen sich dereinst die Wohlhabenden beim Karneval in Venedig. Unter der weniger reichen Bevölkerung, die sich diesen Spass nicht leisen konnte, wurden dazu entsprechende Attrappen aus Gips verwendet. Davon getroffen zu werden war allerdings eine ziemlich schmerzhafte Erfahrung.

Der Legende nach soll auch Paul Demuth zum Karneval in Venedig gewesen sein – und alsbald eine Idee gehabt haben, wie er das schmerzhafte Problem der Venzianer lösen konnte: Papierschnitzel sind billig, bunt und mangels Gewicht absolut nicht schmerzhaft (höchstens für die ordnungsliebende Seele). Und wenn man Anlagen zur Herstellung von Papierprodukten hat, kann man sie ganz einfach in grossen Mengen herstellen.

Noch heute werden übrigens Reste von buntem Luftschlangenpapier in grosse Locher-Maschinen gegeben, die die farbenfrohen Schnitzel daraus ausstechen. Allerdings hat Paul Wermuth es verpasst, auch diese Erfindung zum Patent anzumelden, sodass sie ihm nurmehr in der Legende zugeschrieben werden kann.

Während in Luzern auf meinem Neben-Bildschirm schon der Güdismäntigs-Umzug läuft, wünsche ich euch allen noch ein fröhliches Helau!, Alaaf!, Narri! Narro!, ä rüüdigi Fasnacht! Oder was man sonst noch bei euch wünscht und ruft!

Eure Kathi Keinstein

Verratet uns doch in den Kommentaren euren Fasnachts- bzw. Karnevalsruf oder – gruss – und erzählt vielleicht auch gleich von eurem närrischsten Erlebnis mit Luftschlangen oder Konfetti!

Glasreiniger - Streifenfrei auch ohne Ammoniak

Die spannenden Antworten, die ich einer Leserin zur Wirkweise von WC-Reinigern gab, haben eine weitere Verfolgerin dazu bewegt, auch gleich nach der Funktion eines anderen Putzmittels zu fragen: Wie funktioniert ein Glasreiniger?

Wenn wir sauber machen, benutzen wird fast überall Seifen – denn die Superwaschkraft der Tenside darin ist einfach unschlagbar. Beinahe jedenfalls. Doch wer schon einmal Fenster geputzt hat, kennt ein leidiges Phänomen: Streifen an den Scheiben. Die entstehen entweder aus nicht gänzlich entferntem Schmutz – oder sind ein Souvenir, das die oberflächenliebenden Tenside uns hinterlassen.

Deshalb scheinen Glasreiniger anders zu funktionieren als gewöhnliche Seife, die man nach der Verwendung gründlich abwaschen muss: Einmal rasch aufgesprüht lösen sie den Schmutz ratzfatz, und nach dem Abwischen verschwinden die verbleibenden Streifen innerhalb von Sekunden. Was aber macht Glasreiniger so besonders?

Was im Glasreiniger drin ist

Wer Glas streifenfrei reinigen möchte, braucht eine Substanz, die sowohl ein Talent zum Schmutzlösen hat, als auch leicht und rückstandslos entfernbar ist. Deshalb enthalten Glasreiniger in der Regel

  • Organische Lösungsmittel: Ethanol oder/und andere Alkohole mit ähnlichen Eigenschaften. Organische Lösungsmittel können, was ihr Name verspricht: In ihnen lösen sich viele Stoffe leicht auf, die sich in Wasser weniger leicht lösen. Alkohole aus kleinen Molekülen lassen sich trotzdem leicht mit Wasser mischen, sodass man gemeinsam mit Wasser verwenden kann. Dabei setzen Alkohole die Oberflächenspannung von Wasser herab, sodass nicht nur sie selbst, sondern auch das Wasser schnell verdunsten kann: Flüssigkeitsreste verschwinden schnell vom Glas.
  • Wenig oder gar keine Seife: Die würde ja Streifen hinterlassen. Deshalb wird in Glasreinigern weitgehend darauf verzichtet.
  • Duftstoffe
  • Konservierungsmittel
  • Farbstoffe
  • Manche Glasreiniger enthalten zudem Ammoniak, dem eine zusätzliche Reinigungskraft zugeschrieben wird.

Alkohole sind umweltfreundlicher als Seifen

Organische Lösungsmittel haben vielerorts ein anrüchiges Image – aber keine Panik: Diese Stoffe sind nicht immer so schlimm, wie ihnen nachgesagt wird. Das gilt ganz besonders für Ethanol – den uns wohlbekannten Trink-Alkohol – und seine Verwandten. Die sind nämlich viel umweltverträglicher als viele Tenside in Seifen!

Als natürlicher Bestandteil vieler lebender Systeme (viele Kleinlebewesen stellen im Zuge der alkoholischen Gärung Ethanol selbst her und noch mehr – uns Menschen eingeschlossen – können ihn verstoffwechseln) ist Ethanol, anders als viele Tenside, leicht biologisch abbaubar.

In hoher Konzentration verursacht Ethanol allerdings nicht nur uns einen Kater oder schlimmeres, sondern ist auch für viele Kleinstlebewesen tödlich – was ihn zu einem beliebten Desinfektionsmittel macht. So sollten Glasreiniger auf Ethanol-Basis ohne weitere Konservierungsmittel auskommen können.

Denn die Duftstoffe und Konservierungsmittel in vielen Glasreinigern sind die gleichen zweischneidigen Schwerter wie in anderen Reinigungsmitteln, sodass mit solchen Zusätzen auch ein Glasreiniger nicht pauschal als “vollkommen harmlos” angesehen werden kann.

Warum Duftstoffe bedenklich sind

Duftstoffe leisten keinen direkten Beitrag zur Funktion des Reinigungsmittels: Sie reinigen nicht. Stattdessen sollen sie dem Produkt einen angenehmen Duft verleihen, welcher dem Konsumenten vermitteln soll, dass die Anwendung ungefährlich, angenehm, mit Sauberkeit und “Frische” und damit mit Gesundheit verbunden ist. Im “schlimmsten” Fall werden dabei sogar unangenehme Gerüche überdeckt, die andernfalls dem Körper als (lebens-)wichtige Warnung dienen: Ich stinke, also bin ich ungesund.

In Reinigungs- und anderen Produkten ist eine Vielzahl verschiedener Duftstoffe im Einsatz, die – praktisch alle körperfremd – auch gleich eine Vielzahl möglicher Allergieauslöser darstellen. Und das gilt für “naturnahe” bzw. natürliche ätherische Öle ebenso wie für Molekül-Kreationen aus dem Labor, wie ich hier näher erläutert habe.

Ebenso besonderes Augenmerk verdienen Konservierungsmittel: Die können nicht nur ebenso Allergien auslösen wie Duftstoffe. Sie sind überdies dem Leben nicht zuträglich – zwangsweise, denn sie sollen ja verschiedenste Kleinstlebewesen daran hindern, in unseren angebrochenen Putzmittel-Flaschen zu hausen und zu gedeihen. Das Problem dabei ist, dass viele solcher “Biozide” – lebensvernichtende Stoffe – auch für menschliche Zellen giftig sind.

Wenn wir Reinigungsmittel in normalem Umfang dafür benutzen, wozu sie gedacht sind, werden wir kaum eine gefährliche Dosis solcher Konservierungsmittel abbekommen. Die Dämpfe solcher Produkte einzuatmen empfiehlt sich trotzdem nicht. Denn was für die Vernichtung unliebsamer Kleinstlebewesen geschaffen ist, wird auch vor den unverzichtbaren Bewohnern unserer Haut und Schleimhäute nicht Halt machen. Wer viel putzen muss, ist deshalb nicht nur möglicher Allergien wegen mit Handschuhen gut bedient.

Ammoniak – Warum dieser Inhaltsstoff die Geister scheidet

Manche Glasreiniger enthalten neben Alkoholen oder anderen Reinigungskünstlern Ammoniak (der gern auch als “Salmiak” umschrieben wird). Ammoniak, , ist ein Gas, das sich sehr gut in Wasser löst. Die wässrige Lösung, heute Ammoniak-Wasser genannt, war vor allem früher als Salmiakgeist bekannt.

Ammoniak ist eine Base: Beim Lösen in Wasser kann ein Ammoniak-Molekül ein -Ion von einem Wassermolekül aufnehmen (“aq” im Index deutet an, dass das betreffende Teilchen in Wasser gelöst ist):

Unter den alten Sammelbegriff “Salmiak” fallen deshalb auch die Salze des Ammonium-Ions , wie sie zum Beispiel in Salmiakpastillen vorkommen! Anders als Ammoniak sind Ammoniumsalze, wenn man sie in Wasser löst, jedoch sehr schwache Säuren (das Ammonium-Ion muss schliesslich ein -Ion abgeben, damit daraus Ammoniak entstehen kann) – haben also ganz andere Eigenschaften!

In einer Ammoniak-Lösung liegen stets Ammoniak-Moleküle und Ammonium-Ionen zugleich vor: Ammoniak ist eine relativ schwache Base. Das bedeutet aber auch, dass sich stets gelöste Ammoniak-Moleküle im Gleichgewicht mit gasförmigem Ammoniak befinden.

Diese Moleküle können wir riechen, sodass eine Ammoniak-Lösung durch ihren mehr oder weniger stechenden Geruch auffällt.

Eine Base als Reinigungsmittel

Die Basizität ist wohl auch der Grund für die “reinigungsverstärkende” Wirkung des Ammoniaks. Denn die Gegenwart von Basen, genauer gesagt -Ionen, führt dazu, dass verschiedene grössere Biomoleküle leicht in kleinere, einfach abwaschbare Bruchstücke zerfallen. Fette beispielsweise sind mittelgrosse, wasserunlösliche Moleküle, die zu den Estern gehören und deshalb in Gegenwart von Basen gespalten werden. Die Bruchstücke – Glycerin und Fettsäuren – lassen sich leicht mit Wasser oder Ethanol aufnehmen. Auch Eiweisse, d.h. Proteine, werden in Gegenwart von Basen leicht hydrolysiert, also in Bruchstücke bis hin zu ihren Aminosäuren zerlegt.

Das Problem: Ammoniak ist giftig

  • Wie alle stärkeren Säuren und Basen wirkt Ammoniak ätzend – auch auf unsere Schleimhäute – und kann, wenn es eingeatmet wird, im schlimmsten Fall ein Lungenödem verursachen.
  • Ammoniak ist ausserdem ein Nervengift, das je nach Konzentration zu neurologischen Ausfällen, Koma und Tod führen kann.
  • Da es sich um ein Gas handelt, das aus der wässrigen Lösung leicht flüchtig ist und sich im Wasser auf unseren Schleimhäuten erneut lösen kann, ist Ammoniak schwer unter Kontrolle zu halten.
  • Ammoniak ist sehr giftig für Wasserorganismen: In natürlichen Gewässern sind praktisch immer Ammoniumionen zugegen (denn die Lebewesen darin scheiden sie als Stoffwechselabfall aus). Wenn eine Base wie Ammoniak-Lösung da hinein gerät, wird der pH-Wert angehoben (d.h. es gibt vermehrt -Ionen und damit wenig -Ionen im Wasser). Gemäss Le Chateliers Prinzip des kleinsten Zwangs wird dadurch das Gleichgewicht zwischen Ammonium-Ionen und Ammoniak, das natürlicherweise weit auf der Seite von  liegt, auf die Seite von  – Ammoniak – geschoben:
    Und Ammoniak ist auch für viele Wasserlebewesen bis hin zu Fischen giftig – ganz davon abgesehen, dass sich die meisten Lebewesen bei einem erhöhten pH-Wert ohnehin nicht wohlfühlen werden.

Es gibt also genug Gründe, um auf Ammoniak in Reinigungsmitteln zu verzichten.

Wie du dem Ammoniak aus dem Weg gehen kannst

Das ist eigentlich ganz leicht: Ammoniak hat einen extrem unangenehmen, stechenden Geruch – wenn du einem solchen begegnest, hör auf das Fluchtsignal deines Körpers und gehe auf Abstand.

Ich habe mal vielleicht 100-200 Milliliter konzentrierte Ammoniak-Lösung in einem Labor-Abzug (einem per Schiebetür verschliessbaren Kleinraum mit eingebauter “Dunstabzugshaube”) verschüttet. Ich musste mich selbst bewusst am Weglaufen hindern und stattdessen den Abzug schliessen, um das Gas an der Ausbreitung zu hindern, bevor ich das Zeug ordnungsgemäss entsorgen konnte!)

Das heisst: Wenn du zur Zeit einen Glasreiniger mit Ammoniak verwendest:

  • Atme den Sprühnebel bzw. die Dämpfe möglichst nicht ein (auch möglicher Duft- und Konservierungsstoffe wegen)-
  • Brauche den Glasreiniger auf. Das ist meiner Meinung nach sinnvoller als Wegwerfen – es sei denn, das Mittel bereitet dir schon gesundheitliche Probleme wie beispielsweise eine Allergie. Dann bringe die Reste zur Sondermüll-Entsorgung: Ammoniak darf nicht ins Abwasser gelangen!

Wenn du einen neuen Glasreiniger kaufen möchtest:

  • Achte darauf, dass der neue keinen Ammoniak (Ammoniak-Wasser, Salmiak, Salmiakgeist,…) enthält.
  • Achte ebenso darauf, dass Stoffe, die dir bereits Allergien auslösen, nicht enthalten sind.
  • Am empfehlenswertesten ist ein Glasreiniger auf Alkohol-Basis (Spiritus-Reiniger).

 

Glas reinigen mit Hausmitteln

Statt einem Glasreiniger aus dem Supermarkt kannst du auch einfach Brennsprit (Spiritus) in eine Zerstäuberflasche füllen und zum Reinigen verwenden. Statt – wie oft genannt – Zeitungspapier solltest du dabei aber ein Mikrofasertuch zum Wischen verwenden. Das fusselt ebenso wenig und enthält keine Druckerschwärze, die abfärben könnte.

Beim Umgang mit Brennsprit bzw. Spiritus und anderen organischen Lösungsmitteln gilt ausserdem: Kein offenes Feuer in ihre Nähe bringen! Diese Substanzen gehen sehr leicht in Flammen auf: Rauchen oder brennende Kerzen sind beim Fensterputz daher tabu!

Ausserdem gilt auch hier: Dämpfe nicht einatmen – die können benommen oder zumindest Kopfschmerzen machen!

Überdies sind dem Brennsprit aus dem Supermarkt Spuren sehr unangenehm riechender und schmeckender Substanzen wie Denatonium (dem bittersten bekannten Stoff der Welt) oder Butanon (Methylethylketon, MEK) beigemengt. Mit anderen Worten: Der Ethanol ist vergällt. Das lässt vermutlich die meisten Menschen nicht nur Abstand davon nehmen, den Sprit zu trinken um die Alkoholsteuer zu umgehen, sondern auch davon, daran zu schnüffeln. Ich zumindest empfinde den Geruch meines Brennsprits als viel unangenehmer als jenen des wirklich reinen Labor-Ethanols. Somit ergibt sich das “nicht einatmen” mehr oder weniger von selbst.

 

Wie ich meine Scheiben praktisch streifenfrei sauber bekomme

Ich verwende, der vermutlich vorwiegend aus Alkoholen besteht und keinen Ammoniak enthält (Ausser den Duft- und Konservierungsstoffen sind die Inhaltsstoffe nicht auf der Flasche angegeben. Der pH-Wert ist allerdings laut pH-Streifen neutral (und nicht basisch wie in Gegenwart von Ammoniak) und die Farbstoffe aus dem pH-Streifen lösen sich schnell in der Flüssigkeit (viele wasserunlösliche Farbstoffe lösen sich leicht in organischen Lösungsmitteln). Da der Reiniger beim Aufsprühen leicht schäumt, könnte überdies ein kleiner Anteil Seife enthalten sein).

  • Stark verschmutzte Aussenscheiben besprühe ich mit etwas Glasreiniger und rubble sie gründlich mit einem triefnassen Schwamm ab.
  • Das Alkohol-Wasser-Gemisch ziehe ich dann gründlich mit einem Gummi-Abzieher ab. Ein betagtes, einfaches Markenprodukt leistet mir dabei bessere Dienste als sein No-Name-Gegenstück aus Studentenzeiten.
  • Ganz wichtig: Den Abzieher wische ich nach jedem Zug über die Scheibe kurz an einem Tuch ab, sodass kein Wasser/Reiniger mehr daran klebt, das/der tropfen könnte!
  • Falls doch noch Streifen bleiben, poliere ich mit einem trockenen Mikrofasertuch kurz nach.

Und wie putzt ihr eure Fenster? Welche Glasreiniger verwendet ihr? Und wie wichtig ist euch die Zusatz-Reinigungskraft von Ammoniak?

Vor fünf Jahren machte erstmals die “ice and salt challenge” um eine erstaunliche Kältemischung auf Youtube die Runde: Youtuber streuen sich Kochsalz auf die nackte Haut und fügen dann Eiswürfel hinzu. Das Ganze wird augenscheinlich sehr kalt – und die Challenge besteht darin, die Kälte lange genug zu ertragen.

Vor einem Jahr schlug diese Schnapsidee einmal mehr Wellen in den Medien:

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Denn diese Challenge ist gefährlich!

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Das Körpergewebe wird nämlich durch Kälte genauso verletzt wie durch Hitze: Eis und Salz werden gemeinsam so kalt, dass sogenannte Kaltverbrennungen bis zweiten oder dritten Grades die Folge sein können!

So fragt eine Leserin berechtigterweise: Warum tun Eis und Salz gemeinsam auf der Haut so weh?

Die Antwort lautet: Weil das Gemisch sehr kalt wird! Mischt man Eis und Kochsalz zu gleichen Teilen, kann die Temperatur des Gemischs auch in wärmerer Umgebung vom Schmelzpunkt reinen Wassers bei 0°C auf bis zu -17°C absinken!

Warum Eis mit Salz besonders kalt wird

Eigentlich gibt es in der Physik die Eigenschaft “Kälte” nicht. Was wir als Kälte empfinden, ist das Resultat nicht vorhandener Wärme – also geringer Energie. Wenn etwas kalt wird, wird ihm also Energie entzogen. Und diese Energie darf nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht einfach verschwinden.

Tut sie auch nicht: In einem Gemisch aus Eis und Kochsalz spielen mehrere Phänomene, die Wärme für ihre Zwecke vereinnahmen, zusammen:

Schmelzwärme: Das Schmelzen erfordert Energie!

Der Versuch, den ich letzten Freitag hier verbloggt habe, hat gezeigt: Schon der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, in diesem Zusammenhang “Schmelzwärme” genannt, die dem schmelzenden Stoff und seiner Umgebung in Form von Wärme entzogen wird: Die Temperatur an der Oberfläche schmelzenden Eises stellt sich auf 0°C ein und steigt auch in wärmerer Umgebung nicht an.

Ebenso wenig nimmt sie weiter ab: Während am Schmelzpunkt, der auch Gefrierpunkt genannt wird, Wasserteilchen aus dem festen Eis-Gitter beweglich, also flüssig werden, ordnen sich andere, bewegliche Wasserteilchen wieder ins Gitter ein, werden also fest. Und dabei wird entsprechend Schmelzwärme freigesetzt.
Eis und Wasser befinden sich in einem Gleichgewicht, wie Le Châtelier es am Flughafen beschreibt!

Sobald sich dieses Gleichgewicht eingestellt hat, wird ebenso viel Schmelzwärme freigesetzt wie aufgenommen: Die Temperatur der beteiligten Stoffe ändert sich nicht.

Gelangt nun aus der Umgebung Wärme in dieses System, so verschiebt sich das Gleichgewicht weg von der Seite mit Wärme und damit hin zum flüssigen Wasser: Das Eis schmilzt.

Gefrierpunktserniedrigung: Wassermoleküle sind nicht multitaskingfähig!

Der Gefrierpunkt einer Kochsalzlösung in Wasser ist niedriger als der Gefrierpunkt von reinem Wasser. Dabei gilt: Je höher die Konzentration der Lösung (d.h. je mehr Salz mit dem Wasser vermischt) ist, desto niedriger ist ihr Gefrierpunkt. Chemiker und Physiker nennen diesen Effekt “Gefrierpunktserniedrigung”.

Das Auflösen von Kochsalz, also Natriumchlorid, in Wasser bedeutet, dass sich die Natrium- und Chlorid-Ionen einzeln mit den Wassermolekülen mischen. Dabei wird jedes Ion von einer bestimmten Anzahl Wassermoleküle eingehüllt (Chemiker sagen “hydratisiert”). Diese Wassermoleküle, die mit dem Einhüllen von Ionen “beschäftigt” sind, stehen damit nicht mehr für das Gefrieren – also der Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis, in der Gleichung oben von rechts nach links – zur Verfügung.

Gemäss dem Gesetz von Le Châtelier verschiebt sich das Gleichgewicht zum flüssigen Wasser, um den “Verlust” an flüssigem Wasser auszugleichen: Es schmilzt nun mehr Eis, als es erstarrt. Damit wird mehr Schmelzwärme aufgewendet, als frei wird: Die Temperatur nimmt ab – und zwar so lange, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat.

Das geschieht, wenn die Temperatur der Mischung den Gefrierpunkt von Salzwasser-Eis erreicht hat. Erst dann kann nämlich das Wasser mitsamt der eingehüllten Ionen zu einem festen Stoffgemisch erstarren – vorher bildet sich auch aus Salzwasser, wenn überhaupt, nur reines Wassereis.

Was macht die Kälte für uns gefährlich?

Die biochemischen Reaktionen, die in unseren Zellen und Geweben ablaufen, sind darauf ausgelegt, bei rund 37°C – in unserer Haut auch bei ein paar Grad darunter – abzulaufen und optimal zusammen zu spielen. Sinkt die Temperatur in einem Körpergewebe darunter, werden die Stoffwechselreaktionen zunächst langsamer. Das ist nicht weiter tragisch – so lange die komplexen, ebenfalls auf 37°C ausgelegten Molekülstrukturen, aus denen wir bestehen, durch das Abkühlen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Sobald das geschieht, gerät der Stoffwechsel der betroffenen Zellen spätestens bei der Wiederannäherung an die Betriebstemperatur (also wenn das Gewebe wieder warm wird), aus dem Tritt. Ab einem gewissen Grad des molekularen Durcheinanders veranlassen solche Zellen ihre Selbstzerstörung und begehen Selbstmord, bevor ihre Funktionsstörung ihre Nachbarn grossartig beschädigen können (Die Molekularbiologen nennen diesen programmierten Zelltod “Apoptose”).

Wenn den beschädigten Zellen jedoch nicht die Zeit bzw. die Energie bleibt, um die kontrollierte Selbstzerstörung zu durchlaufen – weil sie zum Beispiel zu schnell kalt oder heiss werden oder anderweitig drastisch beschädigt werden, kommt es zu einem zellulären GAU (“grössten anzunehmenden Unfall”): Die Zellen werden unkontrolliert zerstört und neben Alarmsignal-Stoffen (einem molekularen “Hilfeschrei”) gelangen durch die zerstörten Zellwände Stoffe aus dem Zellinneren ins “Freie”, die den Nachbarzellen gefährlich werden können. Wir nehmen das als Entzündungsreaktion, Rötung, Schwellung, Schmerzen, und – wenn sichtbar grosse Gewebeabschnitte betroffen sind – als hässliche Wunden – Zell-Schrott eben – wahr (Molekularbiologen nennen diesen unkontrollierten Zelluntergang “Nekrose”).

Da in unkontrolliert entstandenem Zell-Schrott keine geordneten biochemischen Reaktionen und keine Blut- und damit Sauerstoffversorgung mehr möglich sind, kann “nekrotisches”, d.h. in einem “GAU” untergegangenes Gewebe nicht mehr heilen. Ebenso wenig funktioniert in solchen Gewebebereichen die Immun-Abwehr, sodass nekrotisches Gewebe leicht von Bakterien oder anderen unliebsamen Gästen infiziert werden kann.

Dabei macht es praktisch keinen Unterschied, ob der zelluläre GAU von starker Hitze oder starker Kälte herrührt: Kalt-Verbrennungen und Heiss-Verbrennungen unterscheiden sich in ihren Folgen nicht wesentlich. Das Auftreten von unumkehrbar zerstörtem Gewebe durch Hitze oder Kälte entspricht damit einer Verbrennung dritten Grades. Und gemäss so mancher Bilder, die ich auf Youtube gesehen habe, scheinen Kalt-Verbrennungen zweiten bis dritten Grades mit einer Kältemischung, die zu lange auf der Haut verbleibt, problemlos machbar zu sein!

Wozu kalte Sachen weh tun

Der menschliche Körper schützt sich vor Kalt- ebenso wie vor Heiss-Verbrennungen: Die Haut ist mit Schmerz-Rezeptoren ausgerüstet, die bei Hitze- und Kältereizen schmerzhaften Grossalarm auslösen und dafür sorgen, dass wir uns reflexartig von der Hitze- oder Kältequelle entfernen, bevor es zum Schlimmsten kommt.

Normalerweise jedenfalls. Wer sich an der “ice- and salt-challenge” beteiligt, bemüht sich darum, genau diesen Schutzreflex zu unterdrücken. Je “erfolgreicher” man darin ist, desto gefährlicher werden die Verletzungen, die daraus resultieren können!

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Ich rate daher dringend vom Nachmachen ab!

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Wie ihr trotzdem mit der Gefrierpunktserniedrigung experimentieren könnt

Anstatt ein Eis-Kochsalz-Gemisch auf eure Haut zu bringen, könnt ihr Eiswürfel oder Schnee und Salz ebenso gut in einem Behälter (am besten aus Kunststoff oder Edelstahl – Glas und Keramik können bei schneller Temperatur-Änderungen schonmal zerspringen!) miteinander mischen und die Temperaturabsenkung mit einem Thermometer messen.

Dabei könnt ihr gleich eure eigene Challenge veranstalten: Wer erreicht mit seinem Eis-Kochsalz-Gemisch die niedrigste Temperatur?

Wenn ihr unbedingt selbst fühlen möchtet, wie kalt das Gemisch wird, dann nehmt die Finger gleich wieder weg, sobald es euch unangenehm wird (das ist in der Regel innerhalb von Sekunden der Fall)!

Chemiker nutzen solche “Kältemischungen” aus Eis und Kochsalz übrigens gerne im Labor, um Reaktionsgefässe ohne aufwändige Elektrogeräte (ausser der Eiswürfelmaschine bzw. dem Tiefkühlfach) wirksam zu kühlen: So können Reaktionen, bei denen sehr viel Energie frei wird, im Zaum gehalten oder gasförmige Stoffe im Gefäss verflüssigt werden.

Seid ihr auch schon mit der “ice-salt-challenge” in Berührung gekommen oder habt gar daran teilgenommen? Oder habt ihr schonmal eine Kältemischung zum Kühlen verwendet?

Nierenstein ganz nah

Was sind Nierensteine? Fördert kalkhaltiges Wasser ihre Entstehung?

Diese Leser-Frage kam auf, als ich vor ein paar Wochen über Kalkfänger geschrieben habe – Ringe aus Stahlwolle, die eine Art Köder für Kalk darstellen, der sich aus hartem Wasser absetzen kann. Diese Kalkablagerungen liessen eine Leserin an Nierensteine denken, jene unerwünschten Ablagerungen, die in unseren Nieren entstehen und auf schmerzhafte Weise den Harnleiter verstopfen können.
 

Was sind Nierensteine und wie entstehen sie?

Die Nieren sind die Kläranlagen unseres Körpers. In ihnen werden verschiedene Stoffwechselabfälle, Ionen und Wasser aus dem Blut “gewaschen” und zu dem gesammelt, was als Urin in die Harnblase und von dort nach draussen abfliesst. Normalerweise lösen sich alle Abfälle in Wasser, sodass der Urin als klare Flüssigkeit seinen Weg durch die Harnleiter von der Niere zur Blase antreten kann.

Die Wasserlöslichkeit einiger Abfälle bzw. von Kombinationen verschiedener Bestandteile ist jedoch sehr begrenzt. Wenn unter unglücklichen Umständen die Konzentration solcher Stoffe oder Kombinationen im entstehenden Urin zu hoch wird, wird es solchen Stoffen in der Lösung “zu eng”: Sie verlassen die Lösung und werden fest (Chemiker sagen “sie fallen aus”).

Dabei suchen sich die ausfallenden Teilchen meist irgendeinen Feststoff-Krümel als Anreiz und lagern sich von allen (zugänglichen) Seiten daran an. So entsteht Schicht für Schicht ein Sandkorn, das sich mit der Zeit zu einem kleinen Kieselsteinchen auswachsen kann – einem Nierenstein.

Nierensteine - wo sie zu finden sind

Ablagerungen schwer löslicher Salze können den Harnleiter (nach links unten aus der Niere abgehend) verstopfen und so zu Nierenkolik, Harnrückstau und gefährlichen Entzündungen führen. ( By BruceBlaus. Blausen.com staff (2014). “Medical gallery of Blausen Medical 2014”. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. (Own work) [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons

Wenn solche Nierensteine in den Harnleiter geraten, können sie je nach Grösse darin stecken bleiben (dann spricht man korrekterweise von Harnleitersteinen) und somit den Abfluss für den Urin verstopfen. Die Folge sind starke, krampfartige Schmerzen (die berüchtigte Nierenkolik) und ein Rückstau des Urins, der Entzündungen mit sich bringen und die Niere schädigen kann. Wenn es einmal zu so einer Verstopfung kommt, hilft nur noch der Weg in Spital, um die Steine zerkleinern und entfernen zu lassen (heutzutage geht das meist mit Hilfe von Schallwellen von aussen).

Wer solch eine unangenehme Erfahrung aber von vorneherein vermeiden möchte, tut gut daran, über Nierensteine bescheid zu wissen. Die “unglücklichen Umstände” lassen sich nämlich in den allermeisten Fällen recht einfach vermeiden.
 

Woraus bestehen Nierensteine?

Die allermeisten Nierensteine bestehen aus Salzen, also aus Verbindungen verschieden geladener Ionen, die sich in ungünstiger Paarung schlecht in Wasser lösen. In den meisten dieser Steine (d.h. in rund 80 bis 85% aller Nierensteine), sind Calcium-Ionen, , massgeblich an diesen Paarungen beteiligt. Richtig – das sind genau die Kationen, aus denen auch Kalk entsteht. Die Frage unserer Leserin liegt also nahe.

Anstelle von Carbonat-Anionen () enthalten Nierensteine jedoch andere negativ geladene Ionen, allen voran das Anion der Oxalsäure (Oxalat,, 60% aller Nierensteine). Dazu kommen Phosphat-Anionen (), 9% aller Steine) und das Anion der Harnsäure (Urat) und weitere, die allesamt mit Calcium in Wasser schwer- bis unlösliche Salze bilden.

Harnsäure kann sowohl ganz allein als ungeladenes Molekül oder als Urat-Anion mit Metall-Ionen ausfallen und Harnsäuresteine bilden (15% aller Nierensteine).

Als Folge von Harnwegs-Infektionen können überdies Magnesium () und Ammoniumionen () mit Phosphat-Anionen zu “Struvit”-Steinen zusammenfinden (11% aller Nierensteine), die nach dem Mineral der selben Zusammensetzung benannt sind.

Selten sind Steine aus anderen organischen Stoffen, wie Cystin oder Xanthin, die aufgrund von genetisch bedingten Stoffwechselstörungen in zu grossen Mengen im Urin landen (je 1% aller Nierensteine).

Da es in so einer Niere höchst lebendig und bewegt zu und her geht, finden all diese Ionen und Moleküle beim Ausfallen keine Ruhe, um sich zu ordentlichen, sichtbar symmetrischen Kristallen zusammen zu lagern. So entstehen oft gerundete oder blasige, unstrukturierte Kiesel, deren Zusammensetzung aus Ionenkristallen sich erst vor dem Makro-Objektiv (wie auf dem Artikelbild) oder unter dem Elektronenmikroskop offenbart.

Nierenstein unter dem Rasterelektronenmikroskop

Oberfläche eines Calciumoxalat-Steins unter dem Rasterelektronenmikroskop. Die Breite des Bildes entspricht einer Länge von 0,45mm ! (By Kempf EK (Own work) [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons)

Ebenso führt das lebendige Treiben rund um die Urin-Entstehung zwangsläufig dazu, dass verschiedene Ionensorten miteinander ausfallen und Mischkristalle bilden. Für einen Nierenstein eine Salzformel wie für einen Reinstoff anzugeben ist deshalb höchst schwierig bis unmöglich.
 

Was erhöht die Konzentration der schwerlöslichen Salze?

So unterschiedlich wie die verschiedenen Nierensteine sind auch die Umstände, unter welchen sie entstehen. Eine Gegebenheit führt allerdings in jedem Fall zur Erhöhung der Konzentration gelöster Teilchen: Ein Mangel am Lösungsmittel.

Zu einem Überschuss an Nierenstein-Bestandteilen im Urin kommt es also für

Alle Steine

Bei Flüssigkeitsmangel – wenn zu wenig getrunken oder/und zu viel Flüssigkeit ausgeschieden wird (Schwitzen, Durchfall,…alles was zu Dehydrierung führen kann).

Calciumoxalat-Steine

Bei vermehrter Ausscheidung von Oxalat aus dem Blut in den entstehenden Urin.

An sich sind Oxalat-Anionen ganz normale Stoffwechsel-Abfallprodukte, die in jedem Körper vorkommen und transportiert werden. Dementsprechend einfach kann es zu einer “Flutung” mit Oxalat kommen, wenn sich irgendwo eine reichhaltige Quelle auftut. Die naheliegendste solche Quelle ist die Nahrung:

Schwarztee (manchmal auch Grüntee), Spinat, Rhabarber, Rande (in Deutschland: Rote Bete), Krautstiel (in Deutschland: Mangold), Kakao und Nüsse sind Lebensmittel, die relativ viel Oxalsäure enthalten.

Auch Stoffwechselstörungen, sowohl erbliche (selten) als auch erworbene, können zur vermehrten Ausscheidung von Oxalat-Anionen führen. Ursachen für viel Oxalat im Urin können Funktionsstörungen der Nebenschilddrüsen, die Überdosierung von Vitamin D, eine zurückliegende Magen-Bypass-Operation, Morbus Cushing, die Folgen von Knochenkrebs und weitere sein.

Harnsäure-Steine

Bei vermehrter Ausscheidung von Harnsäure-Salzen (Urat) aus dem Blut.

Harnsäure bzw. Harnsäure-Anionen sind ein Stoffwechselprodukt, das beim Abbau von Purinen entsteht. Purine wiederum sind Bestandteile der Nukleinsäuren, also DNA und RNA – kurz: des Erbguts in allen Zellen. Kurzum: Wo (zerstörte) Zellen sind, sind auch Purine nicht weit. Dabei können diese Zellen sowohl aus der Nahrung als auch aus unserem eigenen Körper stammen.

Dummerweise besteht die allermeiste für uns geniessbare Nahrung aus Zellen – sowohl pflanzliche als auch tierische. Dennoch gelten Innereien, Fleisch, Fisch und vor allem die Haut von Fisch und Geflügel als besonders zell- und damit als purinreich.

Körpereigene Zellen werden z.B. durch Hungerkuren oder Krebserkrankungen und deren Bekämpfung verstärkt zum Abbau ihrer selbst und damit zur Lieferung von Purinen zur Verstoffwechselung bewegt.

Die häufigste Ursache für einen Harnsäure-Überschuss im Körper ist jedoch eine Ausscheidungsstörung in den Nieren: Wenn die (auch in normalem Umfang) im Stoffwechsel entstehende Harnsäure nicht raus kann, sammelt sie sich an. In den Nieren können so Steine entstehen, bei Ablagerung in den Gelenken kommt es zur Gicht.

Ein “saurer”, also niedriger pH-Wert im Urin führt zudem dazu, dass Natriumurat, das Salz aus Natrium () und Urat-Ionen, besonders leicht ausfällt. Übergewicht gilt das wichtige Ursache für sauren Urin. Überdies hemmt Alkohol (Ethanol) die Ausscheidung von Harnsäure über die Nieren.

Struvit-Steine

Bei basischem Urin in Folge von Infektionen.

Struvit () fällt nur in basischer Umgebung aus. Da menschlicher Urin gewöhnlich schwach sauer ist, kommen solche Steine unter normalen Umständen nicht vor (anders z.B. bei Hauskatzen: die haben gewöhnlich basischen Urin und können daher auch bei gesunder Ausgangslage Struvit-Steine entwickeln).

Anders wird das, wenn sich der Mensch einen Harnwegsinfekt mit Bakterien einfängt, die Harnstoff zu Ammoniak ()abbauen können. Letzterer ist nämlich basisch, d.h. er nimmt -Ionen auf (so entstehen daraus Ammonium-Ionen ), was zu einer Erhöhung des pH-Werts in der Umgebung – hier im Urin – führt. So können in der Gegenwart von ammoniakproduzierenden Bakterien Struvit-Steine entstehen.

Und Calciumcarbonat?

Während Calcium in vielen Nierensteinen eine Rolle spielt, ist vom Carbonat-Anion bis hierhin keine Spur. Tatsächlich ist Calciumcarbonat, wenn überhaupt, nur selten Bestandteil von Nierensteinen. Das wird daran liegen, dass unter den Bedingungen im menschlichen Körper nicht das stark basische Carbonat (), sondern das weniger basische und leichter lösliche Hydrogencarbonat () vorkommt.
 

Welche Bestandteile können über die Ernährung beeinflusst werden?

Mit der Nahrung nehmen wir vor allem drei wichtige Bestandteile von Nierensteinen auf:

  • Calcium : findet man als -Ionen unter anderem in Milch und Milchprodukten, sowie Mineral- und Leitungswasser.  ist nicht nur Bestandteil von Nierensteinen, sondern auch ein für den Körper unverzichtbarer Mineralstoff. Besonders für den Knochenbau und -erhalt benötigen wir unbedingt Calcium. Deshalb wird ein Verzicht auf Calcium zur Vorbeugung von Nierensteinen gar nicht mehr empfohlen (es sei denn, es findet sich tatsächlich zu viel davon im Urin). Die für gesunde Erwachsene empfohlene Calcium-Zufuhr von 1000 – 1200 mg pro Tag führt birgt gemäss der Schweizerischen Gesellschaft für Ernährung auch das geringste Risiko für die Entstehung von Calciumsteinen. Wie das kommt? Calcium allein macht noch keinen Nierenstein. Dazu braucht es schliesslich auch Anionen:
  • Oxalat : Viele Pflanzen – auch und gerade solche, die als gesund gelten – enthalten relativ viel Oxalsäure bzw. Oxalat-Anionen. So kann die Aufnahme von oxalsäurereicher Nahrung direkt zu einer Flutung der Nieren mit Oxalat führen. Wenn dann auch Calcium vorhanden ist, entstehen leicht Oxalat-Steine.
  • Harnsäure : Purine aus Proteinen in Fleisch und Fisch werden zu Harnsäure verstoffwechselt, sodass auch hier eine Aufnahme mit der Nahrung schnell zu einer Flutung führen kann. Ausserdem führt die fleischhaltige Nahrung zu einem niedrigen, d.h. sauren pH-Wert im Urin, was die Entstehung von Harnsäuresteinen weiter begünstigt.

 

Wie senke ich mein Nierensteinrisiko durch Ernährung?

Alle Steine

Viel trinken ist grundsätzlich Empfehlung Nummer 1, wenn es um Nierensteine geht. Schliesslich müssen sich in einem grossen Urin-Volumen wesentlich mehr Nierenstein-Bestandteile ansammeln, bevor etwas fest wird, als in einem kleineren Volumen. Patienten, die bereits mit Nierensteinen zu tun hatten oder haben, wird daher empfohlen, am Tag mindestens 2,5 bis 3 Liter zu trinken.

Calcium-Steine

In der Gegenwart von Natrium(Na+-)Ionen werden Calcium-Ionen besonders leicht vom Blut in den Urin befördert. Deshalb lässt sich die Calciumausscheidung allein durch Masshalten bei der Verwendung und damit der Aufnahme von Koch- oder Speisesalz (Natriumchlorid) verringern, ohne dass der Körper auf wertvolles Calcium verzichten müsste. Zu wenig Salz ist allerdings auch nicht angebracht, da mit dem Salz auch das Wasser seinen Weg in den Urin findet – und wenig Wasser führt zu einem niedrigen Urin-Volumen…und damit zu Nierensteinen. Empfohlen wird die Aufnahme von 4 bis 6 Gramm Kochsalz pro Tag (Achtung bei Fertigprodukten! Die enthalten oft mehr Kochsalz, als man meinen möchte!).
Zudem lässt sich Calcium hinsichtlich der Entstehung von Nierensteinen auch mit Hilfe von Zitronensäure “unschädlich” machen: Citrat-Anionen bilden nämlich mit  eine sogenannte Komplexverbindung, die gut wasserlöslich ist, aber das Calcium-Ion für die Reaktion zu Calciumoxalat und anderen schwer löslichen Salzen unzugänglich macht. Zitrusfrüchte und -säfte sind daher eine gute und schmackhafte Wahl (nicht nur) für die Flüssigkeitszufuhr.

Oxalat-Steine

Wer zu Oxalat-Steinen neigt, sollte eine Oxalsäure-Überflutung möglichst vermeiden. Das heisst Zurückhaltung bei oxalsäurereichen Nahrungsmitteln, zu welchen verschiedene Gemüse, Nüsse, aber auch Schokolade (Kakao!) zählen. Da Nierensteine zudem oft Gemische aus verschiedenen Stein-Typen sind, ist deshalb eine rein vegetarische Ernährung zur Vermeidung von Harnsäuresteinen nicht zu empfehlen: Zu schnell gerät man dabei an Oxalsäure, die dann vom Regen in die Traufe führen kann.
Es gibt jedoch einen Trick für all jene, die auf ihr oxalatreiches Lieblings-Gemüse nicht verzichten wollen: Verspeist die Oxalsäure gemeinsam mit Calcium, zum Beispiel aus Milchprodukten oder Mineralwasser! Dann bildet sich das schwerlösliche Calciumoxalat nämlich schon im Verdauungstrakt – und wird mit dem Stuhlgang gleich wieder ausgeschieden. Damit ist das Calcium allerdings auch verloren und trägt nicht nur Deckung des Tagesbedarfs bei!

Harnsäuresteine

Wer mit Harnsäure-Steinen zu tun hat, sollte Fleisch und Fisch in Massen essen (maximal 1 Portion von 120g pro Tag an höchstens 5 Tagen in der Woche) und besonders purinhaltige Bestandteile meiden. Eine rein vegetarische oder gar vegane Ernährung ist jedoch der Oxalsäure wegen sehr schwierig und wird daher nicht empfohlen. Wer Übergewicht abbauen möchte, sollte das Abnehmen langsam angehen, um eine Flutung mit körpereigenen Purinen zu vermeiden! Hydrogencarbonat-Ionen – zum Beispiel aus Mineral- oder auch Leitungswasser – können dabei helfen, den sauren Urin-pH zu erhöhen (d.h. “basischer zu machen”).

Struvit-Steine

Harnwegsinfekte sollten frühzeitig behandelt werden, um Struvit-Steine und eine Nierenbeckenentzündung zu vermeiden! Meine persönliche Waffe für den “Präventiv-Schlag” bei einer Harnwegs-Reizung sind Preiselbeer- bzw. Cranberry-Getränke (zum Beispiel aus Trink-Granulat). Damit kann ich vieles schon im Keim ersticken. Bei anhaltenden Schmerzen oder/und Fieber aber unbedingt zum Arzt gehen und eine Urin-Probe untersuchen lassen! Das dauert nur ein paar Minuten und zeigt, ob ihr einen Infekt mit Bakterien habt, der mit Antibiotika behandelt werden sollte!
 

Fazit

Die Entstehung von Nierensteinen kann verschiedene Ursachen haben. Dabei können die Rahmenbedingungen für die Stein-Entstehung teilweise durch die Ernährung beeinflusst werden.

Calcium, genauer das -Ion, welches massgeblicher Bestandteil an Kalkablagerungen in Bad und Küche ist, ist auch in den meisten Nierensteinen enthalten. Für die Vermeidung von Nierensteinen sind jedoch die Anionen, die mit dem Calcium schwer lösliche Verbindungen bilden, viel bedeutsamer. Die Aufnahme solcher Anionen, wie Oxalat und Urat, und damit ihre Konzentration im entstehenden Urin in den Nieren lässt sich über die Ernährung recht gut steuern. Dabei sind Calcium und das in “hartem” Wasser gelöste Hydrogencarbonat-Anion mitunter sogar nützliche Hilfsmittel!

Viel trinken und eine massvolle, aber vielseitige Ernährung helfen grundsätzlich dabei, einen ausgeglichenen Stoff-Haushalt (nicht nur) in den Nieren zu bewahren und der Entstehung von Nierensteinen vorzubeugen.

Mehr Infos rund um Nierensteine und Ernährung

Die folgenden Quellen sind in diesen Artikel eingeflossen:

Merkblatt “Ernährung und Nierensteine” von der Schweizerischen Gesellschaft für Ernährung

Infoseite rund um Harn- und Nierensteine, mit Tabellen zu Stein- und Nahrungsmittel-Zusammensetzung

 

Wie fliegen Helikopter?

Gestern habe ich ab der Funktion eines Helikopters gestaunt. Fliegt der wirklich nur von der Kraft der Propeller?

Die ist die Leserfrage der Woche. Und ganz kurz vorweg genommen: Die Antwort lautet “Ja”.

In der Tat ist es ein atemberaubendes Spektakel, wenn sich solch eine unförmige Maschine sich unter grossen Getöse wie von Zauberhand in die Lüfte erhebt. Und spätestens, wenn die Schweizer Armee am Züri-Fest ihre gewaltigen “Super-Pumas” zur Flugshow entsendet, wird diese Frage vielen Zuschauern auf der Zunge liegen: Wie fliegt so ein Heli bzw. Hubi (vom in Deutschland gebräuchlicheren “Hubschrauber”)?

Seit wann gibt es Helikopter?

Das physikalische Phänomen, das Hubschrauber zum Fliegen bringt, ist schon seit Jahrhunderten bekannt. So hat schon Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert seine Idee zu einer “Flugschraube” skizziert. Diese Bezeichnung kommt der Bedeutung des Wortes “Helikopter” übrigens näher als “Hubschrauber”: Es setzt sich nämlich aus den griechischen Wörtern “helix” für Schraube und “pteron” für Flügel zusammen. Ein “heliko-pteron” wäre damit so etwas wie ein Schraubflügler – oder eben eine Flugschraube.

Während die Jahrhunderte vergingen, haben sich viele Erfinder an der Idee der Flugschrauben versucht – darunter mit Jakob Degen übrigens einer, der mit mir den bürgerlichen Namen teilt. Da eine Schraube zum Fliegen jedoch einen leistungsfähigen Antrieb braucht, wurden Helikopter erst im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen des Verbrennungsmotors wirklich nutzbar. Den entscheidenden Kick erfuhr die Hubschrauber-Forschung wie so oft durch das Militär während der beiden Weltkriege. So kamen bereits zum Ende des zweiten Weltkriegs die ersten Militär-Helikopter in Serie zum Einsatz.

Wie fliegt ein Hubschrauber?

Die meisten zivilen Helikopter sind heutzutage einheitlich aufgebaut: Über dem Rumpf befindet sich ein grosser, mehrflügeliger Rotor, der in waagerechter Ausrichtung um eine senkrechte Achse kreist. Dazu kommt ein “Schwanz”, der nach hinten aus dem Rumpf ragt und meist mit einem kleineren Heck-Rotor bestückt ist.

Für das Fliegen ist der grosse Haupt-Rotor zuständig. Der besteht nämlich aus mehreren Rotor-Blättern, die im Querschnitt – also wenn man sie kurzerhand absägen würde – etwa so aussehen:

Querschnitt durch ein Rotorblatt

By Dhaluza (http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PSU-90-125.PNG) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Die Skizze erinnert nicht umsonst an eine Flugzeug-Tragfläche. Flugzeuge und Hubschrauber nutzen nämlich das gleiche physikalische Phänomen zum Fliegen: Der Bernoulli-Effekt.

Wie Flugzeuge fliegen

Ein Flugzeug wird durch Propeller oder Düsen-Triebwerke geradeaus bewegt – und die Tragflächen bewegen sich mit dem stumpfen Ende voran mit. Dabei durchschneiden sie die Luft, welche als “Fahrtwind” oberhalb und unterhalb der Tragfläche entlangströmt. Durch die Wölbung ist der Weg obenherum allerdings länger als untenherum. Dabei bewegen sich alle Teile der Tragfläche (und des Flugzeugs) mit derselben Geschwindigkeit – legen also in einer bestimmten Zeit dieselbe Strecke zurück. Die “Hälften” der Luft, die von der vorderen “Kante” der Tragfläche durchschnitten wird, müssen so an der hinteren Kante nach dem gleichen Zeitabschnitt wieder zusammenfinden. Das bedeutet: Die Luft muss obenherum schneller strömen als untenherum, um den Umweg um die Wölbung zu schaffen.

Die schneller strömende Luft führt zu einem Überdruck unterhalb der Tragfläche im Verhältnis zum Druck darüber (bzw. zu einem Unterdruck oben im Verhältnis zum Druck unten). Wenn dieser Überdruck bzw. der “Auftrieb” durch eine ausreichend schnelle Strömung stark genug wird, um die Schwerkraft zu überwinden, drückt er mit den Tragflächen das gesamte Flugzeug nach oben – es fliegt!

Und beim Heli dreht sich alles im Kreis

Die Rotorblätter eines Hubschraubers funktionieren genauso: Der Druckunterschied, welcher entsteht, wenn die Rotorblätter durch die Luft schneiden, hebt den Rotor mitsamt dem daran hängenden Helikopter empor. Der entscheidende Unterschied zum Flugzeug besteht darin, dass die Rotorblätter sich im Kreis bewegen. Dadurch können sie einen Auftrieb erzeugen, ohne dass der Hubschrauber sich vorwärts bewegen muss. Er kann deshalb senkrecht starten und landen und – wenn es dem Piloten gelingt, die Schwerkraft durch den Auftrieb genau auszugleichen – sogar in der Luft “stehen”!

Da man aber letztlich auch mit dem Helikopter von A nach B gelangen möchte, hat der Pilot die Möglichkeit, seine Rotorblätter so zu kippen, dass der Rotor das Fluggerät nicht senkrecht, sondern leicht schräg nach oben hebt. So kommt zur Bewegung durch den Auftrieb nach oben ein nach vorn gerichteter Anteil – also ein Vortrieb. Je nach Einstellung der Rotorblätter kann dieser Anteil auch nach links, rechts oder hinten gerichtet sein – und der Heli fliegt seitswärts oder rückwärts!

Wozu der Heckrotor dient

Doch dieser super-manövrierfähige Antrieb hat einen Haken: Wenn man einen Kreisel bzw. Rotor auf einen frei schwebenden Gegenstand montiert, versetzt der sich drehende Kreisel unweigerlich auch den Gegenstand in eine Drehbewegung. In einer einfachen Kanzel mit Hubschrauber-Rotor würde dem Piloten deshalb ganz schnell übel und er hätte keine Chance, die Kontrolle über sein Gefährt zu behalten.

Deshalb haben die meisten Helikopter einen Ausleger am Rumpf, dessen Ende mit einem kleineren, senkrecht ausgerichteten Rotor ausgestattet ist. Dieser erzeugt nach dem gleichen Prinzip der Hauptrotor einen Druckunterschied, der zur Bewegung führt – seiner senkrechten Ausrichtung wegen aber nicht aufwärts, sondern vorwärts – und zwar der Kreisel-Bewegung des Rumpfes genau entgegengesetzt! So verhindert der Heckrotor, dass der Hauptrotor den ganzen Rumpf in Drehung versetzt.

Sehr eindrücklich wird das in vielen Actionfilmen dargestellt: Wenn dort einem Hubschrauber der Heckrotor weggeschossen wird, fängt der Rumpf unter dem unbeschädigten Hauptrotor an zu kreiseln und das Ganze stürzt hollywoodmässig spektakulär in die nächste Haus- oder Bergwand.

Der Heckrotor ist übrigens der lauteste Teil eines Helikopters, weshalb auch andere Lösungen für das Kreiselproblem gefunden und umgesetzt wurden.

Dazu gehören zum Beispiel zwei Hauptrotoren an der selben Antriebsachse, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. So hindern sich die beiden Rotoren gegenseit daran, den Rumpf in Drehung zu versetzen. Eine andere Lösung sind zwei oder mehr räumlich voneinander getrennte Rotoren mit einander ausgleichenden Drehrichtungen.

Flugschrauber im Kleinformat

Eine Hubschrauber-Variante aus den 1920er Jahren, die sich während des zweiten Weltkriegs ihrer komplizierten Bauweise wegen nicht durchsetzen konnte, erlebt heute im Kleinformat ein regelrechtes Revival: Der Quadrocopter. Dieses Fluggerät besitzt vier Rotoren an den vier “Ecken” des Vehikels. Je zwei und zwei drehen sich in entgegengesetzter Richtung und halten das Fluggerät nach Wahl sehr ruhig oder äusserst manövrierfähig in der Luft.

Heute begegnet einem dieses Fluggerät in der Regel unbemannt – als Drohne, wie man sie mittlerweile in jedem Kaufhaus erwerben kann, um den Helikopterflug im Kleinformat zu beobachten und selbst auszuprobieren.

Und seit ihr schonmal mit einem richtigen Helikopter geflogen? Oder habt ihr eine Drohne selbst gesteuert?

Enthalten rote Nahrungsmittel Eisen?

Eisen als Nährstoff ist heute das Thema in der Alltagskiste: Warum sagt man, dass rotes Essen gesund und gut fürs Blut ist? – fragt eine Leserin.

Auch meine Eisenwerte sind nie die besten gewesen. So riet auch mir einst eine Hausärztin, rotes Fleisch und – weil gerade Frühling war – Erdbeeren zu essen. Rote Nahrungsmittel sollen das Metall liefern, welches für seine roten Oxide – kurzum: Rost – bekannt ist? Das schien mir schon damals ein Zufall zu sein. Mein jetziger Hausarzt sagt zudem, es sei ganz schwierig, Eisen über den Verdauungstrakt in den Körper hinein zu bekommen. Eine einzelne Infusion direkt ins Blut fülle dagegen die Eisenspeicher effektiv wieder auf.

Aber wozu die ganze Mühe? Und was hat es mit dem roten Essen auf sich?

 

Wozu brauchen wir Eisen?

Eisen-Ionen sind unverzichtbare Bestandteile von Enzymen, die im Stoffwechsel verschiedene Aufgaben übernehmen. Die bekannteste Aufgabe des Eisens ist jedoch der Sauerstofftransport in den roten Blutkörperchen. In meinem Artikel über die spannendste Chemikalie der Welt könnt ihr nachlesen, wie der eisenhaltige rote Blutfarbstoff, das “Häm” im Protein Hämoglobin, als “Lieferwagen” für Sauerstoffmoleküle funktioniert.

Wir brauchen also Eisen-Ionen, damit unser Stoffwechsel sie in rote Blutzellen einbauen und zum Lieferdienst durch unseren Blutkreislauf schicken kann. Das heisst allerdings auch: Wenn irgendwo Blutzellen verloren gehen, kann der Körper das Eisen darin abschreiben. Und da bekanntlich überall Schwund ist, verliert ein erwachsener Mensch am Tag unweigerlich 1 bis 2 Milligramm Eisen.

Das ist allerdings kein grosses Problem, zumal unsere westliche Nahrung reichlich Eisen enthält, das wir über die Verdauung aufnehmen können. Und für den Fall, dass der Mensch sich mal verletzt oder anderweitig über Gebühr Blut verliert, ist der Körper mit Eisenspeicherproteinen wie Ferritin und Hämosiderin ausgerüstet, welche schnell verfügbare Eisen-Reserven bereithalten.

Doch auch solche Speicher können leer werden, wenn sie stark oder/und dauerhaft beansprucht werden. Schon die monatliche Menstruationsblutung kann eine erhebliche Zusatzbelastung darstellen. Davon kann auch ich ein Lied singen: Pro 2 ml Blut gehen laut Wikipedia etwa 1 mg Eisen verloren – bei 30 bis 60 ml Blut während eines Menstruationszyklus macht das 15 bis 30 Milligramm, also mindestens einen halben zusätzlichen Monatsverlust innerhalb einer Woche! Und ich blute gefühlt eher 60 als 30 Milliliter je Zyklus. Da ist es kein Wunder, dass meine Eisenspeicher selten gut gefüllt sind.

Und wenn die Speicher leer sind, dann droht Eisenmangel, der im schlimmsten Fall zu einer Blutarmut (Eisenmangel-Anämie) führen kann. Deshalb sind Ratschläge zu einer ausreichenden Eisenzufuhr auch in aller Munde.

 

Wo ist Eisen drin?

Viele denken nun sicher an Nägel und andere Metallteile. Die könnten als Eisen-Lieferanten theoretisch sogar funktionieren, da unsere Magensäure die Atome des unedlen Metalls zu verwertbaren Eisen-Ionen () oxidieren können sollte. Allerdings sind Nägel im Magen wenig bekömmlich und Eisen in solch rauhen Mengen überdies giftig. So sind wir gut beraten, unser Eisen direkt in Form von Eisen-Ionen aufzunehmen.

Und Eisen-Ionen findet man reichlich in Muskelfleisch: Dieses enthält das Protein Myoglobin, welches wie das Hämoglobin im Blut eisenhaltiges Häm enthält, um Sauerstoff von den Blutgefässen in die einzelnen Muskelzellen transportieren zu können.

Auch viele Pflanzen enthalten Eisen – allerdings oft in Form von -Ionen, die ausserdem teilweise noch an Kohlenhydrate gebunden sind. Da der menschliche Körper nur mit -Ionen etwas anfangen kann, muss er das pflanzliche  erst von den Kohlenhydraten los bekommen und zu  reduzieren. Eisen über diese Umwege aufzunehmen ist so “mühsam”, dass ein guter Teil davon den Verdauungstrakt ungenutzt wieder verlässt. Physiologen und Ernährungsexperten sagen, es ist “schlecht bioverfügbar”.

Allerdings können auch Pflanzen Ferritin und darin gespeichertes Eisen enthalten – dieses ist deutlich besser bioverfügbar als freies .

 

Wie kommt das Eisen in unseren Körper?

Eisen wird vornehmlich im Zwölffingerdarm – also dem ersten Dünndarmabschnitt gleich nach dem Magen – aufgenommen. Dort trifft der stark saure Mageninhalt mit basischen Sekreten zusammen, die die Magensäure neutralisieren. So lange ihre Umgebung sauer ist, lösen sich – und -Ionen gut in Wasser. Bei neutralem oder basischem pH-Wert tun sich jedoch besonders – und -Ionen zu unlöslischen Eisen-Hydroxiden zusammen, die nicht vom Körper aufgenommen werden können.

Deshalb müssen -Ionen vor der vollständigen Neutralisation aus (pflanzlicher) Nahrung herausgelöst (das geschieht schon im Magen), reduziert und von den Darmzellen aufgenommen werden. Für den letzten Schritt ist ein spezielles Protein zuständig, das zweifach positiv geladene Metall-Ionen (neben  auch Zink-, Mangan-, Cobalt- und viele andere nützliche und weniger nützliche Ionen) aus dem Darminhalt in die Zellen pumpen kann. Im Menschen-Darm dient dieses Protein allerdings vornehmlich dem Transport von Eisen.

Wenn dieses Tansport-Protein aus irgendeinem Grund nicht funktioniert (zum Beispiel weil das Gen dafür defekt ist), bleibt nur noch ein effektiver Weg für die Eisen-Aufnahme: Die Aufnahme von kompletten Häm-Molekülen samt darin gebundener -Ionen durch dafür geschaffene Transport-Proteine. Und die Häm-Moleküle finden sich wie bereits erwähnt in Muskelfleisch.

Der grosse Vorteil dieses Weges besteht darin, dass das Häm das Eisen vor unerwünschten Reaktionen schützt. Der pH-Wert seiner Umgebung ist dem Häm-Eisen und seinem Transporter damit ziemlich egal. Auch von anderen Stoffen, die die Aufnahme von freiem Eisen behindern können, zeigt das Häm-Eisen sich unbeeindruckt.

 

Was stört bei der Eisenaufnahme? Was hilft?

Eisen-Ionen können mit vielen organischen Stoffen sogenannte Komplex-Verbindungen bilden, in welchen die elektronenreichen organischen Moleküle den positiv geladenen Eisen-Ionen ganze Elektronenpaare “ausborgen” (mehr zur Komplexbildung könnt ihr bei meiner Grillparty erfahren). Das Ergebnis einer solchen Leihgabe kann so “bequem” (also energietechnisch günstig) ausfallen, dass diese Komplexe sich nicht ohne weiteres wieder zerlegen lassen. In solch stabilen Komplexen gefangene Eisen-Ionen können damit nicht mehr aufgenommen werden.

Stoffe, die Eisen in schwer löslichen Komplexen “fangen”, sind zum Beispiel

  • Pflanzliche Polyphenole (Hülsenfrüchte, Tannine in schwarzem Tee)
  • Phytate, die Salze der Phytinsäure (Getreide, Nüsse, Hülsenfrüchte)
  • Polysaccharide (also verkettete oder vernetzte Zucker-Moleküle) ausser Stärke (Getreide)
  • Oxalate, die Salze der Oxalsäure
  • Phosphat-Anionen

Wer also seinen Eisenbedarf mit pflanzlicher Nahrung decken möchte, ist gut beraten, Zutaten mit diesen Inhaltsstoffen in eisenhaltigen Mahlzeiten zu meiden (laut der Eisen-Infoseite der Uniklinik Hamburg-Eppendorf kann eine einzige Tasse schwarzen Tees zum Essen fast eine ganze Eisen-Mahlzeit “unbrauchbar” machen!).

Die Eisenaufnahme fördern kann dagegen Vitamin C (Ascorbinsäure) in der Nahrung. Dieses Vitamin wirkt nämlich reduzierend (weshalb es auch als “Antioxidans” bekannt ist) – auch auf -Ionen, die durch die zeitige Reduktion zu -Ionen vor dem “Gefangenwerden” geschützt werden.

Der sicherste Weg zur effektiven Eisen-Aufnahme führt letztlich über das Häm-Eisen aus dem Myoglobin im Fleisch, das nicht von Komplexbildnern abgefangen und so ohne Verlust mit allem gegessen werden kann.

 

Was tun bzw. essen bei Eisenmangel?

Die genannten Hindernisse machen es schwer, wenn nicht gar unmöglich, entleerte Eisenspeicher durch blosses Essen wieder aufzufüllen. Deshalb können Ärzte Eisenpräparate zum Einnehmen als Nahrungsergänzung verschreiben. Solche Mittel enthalten in der Regel “freie” oder in leicht zerlegbaren Komplexen gebundene -Ionen und oft ein Antioxidans, das die Rolle des Vitamin Cs übernimmt. Damit soll das Eisen bestmöglich bioverfügbar gemacht werden. Gegen die oben genannten “Eisenfänger” sind jedoch auch solche Nahrungsergänzungsmittel nicht gefeit, sodass sie wirkungslos werden, wenn man sie mit der falschen Begleit-Nahrung einnimmt.

Deswegen wird meist die Einnahme auf nüchternen Magen empfohlen – denn keine Begleitung ist zumindest keine falsche Begleitung. Zudem muss Eisen als Nahrungsergänzung oft über Monate eingenommen werden, bis die Eisenspeicher wirklich wieder aufgefüllt sind. Vegetarier und Veganer sind überdies gut beraten, ihre Eisenreserven im Blick zu behalten und ggfs. dauerhaft Eisenpräparate einzunehmen, da ihnen das Häm-Eisen als wichtige Quelle fehlt.

So kann ich nachvollziehen, dass mein Hausarzt mir und sich die Mühe mit allenfalls mässigen Erfolgsaussichten nicht machen wollte und mir das Eisen direkt ins Blut befördert hat.

 

Rotes Essen zum Erhalt vorhandener Eisen-Reserven?

So lange die Eisenspeicher noch nicht entleert sind und es nur gilt, einen möglicherweise erhöhten Eisenverlust bzw. -bedarf auszugleichen, ist fleischhaltige Nahrung die sicherste Quelle dafür. Denn Fleisch enthält Myoglobin und damit Häm-Eisen – und sieht deshalb in rohem Zustand rot aus. In sofern gibt es beim Fleisch tatsächlich einen Zusammenhang zwischen roter Farbe und Eisengehalt.

Bei rotem Obst und Gemüse dürfte das Zusammentreffen von roter Farbe (die vornehmlich ein Zeichen von Reife ist) und Eisengehalt eher zufällig sein – zumal vorhandenes Eisen noch lange nicht bioverfügbar sein muss!

 

Fazit

Die Aufnahme von Eisen über die Verdauung ist nicht einfach. Am einfachsten wird Häm-Eisen aufgenommen, eine Eisenverbindung, die tatsächlich rot und ein Bestandteil von Fleisch ist.

Die Aufnahme von pflanzlichem Eisen ist komplizierter und wird durch viele andere Pflanzen-Inhaltsstoffe erheblich beeinträchtigt. So enthalten viele als eisenreich geltende Pflanzen (Hülsenfrüchte, Nüsse, Spinat,…) auch Komplexbildner, die das Eisen unbrauchbar machen können – und sind zudem nicht rot.

Dass Erdbeeren, laut meiner einstigen Hausärztin eine gute Eisenquelle, rot sind, ist demnach ein Zufall. Der Mythos, dass rote Pflanzenteile viel Eisen enthalten, könnte darauf zurückgehen, dass Eisen für seine roten Oxide wie Rost oder Hämatit weithin bekannt ist und so mit dieser Farbe in Verbindung gebracht wird.

Und wie steht es um euren Eisenhaushalt? Wie stellt ihr eure Versorgung mit diesem Mineralstoff sicher?

WC-Reiniger enthalten Säure : Achtung ätzend!

Wie funktioniert WC-Reiniger? Gibt es Hausmittel-Alternativen? Dies sind die Leser-Fragen der Woche.

Die meisten unter euch kennen sie wahrscheinlich – wie ich – als relativ dicke, knallig gefärbte Flüssigkeit aus der Flasche mit dem seltsamen Entenhals. Doch die Mutter aller WC-Reiniger war ein festes Granulat zum Aufschäumen. Farbgebung und Geruch dieser Substanzen lassen auch den Otto-Normalverbraucher erahnen, dass mit ihnen nicht zu spassen ist. Doch was verbirgt sich wirklich dahinter?

 

Woraus bestehen WC-Reiniger?

Die vielleicht wichtigsten – und oft nicht auf der Verpackung aufgeführten – Bestandteile von flüssigen WC-Reinigern sind Säuren. Das können Salzsäure (), Phosphorsäure () oder Salpetersäure () sein. Diese Säuren verleihen dem üblichen WC-Reiniger einen pH-Wert von etwa 1 (ich habe das mit einem einfachen pH-Streifen an dem Reiniger aus der Entenhals-Flasche nachgemessen!), was in etwa unserer Magensäure entspricht.

Dazu kommen Tenside, also “Seife”, Farb- und Duftstoffe sowie irgendeine Form von Verdickungsmittel.

Feste WC-Reiniger-Granulate enthalten zusätzlich Salze wie Soda (Natriumcarbonat, ) oder Natron (Natriumhydrogencarbonat, ), die in Wasser mit sauren Bestandteilen reagieren und dabei -Gas freisetzen, welches das Ganze aufschäumen lässt (dieser Effekt lässt sich für spektakuläre Experimente nutzen).

 

Wie funktionieren WC-Reiniger?

Der wichtigste Wirkstoff in WC-Reinigern ist die Säure. Die reagiert nämlich mit festem Kalk () und Urinstein zu wasserlöslichen Stoffen, die leicht abgebürstet und weggespült werden können.

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Von starken und schwachen Säuren

Eine Säure ist ein Stoff, der -Ionen abgeben kann. Dabei bleibt zwangsläufig ein Anion übrig, welches theoretisch das oder die -Ion(en) wieder aufnehmen kann: Das Anion ist eine Base. Allerdings ist das Bestreben, -Ionen abzugeben, nicht bei jeder Säure gleich stark. So gilt, wenn sich zwei Säuren begegnen, die Regel: Die stärkere Säure gibt -Ionen an die Anionen der schwächeren Säure ab – und löst diese Anionen dazu notfalls auch aus einem Salzkristall:

Salzsäure ( in Wasser)* ist eine starke, Kohlensäure () eine schwache Säure. So führt die Gegenwart von Salzsäure dazu, dass sich die Anionen der Kohlensäure (Carbonat, ) aus dem festen Kalk (einem Ionenkristall) lösen, um je 2 -Ionen aufzunehmen. Anders als Calcium- und Carbonat-Ionen sind Calcium- und Chlorid-Ionen gemeinsam in Wasser gut löslich und können einfach fortgespült werden.

*Für jene, die es ganz genau nehmen: Tatsächlich ist Wasser auch eine Base, sodass Chlorwasserstoff-Moleküle () all ihre -Ionen erst einmal an Wasser-Moleküle abgeben:

Das Hydronium-Ion  ist damit in Wirklichkeit die stärkere Säure in der ersten Reaktion, welche die Kohlensäure aus dem Kalk freisetzt.

Und wer meine früheren Beiträge, zum Beispiel zum Experimentieren mit Natron und Essig, aufmerksam gelesen hat, weiss auch, dass freie Kohlensäure in Wasser nicht beständig ist. Stattdessen zerfällt sie in Wasser und -Gas – ein Umstand, der, wie Le Chatelier auf dem Flughafen zu erklären weiss, das Auflösen von Kalk in Säuren nur mehr fördert.

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Und was ist Urinstein?

Urinstein ist ein gelblich-braunes Kristallgemisch, das durch die Reaktion von Urin-Bestandteilen mit im Spülwasser gelöstem Kalk bei basischem, also hohem pH-Wert entsteht. Er kann unter anderem die schwerlöslichen Salze Calcium- und Magnesiumcarbonat, -sulfat, -oxalat, -phosphat, -hydroxid sowie ebenfalls abgelagerten Harnstoff (eine elektrisch ungeladene organische Verbindung) enthalten.

Poröse Ablagerungen von Kalk und Urinstein können Bakterien eine Heimat bieten, die wiederum mit ihren Stoffwechselausscheidungen für einen basischen pH-Wert in ihrer Umgebung sorgen können.

In Gegenwart von Säure lösen sich die Urinstein-Bestandteile jedoch leichter in Wasser, sodass saure WC-Reiniger auch bei der Entfernung von unschönem Urinstein samt enthaltener Bakterien (die in stark saurer Umgebung meist nicht lange überleben) helfen.

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Die ausserdem im WC-Reiniger enthaltenen Tenside helfen mit ihrer Super-Waschkraft, angelöste Ablagerungen gänzlich von den Oberflächen im WC zu lösen. Ausserdem verbleiben zähflüssige WC-Reiniger länger auf den verschmutzten Oberflächen als dünnflüssigeres Wasser, sodass die Säuren Zeit zum Reagieren haben.

Die knalligen Warnfarben der WC-Reiniger-Flüssigkeit dienen schliesslich in meinen Augen der Abschreckung: Was giftig blau erscheint, nehmen wir meist instinktiv als “nicht zum Verzehr geeignet” wahr – und in den Mund genommen oder gar verschluckt können die ätzenden Flüssigkeiten unseren Schleimhäuten und schlimmstenfalls unserem Leben sehr gefährlich werden.

 

Welche Gefahren gehen von WC-Reinigern aus?

Kontakt mit Umgebung und anderen Reinigern

WC-Schüsseln bestehen in der Regel aus Keramik, die nicht mit Säuren reagiert und daher problemlos damit gereinigt werden kann. Das gilt jedoch nicht für Marmoroberflächen im Bad, kalkhaltige Füllungen von Fliesen-Fugen und einige Kunststoffe und Textilien! Gebt also gut acht, dass eure WC-Reiniger-Flüssigkeit nur dahin gelangt, wo sie hin soll (nämlich in die WC-Schüssel).

Die Säuren im WC-Reiniger können zudem mit starken Basen (zum Beispiel in Abflussreinigern!) unter Freigabe von viel Energie reagieren: Gebt das eine nicht mit dem anderen zusammen – schäumende und spritzende ätzende Flüssigkeit und aufsteigende ätzende Dämpfe wären die gefährliche Folge!

Gebt besonders mit chlorhaltigen Bleichmitteln (Javel-Wasser!) acht: Die Säuren können aus solchen hochgiftiges Chlor-Gas freisetzen! Bringt also niemals Javel-Wasser und WC-Reiniger zusammen!

Gesundheit

Doch auch WC-Reiniger als solche wirken ätzend, aber mindestens reizend auf Haut und Schleimhäute. Haltet sie – wie alle Reinigungsmittel – von Kindern (und allen anderen, bei welchen der Instinkt “knatschbunt ist nicht essbar” nicht funktioniert) fern. Wenn ihr selbst etwas davon auf die Haut bekommt, spült es rasch mit viel Wasser ab. Bei Schleimhaut-Reizungen entfernt euch von den Dämpfen und geht an die frische Luft. Solltet ihr einen Spritzer in die Augen bekommen, spült sie mehrere Minuten lang gründlich mit Wasser und geht bestenfalls zur Sicherheit zum Augenarzt.

Wenn trotz aller Vorsicht jemand WC-Reiniger verschluckt hat: Ruft in der Giftnotruf-Zentrale (Schweiz, Deutschland, Österreich) an, lasst euch Anweisungen geben und alarmiert schlimmstenfalls gleich den Rettungsdienst. Grundsätzlich gilt nach Verschlucken ätzender Stoffe: Kein Erbrechen herbeiführen, viel Wasser oder anderes Getränk (ohne Kohlensäure, ohne Alkohol) schluckweise trinken.

Umwelt

Nahezu alle Lebewesen sind für eine Umgebung mit mehr oder weniger neutralem pH-Wert (pH = 7) geschaffen. Starke Säuren in grossen Mengen sind also nahezu jedem Leben abträglich – je kleiner die Lebewesen, desto schneller. Je stärker eine Säure verdünnt ist, desto weniger gefährlich ist sie allerdings.

Lasst deshalb unverdünnten WC-Reiniger nicht in die Umwelt gelangen. Braucht ihn möglichst ganz auf – und wenn ihr doch einmal grössere Reste loswerden möchtet, bringt sie zur Sondermüll-Entsorgung. Kleine Reste können mit viel Wasser in den Ausguss gespült werden.

Es ist zwar möglich, WC-Reiniger vor der Entsorgung mit Natriumcarbonat-Lösung oder verdünnter Natronlauge zu neutralisieren, allerdings erfordert das Sicherheitsmassnahmen (Schutzbrille, ggfs. Handschuhe!), eine Möglichkeit, den pH-Wert zu messen, viel Umsicht und einiges an Geschick, sodass dieses Vorgehen im Haushalt kaum praktikabel ist.

Verwendet WC-Reiniger daher grundsätzlich sparsam und spült nach der Reinigung der WC-Schüssel reichlich nach!

 

Gibt es Hausmittel-Alternativen für WC-Reiniger?

Vor der Markteinführung von WC-Reinigern in den 1950er Jahren wurden WCs mit verdünnter Salzsäure gereinigt. Die ist dünnflüssig und farblos, sodass man ihr ihre ätzenden Eigenschaften äusserlich nicht ansieht. So findet man Salzsäure heute nur noch selten bis gar nicht im Putzmittelregal – dafür aber etwas anderes: Haushaltsessig.

Auch Essigsäure ist eine stärkere Säure als Kohlensäure und in der Lage, Urinstein aufzulösen – wenn sie auch nicht ganz so stark ist, wie die im WC-Reiniger enthaltenen Säuren. Damit eignet sich auch Haushaltsessig – eine Lösung von etwa 10% Essigsäure oder mehr (“Essigessenz”) in Wasser – zum Reinigen von WCs, auch wenn man damit vielleicht etwas kräftiger schrubben muss. Denn der dünnflüssige Essig haftet weniger gut auf der Keramik-Oberfläche und reagiert weniger schnell mit den Ablagerungen darauf.

Dafür ist Haushaltsessig generell weniger stark ätzend als Salzsäure und Co und grundsätzlich haut- und umweltverträglicher (im Allgemeinen gelten die gleichen Sicherheitsvorkehrungen wie für die starken Säuren – die Gefahr ernster Verletzungen ist aber geringer).

Mit Marmor und anderen carbonathaltigen Stoffen reagiert Essig allerdings ebenso wie andere Säuren. Das gilt auch für Javel-Wasser und basische Abflussreiniger. Gebt diese auch mit Essig nie zusammen!

 

Fazit

WC-Reiniger sind meist flüssige Reinigungsmittel, die starke Säuren enthalten. Sie lösen Kalk und Urinstein in der WC-Schüssel, reagieren aber ebenso gut mit säureempfindlichen Stoffen wie Marmor oder Körpergeweben. Beim Umgang damit ist daher Vorsicht angesagt!

Haushaltsessig ist ebenfalls eine – wenn auch schwächere – Säure und eignet sich damit auch zum Reinigen von WCs, auch wenn er weniger effektiv ist.

Damit haben WC-Reiniger in meinen Augen durchaus eine Daseinsberechtigung – wenn sie sparsam eingesetzt werden. Ich setze meinen Reiniger alle ein bis zwei Wochen ein. So können sich keine nennenswerten, hartnäckigen Ablagerungen bilden, sodass ich jeweils mit relativ wenig Reinigungsflüssigkeit auskomme. Nach dem Schrubben leere ich dann zwei komplette Spültanks, um alles sorgfältig und verdünnt wegzuspülen.

Und wie reinigt ihr eure WCs?

Mit Aluminium gegen Flugrost?

Als ich die Spülmaschine ausräumte, fiel mir ein, dass wir früher mal ein Stück Alufolie mit hineingetan haben, um den Flugrost zu minimieren bzw. “zu fangen”. Kennst du das bzw. macht das Sinn?

Diese Frage hat nicht nur ein Keinsteins-Kiste-Leser. Sie tauchte zudem vor knapp 2 Wochen zur Prime-Time im Fernsehen auf, als ein Erfinder den Investoren in der “Höhle der Löwen” einen Flugrost-Fänger für die Spülmaschine vorstellte, der nach dem gleichen Prinzip funktionieren soll.

Deshalb gewähre ich euch hier einen Einblick in die Chemie dahinter (denn Chemie ist überall und alles ist Chemie – das gilt auch für dieses Gadget, wie Ole von Bananabond bereits festgestellt hat). Und ich verrate euch ein “Hausmittel”, das den gleichen Zweck erfüllt – und eine Möglichkeit zur Vorbeugung von Flugrost, die das eine wie das andere unnötig machen kann!

 

Was ist Flugrost?

Rost mit einer chemischen Formel zu beschreiben ist längst nicht so einfach wie bei vielen anderen Stoffen. Das liegt daran, dass Rost nicht einfach „ein Stoff“ ist, sondern sich gleich aus mehreren zusammensetzt.

Rost als Stoffgemisch

Eine chemische Formel für Rost, die dieses Stoffgemisch zu beschreiben sucht, lautet:

In Worten: Rost ist ein wasserhaltiges Gemisch aus verschiedenen Eisenoxiden.

Diese Eisenoxide sind Salze. Das heisst, sie bestehen aus Eisen- ( bzw. )Ionen und Oxid-()-Ionen, also elektrisch geladenen Atomen der Elemente Eisen und Sauerstoff. Solche Ionen entstehen, wenn ungeladene Atome der jeweiligen Elemente Elektronen abgeben bzw. aufnehmen – also eine chemische Reaktion eingehen.

Chemische Reaktionen, bei welchen in dieser Weise Elektronen weitergegeben werden, nennt man Redox-Reaktionen. Das Abgeben von Elektronen wird dabei Oxidation genannt, das Aufnehmen von Elektronen heisst Reduktion.

Bei der Entstehung von Rost geben Eisen-Atome Elektronen ab, die letztlich von Sauerstoff-Atomen aufgenommen werden. Wie das genau vor sich geht, könnt ihr in meinem Artikel über Rost nachlesen.

Damit Rost entsteht, braucht es also Eisen-Atome, die Elektronen abgeben können, und Sauerstoff-Atome, die die Elektronen aufnehmen. Ausserdem werden für die erfolgreiche Elektronen-Übergabe in diesem Fall Wasser-Moleküle benötigt.

Wie der Rost das Fliegen lernt

Die Eisen-Atome können dabei Teile eines massiven Stücks Metall sein oder winzige, frei bewegliche Staubpartikel bilden. Staubpartikel haben im Vergleich mit einem Metallstück sehr viel mehr Oberfläche, die mit Sauerstoff und Wasser in Kontakt kommen kann. So werden sie besonders leicht oxidiert – und die entstehenden Eisenoxid-Partikel setzen sich gern auf anderen Metalloberflächen – selbst “rostfreiem” Stahl – ab: Es scheint, als komme der Rost “angeflogen”.

Da der Flugrost sich von aussen absetzt, lassen sich diese Flecken leicht abwischen. Lästig ist das aber allemal, und wirklich schön sieht das Ganze meist nicht aus.

 

Wie kann man die Flugrost-Entstehung verhindern?

Für eine Redox-Reaktion braucht es immer zwei Partner: Einen, der Elektronen abgibt, und einen, der sie aufnimmt. Dabei ist jedem Stoff ein ganz “persönliches” Bestreben, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen – das sogenannte Redox-Potential – zu eigen. Und nur, wenn diese beiden Partner zueinander passen – der eine also lieber Elektronen aufnimmt als der andere (der lieber welche abgibt) – kann eine Redox-Reaktion stattfinden.

Bei der Rost-Entstehung ist es der Sauerstoff, der sehr danach strebt, Elektronen aufzunehmen, und nur auf einen Reaktionspartner wartet, welcher ihm Elektronen überlässt. Was also, wenn sich ein Reaktionspartner findet, der leichter Elektronen abgibt als Eisen? Genau: Dann holt sich der Sauerstoff seine Elektronen dort! Denn die Natur ist einmal mehr sehr bequem.

Ersatz für Eisen als Elektronen-Spender

Ein solcher Stoff, der in unserem Alltag verbreitet ist, ist das Metall Aluminium (andere Kandidaten sind zum Beispiel Magnesium oder Zink). Aluminium gibt so leicht Elektronen ab, dass es an feuchter Luft eigentlich kaum beständig ist, sondern rasch zu Aluminiumoxid bzw. Aluminiumhydroxid reagiert.

Dass wir trotzdem Aluminiumwerkstücke herstellen und an normaler Luft verwenden können, haben wir dem Umstand zu verdanken, dass eine oxidierte Aluminium-Oberfläche (anders als eine Eisen-Oberfläche) so dicht mit Ionen bedeckt ist, dass die ungeladenen Aluminium-Atome darunter unter normalen Umständen gar nicht mit weiterem Sauerstoff in Kontakt kommen. So können keine weiteren Elektronen übergeben werden – und das Metall-Stück bleibt intakt.

In einer laufenden Spülmaschine sind die Umstände allerdings alles andere als normal: Es ist nass, es ist warm, und Luft-Sauerstoff ist auch noch da. Ausserdem können die Inhaltsstoffe im Spülmittel die Umstände weiter beeinflussen. So ist Aluminium-Metall in der Spülmaschine in der Lage, Eisenstaub beim Liefern von Elektronen an Sauerstoff zuvor zu kommen. Anstelle von Eisen wird also Aluminium oxidiert. Die dabei entstehenden Salze sind farblos (also “weiss”) – nicht rostrot – und setzen sich weniger leicht auf Stahloberflächen ab. So entstehen keine rostroten Partikel, die unangenehm auffallen könnten.

Ohne Opfer geht es nicht

Der Haken daran: Die Aluminium-Atome, die durch die Abgabe von Elektronen zu Aluminium-Ionen werden, sind für die weitere Flugrost-Abwehr verloren. Überdies werden die Aluminium-Salze früher oder später mit dem Abwasser fortgespült.

Ein Aluminium-Metallstück in der Spülmaschine wird also immer weiter schrumpfen und irgendwann verbraucht sein. Deshalb wird solch ein Metallstück unter (Elektro-)Chemikern auch als Opfer-Anode bezeichnet: Es wird zum Schutze anderer Materialien vor der Sauerstoff-Korrosion geopfert.

 

Hausmittel zum Flugrost-fangen

Es ist nicht unbedingt nötig, eigens Aluminium-Rostfänger zu kaufen. Denn das Metall findet ihr auch anderswo im Haushalt. Ein locker zu einem Ball gerolltes Stück Aluminiumfolie (zum Abdecken von Lebensmitteln) erfüllt zum Beispiel den selben Zweck. Da seine Oberfläche viel grösser ist als die eines massiven Metallblocks, dürfte sie sogar noch effektiver sein – allerdings auch noch schneller verbraucht werden.

Eine weitere Möglichkeit haben mein Mann und ich zu Anfang unseres gemeinsamen Lebens eher ungewollt angewendet, indem wir unseren Sparschäler mit Aluminiumgriff mit in die Maschine getan haben. Der betätigt sich nämlich auch als Opfer-Anode – geht allerdings früher oder später dabei drauf.

Sparschäler passiviert und nach einigen Maschinen-Spülgängen korrodiert

Links: Sparschäler wie neu – wird von Hand abgewaschen: das Metall ist matt, aber inakt; Rechts: Sparschäler nach einigen Spülgängen in der Maschine: die Oberfläche ist sichtlich angegriffen

Aber ob Folie, Sparschäler oder kommerzieller Rostfänger: Die Herstellung von Aluminium-Metall kostet grosse Mengen an Energie und ist nicht gerade das, was viele als “umweltschonend” bezeichnen (Ole “Bananabond” geht genauer darauf ein). Und wer sich Gedanken über Aluminium-Salze in Deodorants macht, sollte sich ebenso Gedanken über Aluminium-Salze im Spül-Abwasser machen. Deshalb tut ihr gut daran, euch zu überlegen, ob ihr einen Flugrost-Fänger wirklich braucht.

 

Flugrost vorbeugen

Ich selbst hatte nämlich nur so lange mit Flugrost in der Spülmaschine zu tun, wie ich die scharfen Schneidemesser in der Maschine mitgewaschen habe.

Die heute in der Küche gängigen Stähle sind nämlich durch Mischung der Eisen-Atome mit Chrom und anderen Elementen so hart geschaffen und glatt verarbeitet, dass sie weder am Stück rosten noch abgeschliffen werden. So können erst gar keine Eisenstaub-Partikel, die rosten könnten, entstehen.

Einzig die scharfen Messer bilden offensichtlich eine Ausnahme: Eine geschliffene Messerklinge läuft an der Kante so dünn zusammen, dass das Atomgemisch, aus dem der Stahl besteht, Luft und Wasser ganz besonders ausgesetzt ist. So können sich dort offenbar doch Eisen-Atome herauslösen und Flugrost bilden.

Seit ich die scharfen Messer – ebenso wie die Alu-Sparschäler – mit der Hand abwasche, habe ich jedenfalls keinen Flugrost mehr an meinem Edelstahl-Besteck (ich verwende “All-in-One”-Spülmaschinentabs von wechselnden Herstellern).

Und habt ihr schon Flugrost in der Spülmaschine beobachten können?