Seltene Erden : Mine in Ytterby

Was sind “seltene Erden”? Warum ist dieser Name eigentlich irreführend? Was haben die chemischen Elemente, die diese Bezeichnung tragen, gemeinsam? Und warum haben sie gerade in den letzten Jahren häufig Schlagzeilen gemacht?

Das Artikelbild zeigt die aufgelassene Grube Ytterby heute (By Svens Welt (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons). Traditionell statten alle Empfänger eines Nobelpreises dieser Fundgrube einzigartiger chemischer Elemente einen Besuch ab. Denn vor über 200 Jahren begann dort die Geschichte der seltenen Erden.

Ein Ausflug in die Geschichte: Als die seltenen Erden noch selten waren

Ytterby, Schweden, 1787. Leutnant Carl Axel Arrhenius streift über die Abraumhalden der Grube nahe des kleinen Dorfes auf einer Insel vor Stockholm. Schon seit dem sechzehnten Jahrhundert hat man hier Quarz für die Eisenhütten der Umgebung abgebaut, und neuerdings gewinnt man ausserdem Feldspat für die Porzellan- und Glasindustrie. Arrhenius interessiert sich jedoch nicht für diese beiden gar zu häufigen Mineralien, sondern für das, was die Minenarbeiter unweigerlich mit ihnen zu Tage fördern und als unbrauchbar auf den Halden entsorgen. Für den Leutnant ist die Stationierung im nahen Vaxholm ein Glücksfall, gibt sie ihm doch die Gelegenheit, hier in Ytterby seinem grossen Hobby, der Geologie, nachzugehen und nach Mineralien zu suchen.

Die Abraumhalden von Ytterby haben schon manch interessantes Fundstück für ihn bereit gehalten, sodass es Arrhenius immer wieder hier hinaus zieht. Doch was er nun in der Hand hält, ist wahrhaft aussergewöhnlich. Der schwarze Stein, ein raues Felsbruchstück, ist bemerkenswert schwer, und Arrhenius’ Sammlerinstinkt lässt ihn ahnen: Das ist etwas ganz besonderes.

Gadolinit : Mineral mit seltenen Erden

Gadolinit: Grosser Einkristall (8.2 x 7.1 x 5.2 cm), Tuftane-Steinbruch, Frikstad, Norwegen (by Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

 

Welch ein Glück, dass er mit einigen der berühmtesten skandinavischen Chemiker seiner Zeit bekannt ist, und diese sich der Untersuchung seines seltsamen Fundstücks annehmen. Professor Johan Gadolin von der Universität von Åbo gelingt schliesslich eine vielversprechende Analyse: Rund 38% des schwarzen Minerals bestehen demnach aus einer ganz neuartigen “Erde”, welche Gadolin aus seinen Proben aus Ytterby isolieren kann. Als “Erden” bezeichnen die Chemiker zu dieser Zeit die Oxide der Metalle – die Begriff “Oxid” ist wesentlich jüngeren Datums.

Gadolins Erde erhält nach ihrem Herkunftsort den Namen “Yttererde”, und der Chemiker erkennt, dass darin ein neues Element enthalten ist. Später erhält dieses Element – wiederum nach dem Ort seiner ersten Entdeckung – den Namen Yttrium, während das schwarze Mineral zu Ehren seines Untersuchers “Gadolinit” genannt wird.

Die eigentliche Überraschung, welche dieses Mineral in sich birgt, wird jedoch erst im Laufe eines Jahrhunderts voller Arbeit vieler Chemiker offenbar: Die Yttererde besteht nicht, wie man annehmen mag, aus reinem Yttriumoxid, sondern lässt sich in mehrere verschiedene Oxide auftrennen! Und mit vielen ähnlichen neuen “Erden” verhält es sich ebenso.

Heute wird die chemische Formel des Gadolinits, welchem die Yttererde entstammt, mit (Ce,La,Nd,Y)2FeBe2Si2O10 angegeben. Damit enthält das Mineral nicht bloss eines, sondern gleich vier Elemente, welche Leutnant Arrhenius und Professor Gadolin ihrerzeit nicht bekannt waren: Yttrium (Y), Cer (Ce), Lanthan (La) und Neodym (Nd). Und die Aufzählung ihrer Symbole innerhalb der runden Klammern deutet an, warum Gadolin sie nicht gleich alle entdeckt hat: Diese Elemente sind sich chemisch so ähnlich, dass sie in natürlichen Kristallen (d.h. Mineralien) stets bunt gemischt vorkommen und mit den Methoden des späten 18. Jahrhunderts kaum zu trennen waren.

Reiche Erzlagerstätten dieser und weiterer einander täuschend ähnlicher Elemente, wie die Mine in Ytterby, sind nicht besonders häufig. So waren wohl auch die Oxide dieser Elemente anfänglich nicht nur neu und merkwürdig, sondern in der Welt der Chemiker und Mineralogen überdies selten, was den Elementen und ihren Verbindungen ihren bis heute verbliebenen gemeinsamen Namen eingebracht haben wird: “Seltene Erden”.

 

Ein Steckbrief der “seltenen Erden”

Seltene Erden sind:

  • nach heutiger Auffassung die Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan und die 14 auf Lanthan folgenden Elemente, die auch “Lanthanoiden” genannt werden: Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium:

Scandium, Yttrium und Lanthan sind sogenannte Übergangsmetalle, die im Periodensystem untereinander stehen. Das bedeutet, ihre Elektronenhüllen sind analog aufgebaut, was allein schon ihre chemische Ähnlichkeit erklärt. Die 14 Lanthanoiden werden (gemeinsam mit den Actinoiden) häufig in einer separaten Zeile unterhalb des Periodensystems aufgelistet, damit das Ganze vernünftig auf ein Blatt Papier passt. Eigentlich gehören sie nämlich in die sechste Periode zwischen Lanthan und Hafnium.

  • auf der Erde gar nicht so selten:

Grössere Seltenerd-Erzlagerstätten sind zwar selten, aber kleine Mengen der Elemente sind über eine Vielzahl von Mineralien und Erzen weit verteilt. So findet man das häufigste Seltenerd-Element Cer auf der Erde häufiger als Kupfer, während das seltenste, Thulium, noch häufiger ist als Silber.

  • einander sehr ähnliche Metalle:

Die elementaren Seltenerdmetalle sind silberweiss, metallglänzend und formbar – typische Metalle eben. Darüber hinaus sind sie in sehr ähnlicher Weise unedel und sehr reaktiv. Alle Seltenerdmetalle sind hochentzündlich, manche Lanthanoiden neigen sogar zur Selbstentzündung an der Luft. Deshalb werden viele Seltenerdmetalle für industrielle Zwecke häufiger in Form stabilerer chemischer Verbindungen verkauft anstatt als reines Metall.

Lanthanoide : Viele seltene Erden sind f-Elemente

Die Lanthanoiden (ausser Promethium) als reine Metalle by Tomihahndorf at the German language Wikipedia [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

 

  • Unverzichtbare Bestandteile der modernen Technik:

Ob als Bestandteil von Nickel-Metallhydrid-(NiMH)-Akkus, in “Supermagneten”, z.B. in Windkraftanlagen und Lasern, Computern, Bildschirmen und Energiesparlampen als Katalysatoren oder gar als Kontrastmittel in der Medizin: In kaum einem Bereich des modernen, technischen Lebens begegnet man den Seltenerd-Metallen nicht. Deshalb sind sie insbesondere für die Industriestaaten als Rohstoffe so unverzichtbar.

  • nicht radioaktiv:

Mit einer Ausnahme: Das Lanthanoid Promethium kommt nur in Form des β-strahlenden Pm-147 mit einer Halbwertszeit von rund 2,6 Jahren in der Natur vor – in kleinsten Mengen als Zerfallsprodukt von Uran in dessen Erzen. Das langlebigste (künstlich erzeugte) Promethium-Isotop ist Pm-145 mit einer Halbwertszeit von 17,7 Jahren. Somit sind alle Promethium-Isotope, die vielleicht einmal in der Materie, welche die Erde formen sollte, enthalten waren, in den viereinhalb Milliarden Jahren Erdgeschichte längst zerfallen.

  • Im Vergleich zu vielen bekannten Schwermetallen nur wenig bis gar nicht giftig:

Viele weitere Bestandteile der Erze (darunter finden sich nicht selten sogar radioaktive Elemente wie Uran und Thorium!), aus welchen sie gewonnen werden, hingegen schon. Deshalb ist der beim Abbau von Seltenerd-Metallen zurückbleibende Schlamm Umwelt und Gesundheit zuliebe sicher zu verwahren oder zu entsorgen.

  • Im Internet für jedermann erhältlich:

In den gängigen Online-Auktionshäusern werden immer wieder Seltenerd-Metalle angeboten. Aber Achtung: Längst nicht alles, was dort als “Seltenerd-Metall” oder bezeichnet wird, ist auch ein solches – dazu zählen nur die oben genannten bzw. in der folgenden Tabelle aufgezählten Elemente!. In der Regel sind reine Seltenerd-Metalle unter einer reaktionsträgen Atmosphäre (meist Argon) in Glasphiolen eingeschlossen, damit sie nicht mit ihrer Umgebung reagieren können. Ein hochwertiger Schaukasten mit allen Lanthanoiden ausser Promethium ist meist für gute 350 Euro bzw. knapp 400 Franken zu haben.

Element Element-symbol Bedeutung des Namens Verwendung in der Technik (Beispiele)
Scandium Sc lat.: Scandia für Skandinavien, wo das erste Erz entdeckt wurde Stadionbeleuchtung, Brennstoffzellen, Laser
Yttrium Y nach Ytterby, dem Ort seines Erstfundes Leuchtdioden, Flachbildschirme, Laser
Lanthan La griech.: lanthanein = versteckt sein Ni-MH-Akkus, Katalysatoren
Cer Ce nach dem zur gleichen Zeit entdeckten Zwergplaneten Ceres Abgas-Katalysatoren, UV-Schutzgläser
Praseodym Pr griech.: prásinos = lauchgrün, didymos = doppelt : der lauchgrüne Zwilling Dauermagnete, Elektromotoren, Glasfarbstoff
Neodym Nd griech.: neos = neu, didymos = doppelt : der neue Zwilling Dauermagnete (z.B. in Windkraftanlagen), CD-Spieler
Promethium Pm nach Prometheus, einer Figur der griechischen Mythologie Leuchtziffern, Wärmebatterien in Raumfahrzeugen (da radioaktiv!)
Samarium Sm nach dem Mineral Samarskit, in welchem es erstmals nachgewiesen wurde Dauermagnete in elektronischen Kleingeräten, auch Raumfahrt
Europium Eu nach dem Kontinent Europa roter Leuchtfarbstoff: Leuchtdioden, Plasmabildschirme, Energiesparlampen
Gadolinium Gd nach dem Mineral Gadolinit Kontrastmittel für die Kernspin- tomographie, grüner Leuchtfarbstoff in Radarschirmen
Terbium Tb nach Ytterby, dem Ort des Erstfundes einer seltenen Erde Dauermagnete, Sonartechnik
Dysprosium Dy griech.: dysprosios = unzugänglich Dotierung von Kondensatoren, Dosimeter, Halogenlampen
Holmium Ho lat.: Holmia für Stockholm, die Hauptstadt Schwedens Laser
Erbium Er nach Ytterby, dem Ort des Erstfundes einer seltenen Erde Laser, Glasfaserkabel bzw. -verstärker
Thulium Tm nach Thule, der Bezeichnung für Skandinavien in der klassischen Antike Dotierung in der Röntgentechnik, Gamma-Strahlenquelle für die Werkstoff- prüfung
Ytterbium Yb nach Ytterby, dem Ort des Erstfundes einer seltenen Erde Kunststoff-Zahnfüllungen, Laser
Lutetium Lu lat.: Lutetia für Paris, die Hauptstadt Frankreichs Beta-Strahlenquelle: Positronen-Emissions-Tomografie

Warum sich die seltenen Erden chemisch so sehr ähneln

Die Seltenerd-Metalle gleichen einander in ihrer Chemie derart, dass selbst die Natur sie ständig miteinander verwechselt: Ein Seltenerd-Erz enthält stets mehrere verschiedene Metalle, deren Ionen ihre Plätze im Kristall wechselweise einnehmen, als gehörten sie allesamt zur selben Ionensorte. Wenn Chemiker versuchen, für solch einen Kristall eine chemische Formel aufzustellen, kommt so etwas herum wie für das schon erwähnte Mineral Gadolinit: (Ce,La,Nd,Y)2FeBe2Si2O10 . Es handelt sich dabei um ein Silikat, also ein Salz einer Kieselsäure, welches neben einem Eisen- und zwei Beryllium-Ionen zusätzlich zwei Seltenerdmetall-Ionen je Formeleinheit enthält. Innerhalb der runden Klammern ist die Auswahl derjenigen Metalle angegeben, aus welcher diese beiden Ionen stammen: Cer, Lanthan, Neodym und Yttrium. Welche beiden dieser Ionen man in einem beliebigen Ausschnitt des Kristalls, für welchen die Formel steht, jeweils antrifft, ist freilich dem Zufall überlassen.

Doch warum sind sich die Seltenerd-Metalle chemisch so ähnlich? Die Chemie eines Atoms, also seine Neigung zu Reaktionen sowie seine “Passform” bei der Entstehung eines Ionenkristalls, wird vom Aufbau seiner Elektronenhülle bestimmt. Und der ist normalerweise von Element zu Element verschieden – einzig die Elemente, die im Periodensystem untereinander stehen (wie Scandium, Yttrium und Lanthan), ähneln sich ein Stück weit, da sich ihre Elektronenhüllen nur in der Anzahl besetzter Energieniveaus (“Etagen” im Elektronenhüllen-Haus) unterscheiden, nicht aber in der Besetzung des massgeblichen äussersten Niveaus.

Die Lanthanoiden unter den seltenen Erden haben alle miteinander eine einzigartige Stellung im Periodensystem inne, da sie die ersten Elemente mit Elektronen in einem zusätzlichen “Zwischengeschoss” sind, dessen Elektronen-“Wohnungen” die Chemiker als f-Orbitale bezeichnen. Das besetzte f-Zwischengeschoss der Lanthanoiden gehört dabei rein formal zur vierten “Etage” des Elektronenhülle, obwohl es in der sechsten Zeile (Periode) des Periodensystems auftauchen und dementsprechend auch erst nach dem ersten Orbital der sechsten “Etage” aufgefüllt werden.

Gemäss den Spielregeln der Chemie sind jedoch die Elektronen der äussersten Schale (die auch als “Valenzelektronen” bezeichnet werden) für das Verhalten eines Atoms entscheidend – bei den Lanthanoiden also die drei Elektronen, welche den ersten drei Positionen in der sechsten Periode des Periodensystems entsprechen. Wie viele Elektronen darüber hinaus im f-Zwischengeschoss sind, ist hingegen ziemlich egal. So wird es niemanden wundern, dass alle Seltenerd-Metalle dreifach positiv geladene Ionen bilden, indem sie ihre drei Valenzelektronen abgeben und damit ihre Aussen-Etage vollkommen entleeren (einige bilden darüber hinaus auch zwei- oder vierfach positiv geladene Ionen, da sie ihre Elektronen noch anderweitig “energetisch günstig” zu sortieren wissen).

Dieser besondere Aufbau der Elektronenhüllen der Lanthanoide hat noch einen weiteren einzigartigen Effekt zur Folge: Normalerweise sind Ionen der Elemente umso grösser, je mehr Elektronen in ihrer Hülle “Wohnungen” bzw. Orbitale besetzen. Logisch, denn je mehr bewohnte Wohnungen man haben will, desto höher wird man das Haus bauen müssen.

Bei den Lanthanoiden wirkt sich der Einzug der Elektronen in die Orbitale des f-Zwischengeschosses jedoch nicht auf die Höhe des Hauses aus – gehört dieses Zwischengeschoss doch zur vierten Etage und nicht zur sechsten. Da mit der wachsenden Anzahl Elektronen jedoch auch die positive Ladung des Atomkerns zunimmt, steigt auch die Anziehungskraft, die der Kern auf seine Elektronenhülle ausübt – ohne dass diese durch zusätzliche Wohnungen und Etagen dicker würde. Und diese Anziehungskraft macht sich so stark bemerkbar, dass die Ionen der Lanthanoiden von links nach rechts im Periodensystem tatsächlich kleiner werden, anstatt wie bei allen anderen Elementen grösser! Dieser Effekt, den die Chemiker “Lanthanoidenkontraktion” nennen, ist so stark, dass ein Dysprosium-Ion (das neunte Element in der Reihe der Lanthanoiden) ebenso klein ist wie ein Yttrium-Ion, dessen äusserste besetzte Etage die fünfte anstatt der sechsten ist!

 

Warum in den letzten Jahren so ein Aufstand um seltene Erden gemacht wurde

Ohne die seltenen Erden könnte es unsere High-Tech-Welt, wie sie zur Zeit aussieht, nicht geben. Das zeigt allein schon die oben gelistete Auswahl an technischen Anwendungen dieser einzigartigen Metalle. Ihre Gewinnung ist jedoch mit grossem Aufwand und Risiken für die Umwelt verbunden. Wohl deshalb leistet zu Beginn des 21. Jahrhunderts China weit über 90% der weltweiten Förderung der seltenen Erden – nennt es doch die weltweit grössten zusammenhängenden Vorkommen an Seltenerd-Erzen sein Eigen, welche etwa 30% der weltweiten Reserven ausmachen.

All jene Industriestaaten, die sich die Hände nicht in dieser Weise schmutzig machen wollen, sind damit weitestgehend auf die Einfuhr von seltenen Erden aus China angewiesen. Als die Chinesen 2010 entschieden, die Ausfuhr ihrer seltenen Erden zu beschränken, gerieten ihre Abnehmer somit gehörig ins Schwitzen – denn alternative Quellen waren auf die Schnelle nicht zur Hand. Die Begründung Chinas, die Beschränkung der Umwelt zuliebe einzuführen (Warum sollten wir uns für euch andere die Hände bzw. die Umwelt schmutzig machen?), erschien der Weltöffentlichkeit zudem als reichlich wenig glaubwürdig.

So schien es nur noch zwei Möglichkeiten zu geben einen Engpass in Sachen seltene Erden zu vermeiden: Die Ansiedelung von Hightech-Produktionsfirmen in China, um anstelle der Seltenerd-Erze die fertigen Produkte aus China auszuführen, oder eine Beschwerde bei der Welthandelsorganisation WTO – denn die Ausnutzung eines Rohstoff-Monopols um einheimischen Firmen Wettbewerbsvorteile zu verschaffen ist gemäss den Spielregeln der Weltwirtschaft nicht erlaubt.

Nachdem jene westlichen Firmen, die sich für eine Ansiedelung in China entschieden, auch dort von Benachteiligungen gegenüber den einheimischen Konkurrenten berichteten und eine geplante Erhöhung der Ausfuhrzölle für seltene Erden die Lage noch mehr zu verschärfen drohte, zogen die USA, gefolgt von der EU und Japan, am 13. März 2012 schliesslich vor das Gericht der WTO – und erhielten Recht. Doch obwohl dieser Schiedsspruch schon im Jahr 2013 erfolgte, sträubten die Chinesen sich noch bis Anfang 2015, ehe sie die Ausfuhr der seltenen Erden endgültig freigaben.

Die Ironie dabei: Tatsächlich wurde die Beschränkung der Ausfuhr von seltenen Erden auf rund 31.000 Tonnen pro Jahr nie ausgeschöpft – im Jahr 2013 wurden laut der FAZ gerade einmal 22.493 Tonnen exportiert, bis November 2014 waren es 24.886 Tonnen. Hat China die Ausfuhrbeschränkung also letztlich aufgehoben, weil sie keinen Nutzen mehr hatte?

Wenn der ganze Zwist um die chinesischen seltenen Erden für den Rest der Welt einen Nutzen hatte, dann wohl jenen, dass er diese wichtigen, der Allgemeinheit aber eher unbekannten Elemente populär machte und zum Nachdenken über andere Gewinnungsmöglichkeiten – vor allem durch Recycling von “High-Tech-Abfällen” – angeregt hat und anregt.

Und welche seltene(n) Erde(n) sind euch in eurem Alltag schon begegnet?

Literatur:

[1] L.F.Trueb (2005). Die chemischen Elemente – Ein Streifzug durch das Periodensystem. Stuttgart: S.Hirzel Verlag

[2] Der einmal wirklich gute Wikipedia-Artikel zu den Seltenen Erden

Photovoltaik : Solarpanel im Detail

Wie funktioniert eine Solarzelle? Welche Stoffe können aus Sonnenlicht Strom erzeugen? Und inwieweit ist die Photovoltaik umweltverträglich?

Diese Geschichte ist Peter Lustig gewidmet, der mit seiner Sendung “Löwenzahn” (und später auch “mittendrin”) zu meinen grossen Vorbildern gehört. In meiner Kindheit vor dem Internet-Zeitalter, als Wissen ausserhalb der Schule noch fast ausschliesslich in der Stadtbibliothek zu finden war, weckte “Löwenzahn” nicht nur meine Begeisterung für die Wissenschaft(en) als solche, sondern legte ebenso einen Grundstein für mein Bestreben, gesammeltes Wissen verständlich und alltagsnah weiterzugeben.

Schon 1989 nutzte Peter Lustig die Sonnenkraft, um den joggenden Energie-Baron Rauch und seine Zuschauer gleichsam zu begeistern:

Was damals noch exotisch, wenn nicht gar futuristisch erschien, ist heutzutage für relativ kleines Geld bei jedem Elektronikhändler erhältlich: Solarmodule in allen Grössen, die aus Sonnenlicht Strom erzeugen. Auf unserem Balkon betreiben sie die abendliche Beleuchtung und einen Springbrunnen, während eine tragbare “Powerbank” im Hosentaschenformat bei sonnigem Wetter einen endlos gefüllten Handy-Akku ermöglicht. Und auf dem Dach meines Elternhauses erzeugt ein richtiges kleines Photovoltaik-Kraftwerk seit vielen Jahren schon einen guten Teil des Stroms, den die zwei verbliebenen Hausbewohner verbrauchen. Ich mag mir vorstellen, dass Peter diese atemberaubende Entwicklung in den letzten 17 Jahren mit Begeisterung verfolgt hat – und weiter verfolgt hätte, wenn ihm mehr Zeit beschieden gewesen wäre.

In diesen 17 Jahren habe auch ich zahlreiche weitere Fragen und Antworten rund um die Photovoltaik gefunden und bin auf die Zukunft dieser Technik zur Nutzung der Sonne als schier unerschöpflicher Energiequelle nicht minder gespannt als damals.

Eines verrät Peter Lustig über seine solarbetriebenen Erfindungen allerdings nicht: Wie sie im Einzelnen funktionieren. Die spannenden Vorgänge, welche aus Sonnenenergie elektrischen Strom entstehen lassen, bilden jedoch die Grundlage für alle Gedanken um den Nutzen von Solarmodulen und Aussichten in die Zukunft. Deshalb erzählt dieser Artikel in erster Linie davon, wie Photovoltaik, die Gewinnung von Strom aus Sonnenlicht, im Einzelnen funktioniert und von den Stoffen, welche dafür verwendet werden. Nutzen und Gefahren für die Umwelt, welche diese Technik mit sich bringen, sollen dabei schliesslich nicht zu kurz kommen.

Wie entsteht in Solarzellen Strom?

Elektrischer Strom im Bändermodell

Elektrischer Strom ist ein Strom geladener Teilchen, im Hausgebrauch meist Elektronen, welcher durch ein leitendes Material strömt wie Wasser durch ein Flussbett. Strom erzeugen bedeutet also bewegliche Teilchen bereit zu stellen und sie an den Ort ihrer Bestimmung zu leiten.

Nun sind Elektronen für gewöhnlich fester Bestandteil von Atomen, die unsere Materie bilden. In Farben, Licht und Glanz – Warum die Welt uns bunt erscheint findet ihr die Beschreibung der Elektronenhülle einzelner Atome, in welcher die Elektronen wie auf Etagen eines Hochhauses ihre “Wohnungen” bzw. Energieniveaus beziehen. Zwei Dinge habe ich dort jedoch verschwiegen, weil sie nicht für die Entstehung von Farben, aber umso mehr für die Entstehung von Strom von Belang sind.

  1. Wenn mehrere Atome zu einer Verbindung zusammenfinden, entsteht aus den einzelnen Elektronenhüllen-Häusern eine wahre Vielfalt von bezugsfertigen Energieniveaus – je mehr Atome beteiligt sind, desto mannigfaltiger geht es in der gemeinsamen Elektronenhülle zu. In besonders grossen Atom-Verbünden, wie den Metallen, aber auch in sogenannten Molekülkristallen wie einem Diamanten (ja, jeder Diamant ist ein einziges, riesengrosses Molekül!), kann man sich eine wahre Grossstadt aus Energieniveaus vorstellen.
  2. Wie eine Grossstadt mit ihren Stadtvierteln kann auch der bunte Haufen der Energieniveaus in Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften eingeteilt werden. Die Chemiker nennen diese Bereiche “Bänder” und sprechen vom Bändermodell, wenn sie damit die komplexen Verhältnisse in den Stoffen einfach beschreiben wollen.

Die unteren Geschosse einer Elektronenhüllen-Grossstadt werden darin zu einem Bereich zusammengefasst, in dem es gesittet zugeht, wie in der Geschichte zu den Farben beschrieben: Jedes Elektron hat seinen festen Platz in seinem Atom und kann mit Energiezufuhr allenfalls die Etage wechseln. Dieser Bereich wird “Valenzband” genannt. In einem anderen Bereich werden die bezugsfertigen Energieniveaus jedoch so zahlreich und liegen so dicht beieinander und nebeneinander, dass Elektronen sich darin von einem Atom zum anderen bewegen können, wie durch eine mit Türen verbundene Zimmerflucht. Weil durch dieses Band demnach ein Strom fliessen kann, wird es “Leitungsband” genannt.

Bändermodell : Leiter und Nichtleiter

Darstellung der Elektronenhülle von nichtleitenden und leitenden Stoffen im Bändermodell (nach: Energy Band Model (DE) by Cepheiden (Own work) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

In den Stoffen, die aus Nichtmetallen bestehen – wie zum Beispiel Diamant, findet man das Leitungsband nun bei wesentlich höherer Energie als das Valenzband. Dazwischen liegt ein Bereich, in dem es keine besetzbaren Energieniveaus gibt – die sogenannte Bandlücke.  Die Elektronen solcher Stoffe besetzen allesamt Energieniveaus im Valenzband und haben unter normalen Umständen keine Möglichkeit, die Bandlücke zu überwinden und ins Leitungsband zu gelangen: Diamant und andere Nichtmetallverbindungen leiten keinen Strom – sie sind Nichtleiter.

In Metallen hingegen, die aus besonders dicht gepackten Atomen bestehen, sind die Energien von Valenz- und Leitungsband sich so ähnlich, dass sich die beiden Bänder mindestens teilweise überlappen, d.h. es gibt keine Bandlücke. So haben Elektronen im Valenzband gleichsam die Möglichkeit, sich entlang des Leitungsbandes durch das Metall zu bewegen: Metalle sind elektrische Leiter. Wenn man an ein Metall also eine Spannung – sprich einen Elektronenüberschuss an einem und einen Elektronenmangel am anderen Ende – anlegt, werden die beweglichen Elektronen ähnlich Wassermassen im Flussbett durch das Leitungsband geschoben.

Wie aus Licht Strom entstehen kann

Um jedoch aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen, braucht man einen Stoff, dessen Bandlücke so schmal ist, dass Elektronen aus dem Valenzband sie durch Aufnahme von Lichtquanten (Photonen), überwinden und ins Leitungsband gelangen können. Solch ein Stoff wird Halbleiter genannt: Er leitet nur bei ausreichender Energiezufuhr Strom.

Halbleiter : Bändermodell

Darstellung der Elektronenhülle eines Halbleiters im Bändermodell: Durch Anregung, beispielsweise mittels Lichtenergie, können Elektronen (-) vom Valenz- ins Leitungsband wechseln. Die zurückbleibenden unbesetzten Stellen (Defektelektronen oder “Löcher”) können sich im Valenzband ebenso bewegen wie die Elektronen im Leitungsband. (nach: Energy Band Model (DE) by Cepheiden (Own work) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Wenn ein solcher Halbleiter erst einmal ins Leiten kommt, gelangen nicht nur Elektronen ins Leitungsband und werden dort beweglich, sondern auch die unbesetzt zurückbleibenden Energieniveaus im Valenzband ziehen die Elektronen der Nachbaratome gehörig an. Sobald ein Elektron dieser Anziehung nachgibt, hinterlässt es seinerseits ein anziehendes, unbesetztes Niveau ein Atom weiter. So können sich unbesetzte Niveaus, kurz “Löcher”, ebenso durch das Valenzband bewegen, wie die angeregten Elektronen durch das Leitungsband.

Der Trick, welcher die Stromerzeugung in Halbleitern ermöglicht, besteht darin, in das Netz der Halbleiteratome Fremdatome eines anderen Elements einzuschmuggeln, die etwas andere Energieniveaus als ihre Umgebung haben.  Solche “fremden” Energieniveaus können innerhalb der Bandlücke des Halbleiters liegen und somit “Trittstufen” für anzuregende Elektronen bilden. Das Einschmuggeln von Fremdatomen in Halbleiter nennt man Dotierung (englisch “doping”).

Liegen solche besetzten Energieniveaus im oberen Bereich der Bandlücke, also nahe dem Leitungsband, können die Elektronen daraus leicht ins Leitungsband übergehen – während das in der Bandlücke verbleibende Loch mangels Nachbarn unbeweglich bleibt. Da auf diese Weise mehr negativ geladene Elektronen als Löcher beweglich werden, spricht man von einer n-Dotierung.

Liegen unbesetzte fremde Energieniveaus hingegen im unteren Bereich der Bandlücke, nahe dem Valenzband, können Elektronen aus dem Valenzband leicht auf diese Niveaus angeregt werden, bleiben darin jedoch unbeweglich. Anders verhält es sich mit den so entstehenden Löchern, die gemeinsam mit allen “gewöhnlichen” Löchern durch das Valenzband wandern können. Da ein Loch einer positiven Ladung entspricht, spricht man hier von einer p-Dotierung.

Halbleiter: n-Dotierung vs. p-Dotierung

Dotierung von Halbleitern: Durch das Einbringen von Fremdatomen in sonst gleichförmiges Halbleitermaterial entstehen zusätzliche Energieniveaus, die innerhalb der Bandlücke des ursprünglichen Halbleiters liegen. Ladungen, die darin zu liegen kommen, sind unbeweglich und können sich zu grossflächigen elektrischen Polen (–> Raumladungszone) aufsummieren. (nach: Energy Band Model (DE) by Cepheiden (Own work) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Legt man nun einen n-dotierten Halbleiter direkt auf einen p-dotierten Halbleiter, können die überschüssigen Elektronen aus dem n-Halbleiter ungehindert in den p-Halbleiter einwandern und dort Löcher füllen, ebenso wie überschüssige Löcher aus dem p-Halbleiter in den n-Halbleiter gelangen und gefüllt werden können. Die unbeweglichen Löcher und Elektronen innerhalb der Bandlücke, auch “Raumladungen” genannt, bleiben jedoch wo sie sind. So entsteht auf der n-Seite alsbald ein Überschuss an unbeweglichen Löchern, also ein positiv geladener Bereich, während auf der p-Seite ein Überschuss an Elektronen entsteht, also ein negativ geladener Bereich – kurz gesagt: ein elektrischer Pluspol und ein elektrischer Minuspol wie in einer Batterie!

Alle weiteren beweglichen Ladungen, die innerhalb des Wirkungsbereichs dieser Pole – der Raumladungszone – entstehen oder durch Diffusion in diese hinein geraten, werden von den Polen angezogen und voneinander getrennt: Elektronen wandern in Richtung des Pluspols auf die n-Seite, Löcher in Richtung des Minuspols auf die p-Seite. Sind die Halbleiter, die solch eine Raumleitungszone teilen, Teil eines Stromkreises, können die sortierten Ladungen entlang dieses Kreises fliessen und genutzt werden.

Kurzum: Sonnenlicht-Quanten, die auf einen zweilagigen dotierten Halbleiter fallen können Elektronen über bzw. in die Bandlücke des Halbleitermaterials befördern und somit bewegliche Elektronen bzw. Löcher erzeugen. Wenn dabei eine Raumladungszone zwischen unterschiedlich geladenen, unbeweglichen Polen entsteht, können darin Elektronen und Löcher voneinander getrennt und genutzt werden. Der sonnenbeschienene Halbleiter wird damit zu einer schier endlos funktionierenden Batterie.

Welche Stoffe können das: Woraus bestehen Solarzellen?

Es wird euch wahrscheinlich wenig überraschen, dass unter den chemischen Elementen die Halbmetalle – jene Stoffe, die Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen in sich vereinen – auch als Halbleiter taugen. Denn die Anordnung ihres Valenz- und Leitungsbandes liegt irgendwo zwischen den typischen Anordnungen für Metalle und Nichtmetalle.

Halbmetalle

Halbmetalle: Die hier orange, gelb bzw. gelbgrün dargestellten Elemente haben (in mindestens einer ihrer Erscheinungsformen) teils Metall-, teils Nichtmetall-Eigenschaften. Dementsprechend weisen sie kleine Bandlücken auf, was sie zu Halbleitern macht.

Die meisten dieser Halbmetalle sind auf und in der Erde allerdings ziemlich selten zu finden. Die grosse Ausnahme bildet allerdings das Silicium: Dieser chemische Verwandte des Kohlenstoffs ist das dritthäufigste Element des Planeten Erde (nur Eisen und Sauerstoff sind häufiger). Es gibt kaum ein Gestein oder Sandkorn, das nicht Quarz – Siliciumdioxid – enthält, und die Silikate machen die mit Abstand grösste Gruppe unter den Mineralien aus. Gar 26% der Materie unserer Erdkruste setzen sich aus Silicium zusammen.

Da wundert es nicht, dass 92% der heute produzierten und verwendeten Solarzellen aus Silicium bestehen, denn anders als bei Elementen wie Gallium, Selen oder Tellur, die ebenfalls als Solarzellen-Material taugen, müssen wir uns nicht sorgen, dass das Silicium uns eines Tages ausgehen könnte.

Aus Quarzsand wird zunächst geschmolzenes Silicium gewonnen, welchem sehr kleine Mengen Bor (zur p-Dotierung) bzw. Phosphor (zur n-Dotierung) beigegeben. Aus der fertig aufbereiteten Schmelzen können somit bereits dotierte Silicium-Kristalle “gezüchtet” werden. Diese Kristalle können in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, gesägt werden, sodass möglichst viel Oberfläche dem Sonnenlicht ausgesetzt werden kann.

Elementares Silizium : (noch) Rohstoff Nr.1 für die Photovoltaik

Elementares Silicium: oben links: Polykristallines Silicium am Stück, unten links: polykristalliner Silicium-Wafer (Solarzellen erhalten ihre typische blaue Färbung erst durch eine Deckschicht), rechts: Silicium-Einkristall, der in monokristalline Wafer zersägt werden kann. (oben links und rechts: by Stahlkocher[GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons, unten links: by Armin Kübelbeck (own wafer scanned on a Canon Pixma MP 800) [GFDL oder CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Ein funktionierendes Solarmodul enthält neben solchen Wafern eine zusätzliche Kontaktschicht zur Abnahme des erzeugten Stroms, welche bei heute betriebenen Solarzellen meist aus teurem weil seltenem Silber besteht. Kupfer und Aluminium erfüllen jedoch den gleichen Zweck, sodass es nun an den Herstellern ist, diese günstigeren Materialien zum Einsatz zu bringen.

Wie effektiv ist die Stromgewinnung mit Solarzellen?

Wenn eine Energieform in eine andere umgewandelt wird, so erklärt es die Energie höchstselbst in ihrem Brief an die Menschheit, wird aus einem Teil der ursprünglichen Energie praktisch immer Wärme, ob man das nun will oder nicht. Der prozentuale Anteil der Sonnenenergie, welcher nicht in Wärme, sondern in die angestrebte elektrische Energie umgewandelt werden kann, wird deshalb als Wirkungsgrad einer Solaranlage bezeichnet. Da ist selbstredend, dass Solarzellenhersteller einen möglichst hohen Wirkungsgrad für ihre Module anstreben.

Deswegen werden Solarzellen in verschiedenen Bauweisen entwickelt und hergestellt:

Wer sich die Mühe macht grosse Silicium-Einkristalle zu züchten und daraus Wafer zu schneiden, kann daraus monokristalline Zellen herstellen, die einen Wirkungsgrad von über 20% erreichen können. Das bedeutet, nur 20% der eingefangenen Sonnenenergie wird zu Strom, die übrigen 80% gehen als Wärme verloren.

Preiswerter sind polykristalline Zellen, die aus einem Verbund vieler Siliciumkristalle gesägt werden. Solche sind an ihrer an Eisblumen erinnernde Oberflächenstruktur gut zu erkennen. Sie erreichen jedoch nur einen Wirkungsgrad von 16-18,6%.

Darüber hinaus gibt es sogenannte Dünnschicht-Zellen, die durch Aufdampfen von Siliciumatomen auf eine Trägerfläche geschaffen werden. Solche Zellen finden vornehmlich in Kleinstgeräten, wie z.B. einem Solartaschenrechner, Verwendung. Denn solchen genügt ihr vergleichsweise geringer Wirkungsgrad von 5-7% bis 15% je nach Bauweise.

Eine Alternative zum Silicium stellen Module aus Cadmiumtellurid dar. Diese sind jedoch wegen ihres Gehalts an dem giftigen Schwermetall Cadmium umstritten und haben einen Wirkungsgrad von nur mehr 10%. Aus diesen Gründen werden solche Module in der Schweiz gar nicht erst eingesetzt.

Den wohl höchsten Wirkungsgrad haben aktuell aber wohl Galliumarsenid-Module mit bis zu 41,1%. Da ihre Hauptbestandteile Gallium und Arsen aber relativ selten vorkommen und letzteres zudem giftig ist, sind Module dieser Bauart nicht für den Alltagseinsatz geeignet. In der Raumfahrt hingegen, wo jedes Gramm an zu transportierendem Material Unsummen kostet, ist Galliumarsenid das Material der Wahl für die Solarmodule von Satelliten und Raumfahrzeugen.

Inwiefern belastet die Herstellung  von Solarmodulen die Umwelt?

Der Schmelzpunkt von Silicium liegt bei 1414°C, sodass zur Gewinnung von geschmolzenem Silicium Quarzsand mit Kohle im Lichtbogenofen auf Temperaturen darüber erhitzt werden muss. Um das so entstehende Rohsilicium zu reinigen, wird es bei 300°C mit Chlorwasserstoff (HCl) zu Trichlorsilan (auch bekannt als Silicochloroform oder TCS) (SiHCl3) umgesetzt.

Entstehung_TCS

Trichlorsilan wird schon ab 32°C gasförmig, sodass es sich leicht von den Chlorverbindungen von Verunreinigungen, die allesamt einen viel höheren Siedepunkt haben, trennen lässt. An glühenden Stäben aus reinstem Silicium kann aus dem Trichlorsilan das elementare Silicium wieder zurückgewonnen werden.

Abbau_TCS

Wer aus dem so entstehenden polykristallinen Silicium grosse Einkristalle für monokristalline Wafer gewinnen möchte, muss das Silicium noch einmal schmelzen um daraus die gewünschten Kristalle wachsen zu lassen.

Lohnt sich dieser Energieaufwand?

Die Herstellung von Silicium-Wafern verschlingt also eine ganze Menge Energie in Form von elektrischem Strom, mit welchem die verschiedenen Heizöfen und Maschinen betrieben werden. Da es sich empfiehlt für die Herstellung “umweltfreundlicher” Solarzellen erneuerbare Energien zu verwenden, waren wasserkraftreiche Länder wie Norwegen und Brasilien lange Zeit führend in der Produktion von Rohsilicium, während heute China ganz vorne mit dabei ist.

Das Ergebnis ist jedoch die Mühe wert: Ein modernes Solarmodul braucht zwar circa zwei Jahre, um den für seine Herstellung verbrauchten Strom neu zu gewinnen, kann jedoch (von den Herstellern garantiert!) 20 bis 30 Jahre lang arbeiten. Damit können Solarmodule mindestens 10 mal mehr Strom erzeugen, als ihre Herstellung kostet!

Hinzu kommt, dass reines Silicium nicht nur für Solarmodule, sondern auch für Halbleiterbausteine in Computern gebraucht wird. Der ganze Aufwand lohnt sich also gleich doppelt. Und dazu muss dieses Silicium noch um ein Vielfaches reiner sein als das Solar-Silicium. Was also den hohen Ansprüchen der Chip-Hersteller nicht genügt, kann gut und gerne zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden, ehe es auf dem Abfall landet.

Wie giftig ist die ganze Chemie dahinter?

Silicium selbst ist ein lebenswichtiges Spurenelement, das in fast allen Lebewesen einschliesslich des Menschen vorhanden ist. Sowohl elementares Silicium als auch Quarz, Kieselsäure und ihre Salze, die Silicate, sind somit fast völlig ungiftig.

Das bei der Gewinnung des Reinstsilicium zwischenzeitlich entstehende Trichlorsilan ist ebenfalls ungiftig, bezogen auf die Fähigkeit von Giften sich in Organismen oder der Umwelt anzureichern und Langzeitschäden zu verursachen. Dafür ist es äusserst hoch entzündlich und wirkt, ebenso wie Chlorwasserstoff, der mit Wasser Salzsäure bildet, stark ätzend. So müssen in Anlagen, die mit Trichlorsilan arbeiten, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Sind diese gegeben, ist der Umgang mit diesen Stoffen weitgehend sicher. Vor allem aber entstehen dabei keinerlei giftige Abfälle, wie sie beispielweise die Crux der Kernkraft sind!

Beim Einbau der Silicium-Bauteile in Solarmodule kamen bis in die jüngste Vergangenheit Silber und kleinere Mengen Blei zum Einsatz. Diese beiden Schwermetalle können inzwischen jedoch durch preiswerteres und unproblematischeres Kupfer bzw. Aluminium ersetzt werden.

Die Glasscheiben, die schlussendlich die Solarzellen vor Umwelteinflüssen schützen sollen, dürfen nach Möglichkeit kein Licht über den sichtbaren Bereich hinaus absorbieren (in Wie du dank UV-Filtern deine Ferien geniessen kannst könnt ihr nachlesen, dass “normales” Glas durchaus nicht alles Licht durchlässt), sodass möglichst alles Licht die eigentlichen Solarzellen erreichen kann. Deshalb enthalten manche Solarzellen-Gläser das Halbmetall Antimon (Formelzeichen Sb), welches dem Glas die gewünschte Durchlässigkeit verleiht, wegen seiner chemischen Verwandtschaft zum Arsen aber nicht ganz unumstritten ist. Aus dem Glas austreten kann das Antimon aber nicht so leicht. Anfassen ist also durchaus erlaubt und ungefährlich. Erst wenn Solar-Gläser auf Deponien herumliegen, kann mit der Zeit Antimon ins Grundwasser gelangen.

Was wir tun können: Recycling

Der genannten Schwermetalle wegen und weil sich Solar-Silicium durchaus wiederverwenden lässt, sind Rücknahme und Recycling von Solarmodulen in der europäischen Union mittlerweile gesetzlich vorgeschrieben. Demnach sind Hersteller von Solarmodulen verpflichtet, mindestens 85% ihrer Module zurückzunehmen und zu recyceln. Auch die Schweiz orientiert sich an der WEEE-Direktive der EU. Hier organisiert die Stiftung SENS als Partner des europäischen Verbandes PV Cycle die Rücknahme der Photovoltaik-Module.

Für uns heisst das: Defekte Solarzellen bzw. Photovoltaik-Module gehören, ähnlich wie Elektronik-Schrott, an die dafür vorgesehenen Sammelstellen zurückgebracht!

Wie das Recycling im Einzelnen funktioniert, könnt ihr auf SolarContact nachlesen.

Zu guter Letzt: Wie sehr dient die Nutzung der Sonnenkraft dem Klimaschutz?

Besonders verlockend ist an der Photovoltaik, wie schon Peter Lustig wusste, dass die Gewinnung von Strom aus Sonnenstrahlen, die auf eine Halbmetallplatte fallen, so vollkommen ohne Erzeugung von ungeliebten Abgasen vonstattengeht. Tatsächlich muss aber auch jener “Dreck” mit eingerechnet werden, welcher bei der Herstellung der Solarmodule anfällt.

Zu diesem Zweck wird für die verschiedenen Kraftwerkstypen der Ausstoss von CO2-Äquivalenten berechnet, der einen direkten Vergleich zwischen verschiedenen Wegen der Energiegewinnung möglich macht.

Nach dieser Rechnung wurden früher – wohl zu Peter Lustigs Zeiten – für eine Kilowattstunde (kWh) Photovoltaik-Strom 97g des Treibhausgases CO2 freigesetzt. Mit den heutigen Modulen kommt man hingegen nur mehr auf 42g CO2 je kWh.

Im Vergleich dazu erzeugt ein Gaskraftwerk 452g CO2 pro kWh, während ein Braunkohlekraftwerk sage und schreibe 1347g CO2 pro kWh in die Luft schleudert! Ähnlich “sauber” wie Photovoltaik-Strom sind damit allenfalls der Strom aus Wind- und Wasserkraft sowie der Atomstrom (welcher jedoch mit den bekannten Umweltrisiken behaftet ist).

Im Mittel werden für den in Europa erzeugten und genutzten Strom zur Zeit 552g CO2 pro kWh freigesetzt. Da ist also noch einiges an Verbesserung durch die vermehrte Nutzung von Sonnenkraft, aber auch jener von Wind und Wasser, vorhanden!

Diese Zahlen und viele weitere interessante Fakten rund um Solarmodule hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zum Nachlesen zusammengetragen.

Hier heisst es bis zur nächsten Geschichte jedoch erstmal “Abschalten” – oder eure Gedanken in einen Kommentar fassen, zum Beispiel zu:

Welche Rolle spielen Photovoltaik bzw. Solarzellen in eurem Alltag?

Chemie beim Zahnarzt

Hallo und auf ein Neues! Ich bin Zahn Einssechs (“16”), Kathis erster grosser Backenzahn oben rechts (aus Sicht aller anderen oben links), und ich darf euch heute endlich mein Versprechen einlösen und meine Geschichte fertig erzählen. Die ist nämlich so lang, dass ich die erste Hälfte im Dezember 2015 bei Maike auf Miss Declare geschildert habe.

Weiterlesen

Die IUPAC hat den Nachweis der Existenz der chemischen Elemente 113, 115, 117 und 118 offiziell bestätigt. Diese Nachricht geistert dieser Tage durch die Presse – teilweise in höchst zweifelhafter Qualität. Die grosse Aufmerksamkeit, die diesen exotischen, von Menschenhand geschaffenen Elementen zuteil wird, mag daher rühren, dass solche Nachrichten selten sind: Zuletzt wurde vor 4 Jahren der Nachweis der Elemente 114 und 116 bestätigt. Entdeckt – besser: erschaffen wurden die vier jüngsten chemischen Elemente aber schon vor Jahren!

Das derzeit jüngste Element unseres Periodensystems hat die Ordnungszahl 117 und den vorläufigen Namen Ununseptium (lateinisch für einhundertsiebzehn). Tatsächlich wurde Element Nummer 118 früher nachgewiesen, schlichtweg weil seine Erschaffung einfacher war: Atome mit ungerader Ordnungs- bzw. Protonenzahl sind schwieriger zu erzeugen als Atome mit gerader Ordnungszahl). Nummer 117 wurde erstmals im “Joint Institute for Nuclear Research” (JNIR) in Dubna, Russland, nachgewiesen und die Ergebnisse im Frühling 2010 veröffentlicht [1]. Das dazu notwendige Experiment ist allerdings von einem derart wahnwitzigen Umfang, dass Dutzende Wissenschaftler in mindestens 6 Forschungseinrichtungen rund um die Welt an seiner Realisierung beteiligt waren.

Und da Wissenschaftler nur das akzeptieren, was sich reproduzieren lässt, hat eine zweite, noch weltumfassendere Forschungsgemeinschaft den Nachweis von Nummer 117 im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Deutschland, wiederholt und die Bestätigung der Ergebnisse aus Dubna 2014 veröffentlicht [2]. Trotzdem nimmt die IUPAC es mit der Überprüfung solcher Ergebnisse sehr genau, sodass sie nun erst, am 30.12.2015, offiziell grünes Licht gegeben hat um 117 und die anderen drei jüngsten Elemente zur endgültigen Benennung freizugeben.

Aber wie erzeugt und detektiert man heutzutage neue Elemente?

Wie Atomkerne entstehen

Atomkerne bestehen aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch ungeladenen Neutronen. Diese beiden Sorten von Kernteilchen sind nahezu gleich schwer, sodass die im Periodensystem verzeichnete Masse eines Atomkerns in der Masseneinheit u nahezu der Anzahl aller seiner Kernteilchen entspricht. Die Anzahl Protonen von Atomen eines Elements ist immer gleich und entspricht der Ordnungszahl im Periodensystem. Ein Wasserstoff-Atom enthält also stets ein Proton: die Ordnungszahl von Wasserstoff ist 1.

Die Anzahl Neutronen ist hingegen nicht festgelegt. Häufig gibt es von einem Element verschiedene Atome mit verschiedenen Neutronenzahlen, wie zum Beispiel der “herkömmliche” Wasserstoff, auch Protium genannt, dessen Kern aus einem einzigen Proton besteht, und die Kerne von Deuterium (ein Proton und ein Neutron) und Tritium (ein Proton und zwei Neutronen). Diese unterschiedlichen Vertreter eines Elements werden “Isotope” genannt. Protium, Deuterium und Tritium sind also Isotope des Elements Wasserstoff.

 

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Wasserstoffisotope: Die “Nuklid-Schreibweise” unter den bildlichen Darstellungen der Kerne gibt das Elementsymbol, links oben die Zahl aller Kernteilchen und links unten die Protonen- bzw. Ordnungszahl an. (By Johannes Schneider (Own work) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

 

 

Wer sich die Darstellung von Atomkernen als Klumpen aus kleinen Kugeln ansieht, mag sich fragen, wie diese Teilchen eigentlich zusammen halten. Schliesslich stossen sich gleiche elektrische Ladungen doch ab, und ungeladene Teilchen sollten der Elektrizitätslehre nach keinen Grund haben einander anzuziehen. Gemäss der Kernphysik haben sie jedoch einen sehr guten Grund dazu: Zwischen Kernteilchen wirkt nämlich die sogenannte “starke Kernkraft” überaus anziehend, sobald diese erst nah genug beieinander sind. Denn ihrer extrem kurzen Reichweite zum Trotz ist die starke Kernkraft um einiges stärker als die Abstossung zwischen den positiven Ladungen der Protonen in einem Kernklumpen!

Um Atomkerne zu schaffen muss man einzelne Kernteilchen oder kleine Atomkerne also so dicht zusammenbringen, dass die starke Kernkraft wirken kann. Wenn das gelingt, entsteht ein neuer, grösserer Atomkern: Das nennt man  Kernfusion.

Bei der Entstehung von leichten Kernen ( also kleineren Atomkernen als jenen des Elements Eisen) durch Kernfusion werden dabei gewaltige Mengen “Kernbindungsenergie” frei (In Folge dessen ist die Masse des neuen Kerns kleiner als die Summe der Massen seiner einzelnen Bausteine – dieser Umstand ist als Massendefekt bekannt). Diese Energiemenge kann so gewaltig sein, dass sie die Sonne strahlen lässt, einer Wasserstoff-Fusions-Bombe ihre Sprengkraft verleiht und dass ihre friedliche Nutzung in Reaktoren ein Menschheitstraum ist. Dennoch muss niemand fürchten, dass Experimente zur Erschaffung neuer Elemente ihren Schöpfern gleich einer Wasserstoff-Bombe um die Ohren fliegen.

Atomkerne, die schwerer als Eisen sind, sind nämlich – anders als die leichten Kerne – weniger stabil als ihre losen Bausteine. Das heisst, die Erschaffung schwerer Atome “verbraucht” Energie anstatt sie frei zu setzen, sodass die Masse des neuen Kerns grösser ist als die Summe der Massen seiner Bausteine (umgekehrt wird diese Energie beim radioaktiven Zerfall solch schwerer Kerne wieder frei und macht sich als Bewegungsenergie abgestrahlter α- und β-Teilchen, als γ-Strahlung oder Wärme bemerkbar).

 

Wie Kernteilchen zusammenfinden

Der simpelste Weg sehr schwere Atomkerne/Elemente zu machen besteht darin, vorhandene Kerne mit Neutronen zu beschiessen, denn wie makroskopische Geschosse sind bewegte Neutronen sehr energiereich und kommen beim Aufprall sehr, sehr nah an ihr Ziel heran. Ausserdem können Neutronen zu Protonen und Elektronen zerfallen (das entspricht einem β-Zerfall: ein aus einem Atomkern abgestrahltes Elektron wird auch β-Teilchen genannt), sodass aus einem Atomkern nach der Eingliederung eines oder mehrerer Neutronen ein nahezu gleich schwerer Kern mit höherer Ordnungszahl entstehen kann!

Das funktioniert im bekannten Universum unter vier Umständen, unter denen genug Neutronen-Geschosse aufgebracht werden, um schwere Kerne aufzubauen: Im Innern eines strahlenden Sterns innerhalb von Jahrmillionen, in einer Supernova, im Feuer einer Wasserstoff-Fusions-Bombe, und in Atom-Reaktoren. Aber wie man es dreht und wendet: Mit Neutronenbeschuss kommt man nur bis zum Element Fermium mit der Ordnungszahl 100.

Danach nimmt ein Problem überhand: Alle Atomkerne mit 84 oder mehr Protonen sind radioaktiv, d.h. sie zerfallen früher oder später durch Abgabe von α- oder β-Teilchen oder spalten sich ganz von selbst in zwei oder mehr grössere Bruchstücke. Und Elemente mit mehr als 100 Protonen zerfallen schneller, als dass sie durch Aufnahme einzelner Neutronen aufgebaut werden könnten.

Deshalb muss man die Atomkerne neuer Elemente in einem Schritt aus zwei grösseren Teilkernen zusammenschmelzen: Das kleinere Teilstück (ein Atomkern ohne Elektronenhülle ist das Extrem eines Ions, weshalb man diese Teilchen Schwer-Ionen nennt) wird beschleunigt und auf das grössere Teilstück geschossen. Wenn dabei ein genauer Treffer gelandet wird, entsteht aus beiden Teilen ein neuer Kern. Da zu dieser Form der Verschmelzung keine unfassbare Sternenhitze nötig ist, nennt man das Verfahren “kalte” Schwerionenfusion. Ein dabei entstehender neuer Kern besteht in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile, ehe er entweder α-Teilchen abgibt oder sich spontan spaltet.

Ziel solcher Experimente ist die Schaffung neuer Kerne, die α-Teilchen abgeben anstatt sich spontan zu spalten. Denn die Energie dieser α-Teilchen lässt sich vorab anhand von Kern-Modellen sehr genau berechnen, sodass die Registrierung von α-Teilchen mit der passenden Energie als Nachweis für die zeitweilige Existenz der neuen Kerne verwendet werden kann.

Die meisten neuen Kerne geben jedoch der spontanen Spaltung den Vorzug, weil sie bei der Schwerionenfusion etwas mehr Energie erhalten, als für die Verschmelzung notwendig ist. Mit viel Glück können sie dieses “Mehr” an Energie jedoch rechtzeitig loswerden, indem sie einzelne Neutronen ab”strahlen”, bis der α-Zerfall schliesslich einsetzt. Allerdings funktioniert dieses “Abdampfen” von Neutronen ziemlich selten: Schon bei der Schwerionenfusion von zwei Teilkernen zum Element Bohrium (Ordnungszahl 107) gelingt dies nur bei einem von 1000 Kernen [3]!

 

Was man für die Erschaffung eines neuen Elements braucht

Für ein Experiment zur Erschaffung eines neuen Elements braucht man also ein Zielmaterial (englisch “target”) aus Atomen eines ausreichend schweren Ausgangselements, passende schnelle Schwerionen und einen schnellen aber hochempfindlichen Detektor, der einzelne α-Teilchen aus dem Teilchensalat eines nuklearen Trommelfeuers filtern und registrieren kann.

Für den Nachweis von Element 117 wurden Atome des Elements Berkelium (Ordnungszahl 97) verwendet. Berkelium kann demnach in speziellen Atomreaktoren durch Beschuss mit Neutronen entstehen, wie im Hochfluss-Isotopen-Reaktor des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, USA. In diesem Reaktor werden Atome der Elemente Curium (Ordnungszahl 96) und Americium (Ordnungszahl 95) etwa 250 Tage lang “gebrütet”, bis aus ihnen Atome des Berkelium-Isotops mit der Masse 249 entstanden ist. Dieses Isotop ist so stabil (seine Halbwertszeit beträgt 330 Tage), dass man die Atome isolieren, von Tennessee nach Russland schaffen, zu “Targets” verarbeiten und in Experimenten verwenden kann, bevor sie wieder zerfallen sind.

Da allerdings maschinengewehrgleicher Beschuss mit Schwerionen jedes Material alsbald in atomare Trümmer zerlegt, wurden Folien mit Berkelium auf ein Rad montiert, das sich später im Schwerionenstrahl drehte. So konnte das Trommelfeuer und damit seine Zerstörungskraft bei durchgehendem Beschuss auf mehrere Folien verteilt werden.

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Berkelium-Target-Rad, wie es im Labor der GSI Verwendung findet. Foto: Christoph Düllmann/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

 

Die Schwerionen-Geschosse waren Kerne des Calcium-Isotops der Masse 48. Die Herstellung solcher Ionen ist weniger kompliziert – um sie auf Touren zu bringen, braucht man jedoch einen Teilchenbeschleuniger für schwere Teilchen: Ein solcher ist das Schwerionen-Zyklotron U-400 im JINR Dubna. Der Ionenfluss, der damit auf das Target losgelassen wurde, betrug 7*1012 (7 Billionen) Ionen pro Sekunde!

Wer wissen möchte, wie so ein Beschleuniger aussieht, kann einen virtuellen Spaziergang durch das Beschleuniger-Labor in Dubna machen. Der eigentliche Teilchenbeschleuniger U-400 ist der flache gelbe Zylinder (sein Durchmesser beträgt 4 Meter), der in dem grossen blassblauen Kasten steckt. Die Ionen werden darin auf einer engen Spiralbahn beschleunigt und fliegen schliesslich durch die speichenartigen Fortsätze ihrem Ziel entgegen.

Das Experiment wurde schliesslich so aufgebaut, dass neu entstehende Kerne beim Aufprall der Schwerionen aus der Target-Folie geschleudert und durch luftleere Leitungen in den α-Teilchen-Detektor aus hochempfindlichen Halbleiter-Bausteinen sausen konnten, noch während sie aus dem sie begleitenden Trümmerstrom aussortiert wurden. Um das Sortieren zu erleichtern, wurde zudem der Schwerionenbeschuss nach jedem Signal, das auf die Freisetzung eines gewünschten Kerns aus dem Target hindeutete, für drei Minuten eingestellt.

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Der Transactiniden-Separator TASCA: Die hochmoderne Teilchen-Sortiermaschine der GSI. Verschiedene Teilchen werden im Flug durch Magnetfelder auf verschiedene Bahnen gelenkt. Damit wurde auch die Erschaffung von Element 117 erfolgreich wiederholt. (Foto: Gaby Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)

 

Wie die Entdeckung eines neuen Elements abläuft

Die Bestrahlung eines Targets mit Schwerionen in diesem Experiment dauerte schliesslich 70 Tage mit insgesamt 79 Stunden Feuerpause. In dieser Zeit wurde bei ein vom Zerfall eines Atoms von Element 117 mit der Masse 293 stammendes α-Teilchen mit der berechneten Energie von 39MeV fünfmal beobachtet. In einem zweiten Experiment, das ebenfalls 70 Tage dauerte, wurde mit leicht veränderten Energie-Werten gearbeitet und einmal der Zerfall eines Atoms von 117 mit der Masse 294 beobachtet.

Zerfallsreihen_117

Zerfallsreihe der beiden registrierten Isotope von Element 117: Durch Schwerionenfusion entsteht das Isotop mit der Masse 297 (rot), welches 3 bzw. 4 Neutronen abgeben kann. Anschliessend verliert das jeweilige 117-Isotop mit jedem abgestrahlten Alphateilchen 2 Protonen und 2 Neutronen (gelbe Kette), bis ein Dubnium- bzw. Röntgenium-Atom (grün) übrig bleibt, das sich spontan in zwei Teile (F1 und F2) spaltet. Die Übereinstimmung zwischen den berechneten (schwarz) und gemessenen (hellblau) Abfolgen von Zerfallszeiten und Teilchenenergien dienen als Beweis dafür, dass die dargestellten Kernreaktionen – angefangen mit Element 117! – so stattgefunden haben. (Quelle: Oganessian et al.,2010 [1])

 

 

Nach der Ingangsetzung des Experiments haben die Wissenschaftler also jeweils 70 Tage in gespannter Erwartung ausgeharrt und auf ein Signal des Computers gehofft, das den Zerfall von Element 117 anzeigte. In 140 Tagen Beschuss rund um die Uhr ist das insgesamt sechsmal passiert! Damit haben die Wissenschaftler auf diese Weise die kurzzeitige Existenz von insgesamt bloss 6 Atomen von Element 117 nachweisen können! Neue Elemente finden erfordert also wochenlange, geduldige Warterei.

Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse vom 7. April 2010 hat 33 Autoren, angeführt von Yu. Ts. Oganessian, die in mindestens sechs verschiedenen Forschungsinstituten an diesem Experiment und seinen Vorbereitungen mitgearbeitet haben.

Eine vergleichbare internationale Zusammenarbeit von 72 Wissenschaftlern in 16 Forschungszentren rund um den Globus führte bis Mai 2014 zu einem zweiten Nachweis von Element 117 unter ähnlichen Bedingungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, welcher für die offizielle Anerkennung der Entdeckung eines neuen Elements notwendig ist.

 

Warum zur Hölle macht man sowas?

Weil man es kann. Zudem: Die Halbwertszeit von Element 117 (14 ms für 293117 bzw. 78 ms für 294117) ist wie die seiner Nachbarn im Periodensystem so kurz, dass es höchst aufwändig ist, die Eigenschaften seiner Atome oder gar des Stoffs mit derzeit verfügbaren Mitteln eingehender zu untersuchen. Im Blog der GSI Darmstadt kann man nachlesen, wie es dabei zu und her geht: Element 114: Gas oder Metall?

Aber der Nachweis solcher Elemente bestätigt die Genauigkeit des Atomkern-Modells, anhand dessen neben den Energien abgestrahlter α-Teilchen viele weitere Eigenschaften unbekannter Elemente vorausberechnet werden können.

Diese Fähigkeit der Vorhersage von Eigenschaften ist übrigens alles andere als selbstverständlich. Sie erst macht die Modelle der Kernphysik, wie auch der Chemie zu einem unglaublich mächtigen und faszinierenden Instrument, mit welchem nicht nur Atome berechnet, sondern – und ganz besonders – auch Moleküle und Stoffe am Reissbrett entworfen und geschaffen werden können!

Und die Berechnungen zur Vorhersage der nächsten unbekannten Elemente lassen darauf schliessen, dass es im Bereich der Ordnungszahlen 114 bis 126 Elemente gibt, deren Atome ausreichend stabil sind, um sie – zumindest während ihres Vorbeiflugs – eingehender untersuchen und weitere Vorhersagen bestätigen zu können.

Die Kernphysiker ordnen schliesslich alle bekannten (und vorhergesagten) Atome in einer Tabelle an, die Nuklidkarte genannt wird. Diese “Karte” zeigt stabile Atome in Form eines “Kontinents” in einem Meer aus Einträgen für instabile Kerne an. Die Anhäufung der vermuteten Stabileren unter den Atomen der unbekannten Elemente wird deshalb häufig als “Insel der Stabilität” abseits des Kontinents im “Meer der Instabilität” bezeichnet.

791px-Isotopentabelle_Segre.svg

Nuklidkarte nach Segré: Man erkennt den langgestreckten “Kontinent” aus stabilen, schwarz markierten Atomsorten (Nukliden) im Meer der instabilen, d.h. radioaktiven Nuklide. Die Liste unter “Zerfallstyp” gibt an, welche Teilchen die zerfallenden Atome abgeben. “Fission” ist der Fachbegriff für die Kernspaltung (hier: spontane Spaltung). Die Insel der Stabilität wird irgendwo oben rechts jenseits der gelben Spitze vermutet. (By Matt [CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons)

 

Und die Kernphysiker suchen in diesem “Meer” gleich einstigen Entdeckern auf den Weltmeeren nach ihrer legendären Insel. Wenngleich Kernphysiker dabei keine lukrativen atomaren Handelsrouten zwischen den Kernen entdecken mögen, hoffen sie gleich manch einem Weltumsegler, ihre Theorien vom Aufbau der Welt beweisen zu können. Ihr nächstes Ziel, Element Nummer 120, haben sie bis dato noch nicht erreicht.

 

Gemäss den Regeln der IUPAC dürfen chemische Elemente nach einer ihrer Eigenschaften, einem Mineral, einem/r bedeutenden Wissenschaftler/in oder einem Ort benannt werden. Welchen Namen würdet ihr Nummer 117 (und den drei anderen) geben?

 

Und wer noch mehr lesen möchte: Das Buch “Moderne Alchemie – Die Jagd nach den schwersten Elementen” (Literatur [3]), verfasst von Wissenschaftlern der GSI in Darmstadt, erzählt verständlich und – wie ich finde – äusserst spannend von der Physik superschwerer Atomkerne und ihrer Erforschung.

 

Literatur:

[1] Oganessian,Yu.Ts. et al.(2010). Synthesis of a New Element with Atomic Number Z = 117. In: Physical Review Letters, 104, 9.April 2010, 142502.

[2] J. Khuyagbaatar et al. (2014)48Ca+249Bk Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying 270Db and Discovery of 266Lr. In: Physical Review Letters, 112, 1.Mai 2014, 172501.

[3] Münzenberg , G., Schädel, M. (1996). Moderne Alchemie – Die Jagd nach den schwersten Elementen. Wiesbaden: Vieweg (Facetten).

 

Diese Geschichte füllt das Türchen Nr. 21 im Blog-Adventskalender im meinbloggerforum.de!

Morgen kommt der Weihnachtsmann….Okay. Eigentlich ist es erst in 3 Tagen soweit. Aber mir ist der Weihnachtsmann letzte Woche schon über den Weg gelaufen…in ungewöhnlich kleiner Gestalt:

Kinesin animiert

Da spaziert doch tatsächlich ein Molekül(!) in aller Ruhe einen mikroskopischen Schlauch entlang – und schleppt einen Riesensack voller Geschenke hinter sich her! Und die Diskussionen, worum es sich bei diesem Weihnachtsmann a miniature wirklich handelt, schlagen im weltweiten Netz hohe Wellen.

In mir hat der Anblick (und ich konnte mich kaum mehr davon losreissen) vor allem wachgerufen, weshalb ich im Laufe meiner Studienzeit der Biochemie verfallen bin: Die vielfältigen und zuweilen schier unglaublichen Funktionsmöglichkeiten von Biomolekülen sind einfach atemberaubend. Beflügelt von solchen Erinnerungen war dieser kleine Weihnachtsmann nach einem eingehenden Blick ins Biochemie-Buch [1] auch schnell identifiziert:

 

Die Identität des molekularen Weihnachtsmanns

Bei dem spazierenden lachsfarbenen Gebilde handelt es sich um ein sogenanntes Motorprotein namens Kinesin, also eine lange Kette aneinander gebundener Aminosäuren, die zu einer ganz bestimmten Form zusammengelegt, -gezwirbelt und -geknäuelt ist – etwa wie ein Luftballon-Tier, das aus einem schlauchförmigen Ballon geknotet wird. Streng genommen besteht das Kinesin sogar aus zwei solcher Ketten, die miteinander verdrillt sind (wenn man den langen, aufrechten Schaft genau ansieht, kann man die zwei Stränge einer Doppelspirale erkennen).

Ein Kinesin-Molekül ist natürlich nicht lachsfarben. Vielmehr zeigt die Animation ein Modell, das sich bestmöglich von seinem grünen Hintergrund abheben soll. Die Gestalter der Animation haben die Farben also bewusst komplementär gewählt…und dabei zufällig eine weihnachtliche Ader bewiesen.

Die hellgrüne “Strasse”, die das Kinesin entlangschreitet, ist ein Mikrotubulus, eine aus zahllosen Exemplaren des Proteins Tubulin zusammengesetzte molekulare Röhre. Die einzelnen rundlichen Tubuline, die sich wie Pflastersteine aneinanderreihen, sind in der Animation gut zu erkennen. Das Kinesin und seine Mikrotubulus-Strasse sind so geschaffen, dass dieses Motor-Protein nur vom Zellinneren in Richtung Zell-Aussenhaut laufen kann.

Nur so kann sich Kinesin nämlich als anständiger Weihnachtsmann betätigen: Es transportiert seinen Sack voller Geschenke, die in den Organellen im Zellinneren hergestellt worden sind, stets zur äusseren Zellmembran, wo sie hinausgeschafft und auf ihre weitere Reise zu ihren hoch erfreuten Empfängern geschickt werden können.

Der Geschenke-Sack wird in dieser Animation als grosse Kugel aus wogenden, dunkelgrünen Stoppeln dargestellt. Es handelt sich um eine geschlossene Blase (die Zellbiologen sagen Vesikel) aus Zellmembran, die sich ihrerseits aus unzähligen Molekülen, den Membranlipiden, zusammensetzt. Jedes dunkelgrüne Härchen ist ein solches längliches Lipid-Molekül. Und wie es sich für eine anständige Zellmembran gehört, stecken zwischen all den Lipiden ab und zu lachsfarben dargestellte Membran-Proteine, die der Membran zur Durchlässigkeit für Nährstoffe und Signale verleihen.

Das eigentlich faszinierende an dieser Darstellung ist in meinen jedoch das ständige Wogen der Moleküle. Denn anders als all die starren Zeichnungen in Biologie- und Biochemie-Büchern vermuten lassen, ist eine Zellmembran alles andere als ein starres Gebilde. Stattdessen sind ihre Bausteine ständig in Bewegung, was die Bestandteile einer Zelle zu einer ziemlich dynamischen, geradezu fliessenden Gemeinschaft macht.

Dass der gewaltige, mit Molekülen vollgepackte Sack irgendwie hinter dem Kinesin her zu schweben scheint, ist all den Kleinstmolekülen in seiner Umgebung zu verdanken, die die Animation nicht zeigt. Die meisten dieser Kleinstmoleküle sind Wasser-Moleküle, dazu kommen Ionen und verschiedene allgegenwärtige Verbindungen, die den scheinbar leeren Raum im Bild vollkommen ausfüllen. Was immer sich in der Zelle bewegt, schwimmt praktisch durch ihr Innenleben. Und wer schon einmal im Schwimmbad war weiss, wie sehr der Auftrieb der Schwerkraft entgegenwirken kann.

 

Wie kann ein Molekül laufen?!

Der Spaziergang des Kinesins auf seinem Mikrotubulus wirkt wohl deshalb so geheimnisvoll, weil die Animation nicht zeigt, wie es seinen Treibstoff erhält. Denn jeder Motor, auch ein molekularer, braucht nunmal seinen Treibstoff, sonst bewegt sich gar nichts. Und der Treibstoff für laufende Moleküle ist chemische Energie, die in lebenden Zellen in dem energiereichen Molekül Adenosintriphosphat (kurz ATP) gespeichert und transportiert wird.

Jeder “Fuss” des Kinesins hat deshalb eine Bindestelle für ATP. Vor Beginn seiner Arbeit sind an diesen Bindungsstellen “entleerte” Versionen des ATPs, genannt Adenosindiphosphat (ADP) gebunden. Ein gebundenes ADP sorgt dafür, dass der Fuss eines frei schwimmenden Kinesin-Moleküls, sobald er in die Nähe eines Mikrotubulus’ gerät, locker daran haften bleibt – ähnlich wie ein Magnetstiefel, mit welchen Star-Trek-Helden bei Schwerelosigkeit über die Aussenhülle ihres Raumschiffes stapfen können. Sobald das geschieht, kann das ADP aus der Bindungsstelle entfernt und durch ein frisches, energiereiches ATP ersetzt werden.

Die Bindung des ATP sorgt für zwei Dinge: Zum Einen wird die Haftung des bereits platzierten Fusses am Mikrotubulus verstärkt. Zum Anderen geht mit dem Austausch von ADP gegen ATP eine Verschiebung der Position der einzelnen Molekülgruppen des Proteins einher. Dies ist möglich, weil einzelne Atomgruppen stets um chemische Bindungen herum gedreht werden können (wer schon einmal ein Molekülmodell zum Zusammenstecken in der Hand hatte: Die Drehbarkeit der Bauelemente um die Bindungsachsen ist in der Regel realistisch!).

Im Fall des Kinesins besteht die Positionsverschiebung darin, dass das zunächst nach vorn abgespreizte Beinchen des Proteins, “neck linker” genannt, eng an den zugehörigen Fuss angelegt wird. Da der Fuss jedoch fest am Mikrotubulus verankert ist, zieht das Molekül nicht etwa den Fuss zurück, sondern das Molekül wird unweigerlich an den Fuss gezogen. Der zweite, immernoch mit ADP bestückte Fuss wird durch diese Bewegung nach vorn geschleudert und trifft dort, von seinem eigenen neck linker dirigiert, am Mikrotubulus Halt.

Während der zweite Fuss am Mikrotubulus Halt findet, wird das ATP am ersten Fuss gespalten, wobei ADP und ein Phosphat-Anion (das Anion der aus der anorganischen Chemie bekannten Phosporsäure, oft mit dem Kürzel Pa oder Pi (für “anorganisch” bzw. “inorganic”) bezeichnet) entstehen. Mit der Abgabe des Phosphat-Anions löst sich der erste Fuss samt ADP vom Mikrotubulus, während das ADP im zweiten Fuss gegen ATP ausgetauscht wird, welches dessen Bindung festigt und den nächsten Schritt antreibt.

Eine schematische Animation dieser Schrittfolge mitsamt dem dafür nötigen Treibstoff gibt es als Beiwerk zu einem grossen Lehrbuch über Zellbiologie [2]:

 

 

Die Koordination der beiden Haft-Füsse ist dabei präzise genug, dass ein Kinesin-Molekül im Mittel etwa 100 Schritte schafft, bevor beide Füsse einmal gleichzeitig die Bodenhaftung verlieren und das Protein samt seiner Last von seinem Mikrotubulus abdriften kann.

 

Wie schnell läuft dieser Weihnachtsmann?

Entsprechend seiner Dimensionen – der kleine Weihnachtsmann misst wie er da läuft etwa 50 Nanometer (Milliardstel Meter!) an Höhe [2] – beträgt die Schrittweite des Kinesins im Mittel rund 8 Nanometer[1]. Zum Vergleich: die Wellenlänge von sichtbarem Licht beträgt 390 bis 780 Nanometer, der Durchmesser eines Atoms in einem organischen Molekül wie diesem liegt in der Grössenordnung von 0,1 Nanometern.

Die Physik schreibt vor, dass man Dinge, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, auf herkömmliche Weise nicht sehen kann. Trotzdem können Wissenschaftler Kinesin und andere Proteine direkt beobachten. Dazu verwenden sie entweder ein Elektronenmikroskop (die Wellenlänge von Elektronen ist wesentlich kürzer als die des Lichts und kann somit wesentlich kleinere Dinge sichtbar machen!), wofür die Proteine allerdings “eingefroren” werden müssen, oder sie beobachten den Geschenke-Sack, der sehr viel grösser ist als der eigentliche molekulare Weihnachtsmann.

Mit der zweiten Methode kann man denn auch zuschauen, wie Membran-Säcke oder andere Lasten mit Hilfe von Kinesin einen Mikrotubulus entlang wandern. Eifrige Protokollanten haben dabei festgehalten, dass ein Kinesin-Molekül im Mittel rund 640 Nanometer in der Sekunde ablaufen kann – das entspricht einer Wellenlänge von orangem Licht oder über 6000 Atomen.

Allerdings ist der Schritt des molekularen Weihnachtsmannes längst nicht so stetig und erhaben wie in der Animation dargestellt. Vielmehr gleicht der Gang des Kinesins einem unsteten Schaufensterbummel: Immer wieder bleibt es für willkürliche Zeitspannen stehen oder gerät gar ins Hinken, wenn seine Füsse und “neck linker” nicht vollkommen symmetrisch gebaut sind. Wenn man die Strecke, die ein Kinesin-Molekül abläuft, also über der dafür benötigten Zeit in ein Diagramm einträgt, erhält man an Stelle einer schönen Gerade, wie die Animation sie vorgibt, einen treppenartigen Kurvenverlauf (in der englischen Ausgabe von Scienceblogs finden sich solche Original-Diagramme in einem detaillierten Beitrag zur Bewegungsgeschwindigkeit des Kinesins ).

Dieser unstete Gang rührt daher, dass für jeden Schritt ein ATP-Molekül mit einem Fuss des Kinesins reagieren muss. Und es obliegt allein der Wahrscheinlichkeitsrechnung, in welchen Zeitabständen eines der ATP-Moleküle, die frei in der Zelle herumschwimmen, direkt am Fuss vorbeikommt und reagieren kann. Wie bei allen chemischen Prozessen können deshalb selbst die fleissigsten Beobachter nur im Mittel angeben, wie schnell eine Reaktion wie der Gang des Kinesins abläuft.

 

Was für Geschenke bringt der molekulare Weihnachtsmann?

“Sieht so das Glück aus?” titelt die Süddeutsche Zeitung in ihrem Beitrag zur Animation, in dessen Rahmen der kleine Weihnachtsmann mir auf Facebook erstmals begegnet ist. Der Titel spielt auf Endorphine als möglichen Inhalt des Membran-Sacks an, also molekulare Wohlfühl-Boten, die als körpereigene Opioide auf das Nervensystem wirken. Und zumindest dieser Teil der ursprünglich auf Twitter verbreiteten Bildbeschreibung ist nicht falsch.

Endorphine sind nämlich sogenannte Neuropeptide, das heisst “Miniatur-Proteine”, deren Ketten nur wenige Dutzend Aminosäuren lang sind und als Signalstoffe an Rezeptoren von Nervenzellen binnen können. Solch kleine Peptide sind zu kurz, als dass sie direkt nach ihrer Herstellung direkt mit einem Adress-Schild “nach draussen” versehen werden könnten. Deshalb werden sie in der Zelle gemeinsam mit anderen Peptiden in einer gemeinsamen, längeren Kette hergestellt, adressiert und in Membran-Blasen verpackt.

Während der Kinesin-Weihnachtsmann seinen vollen Sack der Zell-Aussenmembran entgegenschleppt, können mit im Sack eingesperrte fleissige Weihnachtselfen-Enzyme die langen Protein-Ketten in Endorphine und andere kurze Peptide zerschneiden. Am Ziel angekommen wird der Membran-Sack schliesslich in die Zellmembran eingefügt, wobei der Inhalt ausserhalb der Zelle “ausgekippt” wird.

Es ist also durchaus möglich, dass der animierte molekulare Weihnachtsmann genau das tut, was ein anständiger Weihnachtsmann tun sollte: Geschenke bringen, die glücklich machen.

Ebenso gut könnte er andere Neurotransmitter oder Hormone durch seine Zelle schleppen, oder Bausteine, die zur Zellteilung benötigt werden, an ihren Bestimmungsort bringen – je nachdem, in welchen Zusammenhang man das Bild einfügt.

Warum handelt es sich tatsächlich um Kinesin?

In dem Animationsvideo, aus welchem das Bild des molekularen Weihnachtsmanns stammt, wird erläutert, dass es sich um ein Motor-Protein handelt, das sich an Mikrotubuli entlang bewegt.

Doch wo es einen Weihnachtsmann gibt, ist auch der Grinch nicht weit. Das gilt auch für das Innenleben menschlicher Zellen. Der zelluläre Grinch ist ebenfalls ein Motor-Protein. Er heisst Dynein und schleppt seine Geschenke-Säcke in die dem Kinesin entgegengesetzte Richtung die Mikrotubuli entlang: Vom Zelläusseren nach innen. Zu erkennen ist dieses Protein an seiner gedrungenen Gestalt ohne den langen “Schaft” des Kinesins.

Das in dem ursprünglichen Tweet, welcher zum Beitrag in der Süddeutschen Zeitung führte, erwähnte Myosin ist zwar besser als Muskelbestandteil und -motor bekannt, kommt in einer Variante aber auch zum Lastentransport zum Einsatz. Anders als Kinesin und Dynein bewegen sich diese Myosin-Moleküle jedoch an Aktin-Filamenten entlang, feinen Fasern aus dem Protein Aktin. Im Gegensatz zu Mikrotubuli mit einem Aussendurchmesser von 30 Nanometern sind Aktin-Filamente mit nur 5 Nanometern im Durchmesser wesentlich schmaler[1]. Dafür hat das Myosin-Molekül merklich grössere Füsse als Kinesin [2], sodass die Grössenverhältnisse in einer Animation von Myosin auf Aktin deutlich anders ausfallen müssten als beim gezeigten Kinesin auf einem Mikrotubulus, der tatsächlich etwa halb so dick scheint, wie unser Weihnachtsmann hoch ist.

Alle drei Motor-Proteine spielen tragende Rollen in einem Video aus dem Hoogenraad Lab der Universität Utrecht (in Englisch), in welchem ein Kinesin-Molekül namens “John” seinen molekularen Geschenkesack ganz im Sinne eines guten Modells durch die Strassen von Utrecht schleift. Auf seinem Weg treten auch der “Grinch” Dynein und Myosin-Moleküle in Erscheinung. Letztere sind für den Last-Transport auf Aktinfilamenten zuständig, die wie Seitengassen von Mikrotubuli abzweigen:

 

 

Zum guten Schluss gibt es den Weihnachtsmann noch einmal musikalisch und in grösserem Zusammenhang:

Lasst euch von den Wundern des Lebens verzaubern und denkt an die kleinen Weihnachtsmänner in euren Zellen, wenn ihr die kommenden Feiertage geniesst. Ohne ihre Geschenke würden wir uns längst nicht so wohl fühlen!

 

Und ist euch der molekulare Weihnachtsmann auch schon begegnet?

 

Literatur: 

[1] J.M. Berg, John L.Tymoczko, L.Stryer: Biochemie. Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin 2003

[2] B.Alberts, A.Johnson, J.Lewis, M.Raff, K.Roberts, P.Walter: Molekularbiologie der Zelle. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2004

Die Geschichte von Zahn 16 : Chemie beim Zahnarzt

Ich bin Zahn Einssechs (“16”), Kathis erster grosser Backenzahn oben rechts (aus Sicht aller anderen oben links) – nach der Zahnformel im 1. Quadranten an Position 6. Ich möchte euch meine Geschichte erzählen, die mich und Kathi mehr als oft genug in eine Zahnarztpraxis geführt hat. Denn dort gibt es so viel spannende Chemie zu entdecken, dass eigentlich gar keine Zeit mehr zum Angsthaben bleibt, wenn man erst angefangen hat, über all diese Stoffe und Vorgänge nachzudenken.

Ich habe sogar so viel zu erzählen, dass Kathi mir zwei Geschichten widmet: Eine ist bei Maike auf MissDeclare erschienen(Kathi und ich danken herzlich dafür, dass wir dort zu Gast sein dürfen!) und die andere erscheint etwas später  hier in Keinsteins Kiste.

So möchte ich heute auf MissDeclare erzählen von:

  1. Karies-Vorbeugung mit Fluoriden
  2. Dem Inhalt der “Spritze” für die lokale Betäubung
  3. Zement als Zahnfüllung
  4. Amalgam-Füllungen
  5. Inlays und Kronen aus Keramik

 

Und in der zweiten Geschichte geht es dann um:

  1. Diagnostik mit Vitalitätstest und Röntgenbildern
  2. Desinfizierende Spüllösungen
  3. Medikamente zur Behandlung einer Wurzelentzündung
  4. Füllmaterial für Wurzelhalsfüllungen und Provisorien
  5. Kunststoff”-Füllungen aus Komposit-Füllmaterial

Viel Spass bei unserer Gastgeberin und Nachwuchs-Chemikerin Missdeclare wünschen euch

Kathi Keinstein und ihr Zahn Einsechs!

 

Zu niedrige Abgaswerte hier, zu viel CO2 dort – manipulierte Computerdaten und gewaltige Schadenssummen…in allen Medien liest man seit Wochen von skandalösen Praktiken rund um Abgasmessung und -deklarierung beim Autobauer VW und anderen. Aber was ist eigentlich das Problem mit dem Autoabgas, und was wird da so zweifelhaft gemessen, dass daraus ein weltumfassender Skandal erwachsen konnte?

Als ich vor den Sommerferien meine Probe-Lektion zum Einstieg in die berufspraktische Lehrerausbildung antrat, ahnte noch niemand etwas von all dem Aufruhr. In der Unterrichtsstunde, die ich halten sollte, waren Luftschadstoffe, wie sie auch in Autoabgasen zu finden sind, das Thema. Der Plan war, im Unterricht diese Schadstoffe im Abgas eines Autos nachzuweisen. Da ich selbst kein Auto besitze, war ein Car-Sharing-Fahrzeug die Abgasquelle meiner Wahl – und die Spannung war besonders gross, als sich das angemietete Auto gleich vor dem Schulhaus als VW Golf Variant mit Dieselmotor und “AdBlue”-Label entpuppte. Denn als Enkelin eines lebenslangen VW-Mitarbeiters habe ich eine besonders enge Beziehung zu Fahrzeugen dieser Marke (in meiner Familie wird seit ich denken kann keine andere Marke gefahren). Würde mir solch ein modernes Auto überhaupt genügend Schadstoffe für den Nachweis liefern?

Entsprechend habe ich mir alle Mühe gegeben, allem modernen Abgas-Management zum Trotz eine ausreichende Menge an Schadstoffen zu sammeln (ein Müllsack am Auspuff bei laufendem Motor leistet da gute Dienste). Der Versuch – eine Farbreaktion zum Nachweis von Stickstoffoxiden – lieferte dann auch ein überwältigendes Ergebnis: Was rosa werden sollte, präsentierte sich quietschpink: Es hatte Stickstoffoxide satt!

Erst über zwei Monate später, als der VW-Skandal Ende September die ersten Schlagzeilen machte, kam mir jener Versuch mit ganz neuer Brisanz versehen wieder in den Sinn: War der so gelungene Nachweis tatsächlich auf gute Planung und geschickte Probenentahme zurückzuführen, oder hatte ich es schlichtweg mit einer weniger effektiv gereinigten Abgasen zu tun als angenommen?

Aber fangen wir am Anfang an:

Verbrennungsvorgänge im Motor und was dabei entsteht

In den Fahrzeugen auf unseren Strassen findet man zwei Typen von Verbrennungsmotoren, die mit Flüssigtreibstoff laufen.

Der Ottomotor verbrennt Benzin, ein Gemisch aus relativ leichten Kohlenwasserstoffen – Molekülen mit rund um 7 Kohlenstoff-Atomen. Deshalb wird der Ottomotor in der Umgangssprache auch “Benzin-Motor” genannt. Kohlenwasserstoffe sind hoch entzündlich und verbrennen, einmal angezündet, mit Luftsauerstoff im Idealfall zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf:

Für einen vollständigen Reaktionsverlauf braucht es jedoch eine ideale Mischung der Ausgangsstoffe. Und die ist im engen Zylinder eines Ottomotors nicht gegeben. Dort gelangt nämlich nur eine vergleichsweise kleine Menge Sauerstoff hinein (mit voller Absicht, denn die Autobauer ziehen eine effiziente Motorleistung der perfekten Verbrennung vor). So werden nicht wenige der Kraftstoff-Moleküle auf “Sparflamme” verbrannt, wobei anstelle des CO2 Kohlenstoffmonoxid, CO, entsteht.

Die Verbrennung des Kraftstoffs setzt so viel Energie frei, dass sie – für kurze Zeit in einem engen Raum stattfindend – einen Kolben aus einem  Zylinder drücken und damit den Motor in Bewegung versetzen kann. Leider wird dabei in der Enge des Zylinders zusätzlich eine grosse Menge Wärme erzeugt. Und leider ist der Sauerstoff nicht allein in unserer Atmosphärenluft. Einen sehr viel grösseren Anteil (70% der gesamten Luft) daran hat das Gas Stickstoff, N2, welches normalerweise sehr reaktionsträge ist und kein Problem darstellt. Im Ottomotor wird allerdings auf engem Raum so viel Energie freigesetzt, dass sogar der Luftstickstoff zu brennen anfängt. Und was dann entsteht, ist für Mensch und Umwelt höchst unangenehm. Um nicht zu sagen hoch giftig: Es entstehen Stickstoffoxide.

Im Dieselmotor wird anstelle von Benzin Dieselöl verbrannt. Auch dieses besteht aus Kohlenwasserstoffen und unterscheidet sich vom Benzin vor allem darin, dass seine Moleküle wesentlich grösser und schwerer sind: Sie enthalten um die 18 Kohlenstoffatome sowie entsprechend mehr Wasserstoff als die Bestandteile des Benzins. Die vollständige Verbrennung von Dieselöl liefert somit die gleichen Produkte wie die Verbrennung von Benzin, nur gibt ein Diesel-Molekül wesentlich mehr davon her – nachdem es mit wesentlich mehr Sauerstoff-Molekülen reagiert hat:

Um diese Reaktion mit dem nötigen Treibstoff zu versorgen wird der Kraftstoff im Dieselmotor mit wesentlich mehr Luft verbrannt als im Ottomotor. Mehr Luft bedeutet allerdings nicht nur mehr Sauerstoff, sondern auch mehr Stickstoff – also insgesamt mehr Moleküle, die zu Stickstoffoxiden reagieren können.

Warum diese Abgase giftig sind

Das Stickstoffmonoxid (NO) ist nicht sehr beständig – es reagiert schon bei “normalen” Temperaturen mit weiterem Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid (NO2) weiter. Stickstoffdioxid  ist ein braunes Gas, das unangenehm chlorähnlich riecht. Und dieses Gas hat es in sich. Es löst sich nämlich in Wasser, um dann sofort mit diesem zu Salpetersäure bzw. salpetriger Säure zu reagieren:

Stickstoffdioxid ist das gemischte Anhydrid (d.h. die wasserfreie Ausführung) von salpetriger Säure (HNO2) und Salpetersäure (HNO3).

Salpetersäure ist eine starke Säure (und salpetrige Säure steht ihr da in wenig nach) und überdies ein starkes Oxidationsmittel – wo sie entsteht, wirkt Salpetersäure ätzend und geht zudem eine Vielzahl von Redox-Reaktionen ein.  Und Wasser gibt es in der Atmosphäre reichlich. Wenn Stickstoffdioxid auf die Wassertröpfchen in Wolken trifft, sind saure Wolken das Resultat, und aus sauren Wolken fällt saurer Regen. Dass der vielen Lebewesen nicht bekommt, wissen wir spätestens seit dem Waldsterben vor und in den 1980er Jahren.

Wenn Menschen (und Tiere) Stickstoffdioxid einatmen, trifft das Gas ebenfalls auf Wasser: Die Schleimhäute der Atemwege sind voll davon. Und wenn Stickstoffdioxid sich darin löst….niemand wird gern Säure in Bronchien und Lunge haben, zumal jeder sich vorstellen können wird, wie das beisst und kratzt und Husten auslöst (bei sehr hohen Konzentrationen eingeatmet führt das bis zu einem gefährlichen Lungenödem, weshalb Stickstoffdioxid als hochgiftig eingestuft wird!). Und dass Autoabgase genug Stickstoffdioxid enthalten können, um die Schleimhäute zu reizen, ist kein Geheimnis. Darüber hinaus gilt NO2 als krebserzeugend und ist an der Entstehung von Ozon in unserer Atemluft beteiligt. Es gibt also mehr als genügend Gründe, Stickstoffdioxid nach Möglichkeit zu meiden.

Kohlenstoffmonoxid (CO) ist ebenfalls giftig, wenn auch auf etwas andere Art und Weise. Dieses Gas kann nämlich – einmal eingeatmet – durch die Lunge in unser Blut gelangen (und davon merkt man in der Regel nichts, denn Kohlenstoffmonoxid ist farb- und geruchlos und wirkt nicht reizend). Dort bindet es an eben jene Bindungsstellen des roten Blutfarbstoffs, die für den Transport von Sauerstoff vorgesehen sind. Und anders als Sauerstoff lässt sich Kohlenstoffmonoxid so schnell nicht mehr davon lösen, sodass Sauerstofftransporter, die einmal Kohlenstoffmonoxid binden, für mehrere Stunden ausser Gefecht gesetzt sind. Bei einigen wenigen blockierten Bindungsstellen ist die Wirkung überschaubar – doch schon winzige Anteile an CO in der Atemluft genügen um die Sauerstoffzufuhr zu Zellen und Gewebe merklich lahm zu legen – im schlimmsten Fall mit Todesfolge.

Weitaus weniger unangenehm ist da des Kohlenstoffmonoxids nächster Verwandter, das Kohlenstoffdioxid. Dieses muss man schon in ausreichenden Mengen mit uns in einen engen Raum sperren, damit es den menschlichen Körper daran hindern kann sein selbst erzeugtes CO2 abzuatmen, sodass ein gefährlicher Rückstau im Atmungsvorgang entsteht. Viel grösser sind da die Schwierigkeiten, die uns Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre als Treibhausgas bereitet. Doch Treibhauseffekt und Klimaerwärmung sind langsame, langfristige Vorgänge, die weitaus weniger rasch zu bevölkerungsweiten Hilfeschreien führen als akute Vergiftungserscheinungen. So wird die Entstehung von Kohlenstoffdioxid anders als die Entstehung weitaus giftigerer Abgase in der Regel billigend in Kauf genommen.

Wie man die Freisetzung giftiger Abgase vermeidet

Im Laufe des 20. Jahrhunderts, als Strassenverkehr und industrielle Verbrennungsanlagen wie Kraftwerke immer zahlreicher wurden, bemerkte man rasch die Probleme, die eine allzu freizügige Abgabe giftiger Abgase mit sich brachte: Smog über Städten und Industriezentren, welcher besonders in Los Angeles berüchtigt war.

Aus Chemikersicht erscheint das Abgasproblem jedoch lösbar (zumindest weitgehend). Die verschiedenen giftigen Abgase, in den meisten Fällen Produkte “unvollständiger” Reaktionen, haben nämlich eines gemeinsam: Ihre Moleküle enthalten nicht wenig Energie und würden durchaus weiterreagieren (und das nicht nur mit Blutfarbstoff und Körperwasser!), wenn sie denn könnten – d.h. wenn sie einen genügend energiereichen Tritt in den Hintern bekämen. Dieser “Tritt”, auch Aktivierungsenergie genannt, müsste jedoch stärker sein, als ein Verbrennungsmotor ihn bei wirtschaftlichem Betrieb leisten könnte (Energie ist schliesslich teuer). Für solche Fälle kennen die Chemiker (die vermutlich bei der Natur abgeschaut haben) jedoch ein wirksames Workaround: Wird unwilligen Reaktionspartnern der richtige Stoff beigegeben, eröffnet dieser Stoff ihnen neue Wege zur Reaktion – Wege, die so bequem sind, dass sie ohne zusätzlichen Energie-Tritt in den Hintern begangen werden können! Ein Stoff, der eine solche wegweisende Wirkung hat, wird Katalysator genannt.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der Reaktionspartnern eine Reaktion auf einem alternativen Reaktionsweg bei verringerter Aktivierungsenergie ermöglicht.

Für Reaktionen mit Verbrennungsabgasen eignen sich Edelmetalle als Katalysatoren – das hatte man schon in den 1950er Jahren erkannt und ein Prinzip für die Reinigung von Autoabgasen entwickelt. Dummerweise verbot sich damals der Einsatz dieser Technik, da der damalige Ottokraftstoff Blei-Verbindungen zur Erhöhung der Klopffestigkeit enthielt – und Blei ist Gift für Edelmetallkatalysatoren: Es macht sie postwendend unbrauchbar. Erst als sich in den 1980er Jahren die Verwendung bleifreier Kraftstoffe zunehmend durchsetzte, begann der Abgaskatalysator seinen Siegeszug. Nachdem er Anfang der 1980er in den USA eingeführt worden war, war die Schweiz 1986 das erste europäische Land, das per Gesetz den flächendeckenden Einsatz von Katalysatoren vorschrieb. Deutschland setzte ein ähnliches Gesetz nach schrittweiser Einführung erst 1993 um.

Dass Abgaskatalysatoren, kurz KAT genannt, Mitte der 1990er neumodisch und im Rahmen der boomenden Umweltschutzbewegungen “in” waren, mochte sich auch darin niedergeschlagen haben, dass eine Schulfreundin mir damals den Spitznamen “Kat Diesel” verpasste (auch für Dieselmotoren gibt es Abgaskatalysatoren – die waren derzeit wohl noch neumodischer).

Gemeinsam ist allen Abgas-Katalysatoren die Art und Weise ihrer chemischen Hilfeleistung: Sie befinden sich hinter dem Motorenausgang in jenem Rohr, das letztendlich zum Auspuff führt, sodass die Abgase über das Edelmetall strömen können. Unerwünschte Moleküle können so mit den Atomen an der Metalloberfläche reagieren, bleiben daran haften und ihre Atome werden an Ort und Stelle neu zusammengefügt, ehe sie sich in harmloseren Verbindungen wieder auf den Weg durch den Auspuff nach draussen machen.

Katalysator im Auto

Im Einzelnen sind die verschiedenen Katalysatoren jeweils an “ihren” Motorentyp angepasst.

Der Katalysator zum Ottomotor: Drei Wege zu sauberer(er) Luft

Die Abgase, welche aus einem Motor in Richtung Auspuff strömen, müssen innerhalb kurzer Zeit quasi im Vorbeiflug zu neuen Molekülen umgebaut werden. Da dieser Umbau nur an einer Edelmetall-Oberfläche stattfinden kann, liegt auf der Hand, dass diese Oberfläche grösstmöglich sein sollte, damit darauf möglichst viele Gasmoleküle gleichzeitig umgebaut werden können. Unglücklicherweise sind Edelmetalle sowohl unheimlich schwer als auch unheimlich teuer. Und weil weder zu hohe Kosten noch vermehrter Kraftstoffverbrauch durch zusätzliches Gewicht zu sauberer Luft beitragen, werden in einem Abgaskatalysator nur kleinstmögliche Mengen an Edelmetallen verbaut.

So ist das Herzstück des Katalysators ein Block aus Keramik, der aus wabenartig aneinander gelagerten Röhren besteht. Dieser Träger wird so in das Auspuffrohr eingebracht, dass das aus dem Motor strömende Abgas auf all diese Röhren verteilt den Block durchströmt. Um die überströmte Oberfläche weiter zu vergrössern ist die Innenfläche der Keramikröhren mit einer sandpapierartig rauen Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt. Dieser Wash-Coat hat eine rund 7000 mal grössere Oberfläche als der Keramikträger als solcher. Das genügt um die durchströmenden Abgase in ausreichendem Umfang umzusetzen.  Die gewünschten Reaktionen finden an einer hauchdünnen Schicht aus Platin und Rhodium (evtl. auch Palladium) statt, welche auf den Wash-Coat aufgedampft ist. Diese katalytisch aktive Schicht eines einzelnen KATs besteht aus insgesamt nur 4 bis 9 Gramm der Edelmetalle.

Damit der spröde Keramikträger im fahrenden Auto nicht zerbricht, ist er in eine wärmeresistente Dämmung (die Abgase, die frisch aus dem Motor kommen, sind heiss und müssen auch heiss sein, damit der KAT funktionieren kann!) aus Drahtgestrick oder Keramikfasermatten eingehüllt und von einem Stahlgehäuse ummantelt.

Otto_Kat_Aufbau

Aufbau eines Drei-Wege-Katalysators: Die heissen Abgase aus dem Motor strömen von links ein, vorbei an der von oben eingeführten Lambda-Sonde. Nach dem Durchströmen des Keramik-Trägers (gelb) treten die aufbereiteten Gase rechts wieder aus. (nach: Vortrag: Autokatalysator von Karin Hotz und Johannes Bösch, www.swisseduc.ch)

An der katalytisch aktiven Schicht können unter diesen Voraussetzungen drei verschiedene Reaktionen ablaufen. Bei allen handelt es sich um Redox-, also Elektronen-Übertragungs-Reaktionen. Die Elektronenabgabe, also die Oxidation, wird dabei jeweils vom Platin katalysiert (auf den energiearmen Weg gebracht), die Reduktion jeweils vom Rhodium.

  1. Stickstoffdioxid kann mit nicht oder nur teilweise verbrannten Kraftstoffresten zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser reagieren. Kraftstoffreste sind verschiedene Kohlenwasserstoffe oder Bruchstücke davon, die ihrem Namen gemäss Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten. Sie sind starke Treibhausgase und gelten, besonders wenn es sich um Benzol und andere aromatische Moleküle handelt, als krebserzeugend. Stellvertretend für alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe steht in der folgenden Reaktionsgleichung Methan (CH4):
  2.  Stickstoffdioxid reagiert mit Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoff:
  3. Kohlenstoffmonoxid kann mit verbleibendem Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid weiter oxidiert werden:

Diese drei Reaktions-“Wege” haben dem Katalysator zum Ottomotor zu seinem Namen “3-Wege-Katalysator” verholfen. Sie alle werden gleichzeitig begangen und führen dazu, dass der grösste Teil der giftigsten Abgase (rund 95%) zu harmloseren Stoffen umgesetzt wird. Der elementare Stickstoff N2 macht 70% unserer Atmosphäre aus, sodass sich neu entstehender Stickstoff nahtlos einfügt. Darüber hinaus bleiben die Produkte der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.

Ein Abgas-Katalysator vermindert die Freisetzung von hochgiftigen Abgasen wie NO2 und CO, nicht aber die Freisetzung des Treibhausgases CO2!

Stattdessen wird die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe quasi vervollständigt – so wie sie nach der Gleichung für den Idealfall ablaufen sollte.

Für den besten Umsatz: Vom ungeregelten zum Regel-KAT

Damit ebendies so reibungslos funktionieren kann, muss die Zusammensetzung des Abgasgemischs genau passend abgestimmt sein. Dazu ist am Eingang des Katalysator-Gehäuses die sogenannte Lambda-Sonde angebracht, eine Elektrode, die anhand der Gesetze der Elektrochemie den Sauerstoffgehalt des Abgases misst und über eine Elektronik an die Einspritzanlage des Motors meldet. So kann die Herstellung des Kraftstoff-Luft-Gemischs stets so geregelt werden, dass hinten genau das herauskommt, was der Katalysator für eine optimale Wirksamkeit braucht. Entsprechend werden mit einer Lambda-Sonde versehene Katalysatoren auch als “Regel-KAT” bezeichnet.

Das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft im Motor wird von den Automobil-Technikern übrigens Luftzahl genannt und mit dem griechischen Buchstaben λ (Lambda) abgekürzt – daran angelehnt erhielt die Sonde, die dieses Verhältnis regelt, ihren Namen.

Und für Dieselmotoren: DeNOx-Systeme

Um die schweren Diesel-Moleküle zu verbrennen, wird der Kraftstoff im Diesel-Motor mit einem wesentlich höheren Luft-Anteil als im Ottomotor verbrannt. Der darin enthaltene zusätzliche Sauerstoff wird aber wiederum nicht vollständig verbraucht, sodass auch im Abgas mehr Sauerstoff zu finden ist. Der “Marsianer” Marc Whatney würde sagen: “Die Chemie ist eben eine unordentliche Schlampe…”. Und diese Schlamperei hat umständliche Folgen. Sauerstoff ist als Oxidationsmittel nämlich nicht nur für Verbrennungsreaktionen gut. In grösserer Menge sorgt er auch dafür, dass die Reduktion von Stickstoffdioxid zu  im Diesel-Abgas nicht funktioniert.

Deshalb müssen für die vollständige Aufbereitung von Diesel-Abgasen stets mehrteilige Systeme eingesetzt werden, die unter anderem unter dem etwas schwammigen Begriff DeNOx-Kat bekannt sind (NOx steht dabei für verschiedene Stickstoffoxide).

Eine mögliche Kombination besteht dabei aus einem Oxidations-Katalysator (Oxi-Kat), der Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser “fertig” verbrennen kann, und einem SCR-Katalysator. Das SCR steht für “selektive katalytische Reduktion” – dieser Katalysator fördert also die Reduktion eines ausgewählten (selektierten) Abgas-Bestandteils: Die der Stickstoffoxide. Zusätzlich kommen bei Dieselfahrzeugen Russpartikelfilter zum Einsatz, da die Verbrennung von Dieselöl nicht molekulare Kohlenwasserstoff-Reste hinterlässt, sondern auch grössere, stark kohlenstoffhaltige Rückstände, die gemeinhin als Russ bekannt sind und ebenfalls nicht in unsere Atemluft gehören.

DeNOx-System

Aufbau eines DeNOx-Systems: Die heissen Abgase aus dem Dieselmotor strömen von links zunächst durch den Oxidations-Katalysator. Von CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen befreit wird ihnen anschliessend verdampfende Harnstofflösung zugesetzt, aus welcher auf dem Weg zum SCR-Katalysator Ammoniak entsteht. Beim Durchströmen des SCR-Kats reduziert dieser Ammoniak die Stickstoffoxide, ehe die aufbereiteten Gase rechts wieder austreten. (nach: „Diesel tech“ von Hastdutoene – Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons.)

Die Reaktionen im Oxi-Kat entsprechen der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen sowie dem dritten Weg des 3-Wege-Kats zur Oxidation von Kohlenstoffmonoxid.

Im SCR-Katalysator werden schliesslich die Voraussetzungen geschaffen, um die Stickstoffoxide zu elementarem Stickstoff zu reduzieren. Da man den hinderlichen Sauerstoff nicht einfach verschwinden lassen kann, werden diese Voraussetzungen durch die Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel geschaffen: Ammoniak drängt den Stickstoffoxiden die zu ihrer Reduktion nötigen Elektronen praktisch auf, ohne dass der überschüssige Luftsauerstoff ihn daran hindern könnte.

Entstickung mit Harnstoff

Da Ammoniak ein unangenehm riechendes, gesundheitsschädliches Gas ist, wird es nicht als solches im Auto mitgeführt. Stattdessen wird Harnstoff (“Urea”, (NH2)2CO ) verwendet, ein ungefährlicher Feststoff, der bei Temperaturen über 133°C Ammoniak (NH3) freisetzt:

Das Nebenprodukt Isocyansäure (HNCO) reagiert mit anwesendem Wasserdampf weiter:

Harnstoff-Lösung in Wasser wird an Tankstellen unter dem Namen AdBlue verkauft (da Harnstoff bei der Düngemittelproduktion reichlich anfällt herrscht daran kein Mangel) und muss von Diesel-Fahrern, die einen SCR-Katalysator nutzen, regelmässig in einen gesonderten Tank nachgetankt werden.

AdBlue

Adblue tanken: Diesel-Zapfsäule mit Zusatz-Zapfhahn für Harnstofflösung (links) – und hier kommt die Lösung hinein… (rechts)(nach: „AdBlue Tankstelle“ von Beademung – Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 de über Wikimedia Commons bzw. „Tankeinfuellstutzen AdBlue“ von Kickaffe (Mario von Berg) – Lizenziert unter CC-BY-SA 4.0 über Wikimedia Commons.

Das Ammoniak-Gas wird den Abgasen vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator beigefügt, sodass es an der Oberfläche der katalytischen Schicht die Stickstoffoxide reduzieren kann:

Diese Reaktion läuft jedoch erst bei Temperaturen ab 250°C in nennenswertem Umfang ab. Bei zügiger Fahrt kommen die Abgase mit solch hohen Temperaturen aus dem Motor, sodass die Umsetzung im laufenden Fahrzeug kein Problem darstellt. Nach dem Anlassen eines kalten Motors muss dieser allerdings erst warm werden, ehe der SCR-Katalysator seine ganze Leistung bringen kann.

Genau darum wissend habe ich mich vor meinem Schulversuch bemüht, meine Abgase sofort nach dem Starten des Motors im Leerlauf zu sammeln (zur Erinnerung: Mein Test-Golf trug ein “AdBlue”-Label, welches das Vorhandensein eines SCR-Katalysators verrät). Das überragende Ergebnis bei dem Nachweis der Stickstoffoxide im gesammelten Abgas beweist daher zunächst, dass ich mich bei diesem Vorhaben ausreichend geschickt angestellt und meine Sammelaktion durchgeführt hatte, bevor Motor und Katalysator ihre Betriebstemperatur erreichen konnten.

Und worin besteht nun der Abgas-Skandal?

Der Teufel steckt in dem Computerprogramm, das die passende Zusammenstellung der Reaktionspartner in den Katalysatoren regelt. Diese Software ist in den betroffenen Fahrzeugen so geschrieben, dass sie erkennt, wenn das Auto auf dem Prüfstand einer Werkstatt einem Abgastest unterzogen wird. Daraufhin steuert die Software den  Motor so, dass möglichst wenig Stickstoffoxide entstehen – ohne dass er dabei die im Strassenverkehr optimale Leistung bringt.

Die “Fähigkeit” der Software einen Testlauf auf dem Prüfstand zu erkennen ist eigentlich für Autos entwickelt worden, die mit einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) ausgerüstet sind. Diese Funktion, die die Gefahr des Schleuderns (und seit dem “Elchtest-Debakel” mit der Mercedes-A-Klasse 1997 auch das Umkippen) von Fahrzeugen vermindern soll, muss für den reibungslosen Ablauf von Untersuchungen auf dem Prüfstand nämlich vorübergehend abgeschaltet werden. Die Verwendung einer solchen “Abschalteinrichtung” zum “Doping” von Katalysatoren ist hingegen und nachvollziehbarer Weise verboten!  Schliesslich sollen Abgastests ja die NO2-Freisetzung unter realen und nicht unter idealisierten Bedingungen prüfen.

Neben verbotenen, manipulativen Computerprogrammen ist jüngst ein zweiter Vorwurf laut geworden, bei welchem es um die CO2-Freisetzung geht. Dass der Einsatz von Katalysatoren die CO2-Entstehung bei der Kraftstoff-Verbrennung nicht vermindert, haben die Gleichungen für die katalysierten Reaktionen deutlich gezeigt. Da hilft auch Manipulation der Technik nicht weiter. So haben findige Rechen”genies” offenbar schlichtweg falsche Angaben zur CO2-Freisetzung ihrer Fahrzeuge gemacht, um besser da zu stehen.

Das Problem dabei: In Deutschland fliesst die Freisetzung (Emission) des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO2) durch ein Fahrzeug in die Berechnung der dafür zu entrichtenden Kraftfahrzeug-Steuer ein. Fahrer, die sich ein vermeintlich emissionsarmes Auto angeschafft haben, müssen nach der Aufdeckung und Richtigstellung der entsprechenden Angaben nun mit unverhofft höheren Steuerabgaben rechnen. Da erscheint es mir nur recht und billig, dass VW sich bereit erklärt, diese Mehrkosten zu übernehmen.

Fazit

Abgas-Katalysatoren reinigen Verbrennungs-Abgase sehr effektiv von hochgiftigen Stoffen. Die Abgas-Freisetzung, insbesondere den CO2-Ausstoss, können sie jedoch nicht völlig verhindern. Eine möglichst effiziente Aufbereitung von Abgasen ist aufwändig und kostenintensiv. Immer strengere Auflagen für die Automobil-Hersteller und -Betreiber scheinen da geradezu zum “Schummeln” zu verleiten.

Verbrennungsabgase entstehen übrigens auch bei der Herstellung von Strom und Komponenten für Fahrzeuge mit Elektromotoren. Der umweltbewussteste Weg von A nach B führt damit letztendlich über den Verzicht auf Kraftfahrzeuge wenn möglich, und damit über die Nutzung von Fahrgemeinschaften, öffentlichen Verkehrsmitteln oder der eigenen Füsse auf Velo und Gehweg.

Und welche Sorte Katalysator nutzt ihr?

Kürbis und Kaltes Feuer : Halloween

Dieser Beitrag erscheint anlässlich des ersten Blogging Day – organisiert vom wunderbaren Bloggerforum auf meinbloggerforum.de – und neu auch im Rahmen der Kürbis-Blogparade auf “Gesundheit lenkt Energie”

Halloween ist ein Inbegriff für lange, dunkle Nächte, für Grusel und Geistererscheinungen, die gemäss altem Brauch in der Nacht vor Allerheiligen auf Abstand gehalten werden sollen. In der heutigen Zeit bedeutet Halloween jedoch vielmehr Partyspass und angenehm-schauerliche Events.

Ob es  um historische Schreckgespenster oder neuzeitliche Party-Geister geht, beim nächtlichen Spuk sind rätselhafte Lichteffekte, geisterhaftes Leuchten und kaltes Feuer, unverzichtbar.

Diese ‘Geschichte’ lüftet das Geheimnis von drei Sorten gespenstischer Lichtphänomene, mit welchen du auch deiner Halloween-Party einen magischen Gänsehauteffekt verleihen kannst.

Fluoreszenz

Kathi und Reto arbeiten eifrig an ihrer Halloween-Dekoration. Reto ist in der Küche beschäftigt, möchte einen Kürbis schnitzen, als plötzlich ein derber Fluch ertönt.

“Das Messer ist abgebrochen”, erklärt Reto, als Kathi aufgeschreckt herbeigestürzt kommt, “so wird das nichts mit dem Schnitzen…”

“Dann nimm doch den hier, und zeichne dem Kürbis das Gesicht einfach auf.” Kathi drückt ihrem Freund einen Filzschreiber in die Hand und ist schon wieder im Wohnzimmer verschwunden.

Kurz darauf tönt es aus der Küche: “Was soll denn das? Die Tinte sieht man ja gar nicht!”

“Du wirst sie schon sehen!”, ruft Kathi zurück, während sie eben eine ziemlich schwarzviolette Glühbirne in die Lampe auf der Fensterbank schraubt, “zeichne einfach und dann bring den Kürbis hier rüber!”

Was hat Kathi vor?

Die dunkelblaue, fast schwarz erscheinende Lampe strahlt nur wenig sichtbares, dafür aber umso mehr ultraviolettes Licht ab. Die unsichtbare Tinte des Filzstifts, mit dem Reto das Kürbisgesicht zeichnen soll, enthält eine fluoreszierende Substanz. Das ultraviolette bzw. “Schwarz”-Licht kann diese Substanz zum Leuchten, zur Fluoreszenz anregen und das Gesicht auf dem Kürbis sichtbar machen.

Halloween einmal feuerfest: fluoreszierendes Kürbis-Gesicht - nur unter UV-Licht sichtbar!

Fluoreszenz: Dieses Kürbisgesicht wird erst unter UV-Licht (380 nm) offenbart!.

Was ist Fluoreszenz?

Das Leuchten unter Schwarzlicht, das man auch Fluoreszenz nennt, kommt im Prinzip genauso zu Stande wie die Farben, die wir bei sichtbarem Licht sehen: Auf den fluoreszierenden Stoff fällt Licht, einzelne Lichtquanten werden von Elektronen in der Elektronenhülle der Atome darin geschluckt und zum Umzug auf ein passendes, höheres Energieniveau ‘verwendet’.

Die meisten Lichtquanten aus Kathis schwarzer Glühbirne haben jedoch besonders kurze Wellenlängen und sind damit für das menschliche Auge unsichtbar (man findet dieses Licht im Lichtspektrum jenseits des violetten sichtbaren Lichts, weshalb man es “ultraviolettes”, kurz UV-Licht nennt). Eine kürzere Wellenlänge bedeutet jedoch auch eine grössere Energie, mit welcher ein UV-Lichtquant ein Elektron auf eine besonders hohe Energie-Etage in der Elektronenhülle befördern kann.

Von dort kann das Elektron in zwei Schritten auf seine Ausgangsetage – in den Grundzustand – zurückkehren (“die Treppe benutzen”). Das Geheimnis des Fluoreszierens beruht dabei auf der Länge dieser beiden Schritte.

In einem fluoreszierenden Molekül ist einer dieser Schritte nämlich so klein, dass das Elektron bei seiner Überwindung nur wenig Energie, also ein Lichtquant mit sehr langer Wellenlänge abgeben muss. Solches Infrarot-Licht ist für das menschliche Auge ebenfalls unsichtbar. Der andere Schritt ist folglich um einiges länger – so lang, dass das Elektron bei seiner Überwindung  ein sichtbares Lichtquant abgibt: Dessen Energie ist hoch genug, um nicht infrarot zu sein, aber klein genug, um auch nicht ultraviolett zu sein.

Fluoreszenz

Fluoreszenz: Elektronen werden mittels UV-Licht in einen hoch angeregten Zustand gebracht (1). Das Elektron kehrt in zwei Schritten in den Grundzustand (3) zurück Dabei entspricht ein Schritt der Abgabe eines unsichtbaren Infrarot-Lichtquants, der andere der Abgabe eines sichtbaren Lichtquants.

Retos Fluoreszenz-Filzschreiber-Farbstoff fluoresziert gelblich: Die Elektronen in dessen atomarem Hochhaus überwinden also auf ihrem Rückweg in den Grundzustand einen Abstand, der einem gelben Lichtquant entspricht. Andere Moleküle können jedoch andere Abstände haben. Ein Rubin (der nicht nur als Laser-Lichtquelle taugt), fluoresziert zum Beispiel rot, wieder andere Stoffe blau oder grün.

Welche Stoffe können fluoreszieren?

LED-Lampen (also Leuchtdioden, z.B. in Taschenlampen), die UV-Licht leuchten, bekommt man heute preiswert (in der Schweiz für unter 10 CHF) im Elektro-Handel. UV-Leuchtstoffröhren oder “Energiespar”-Lampen sind unter Umständen etwas teurer. Aber mit beiden lässt sich leicht herausfinden, welche Stoffe in UV-Licht fluoreszieren.

Einer der alltäglichsten fluoreszierenden Stoffe ist wahrscheinlich Kalk (Calciumcarbonat, CaCO3), der mit UV-Licht beleuchtet ebenso hellgelblich fluoresziert wie Retos Spezialtinte. So zeigt ein Rundgang mit der UV-Lampe durch das abgedunkelte Badezimmer deutlich, wo nachlässig geputzt wurde und enttarnt selbst bei normalem Licht unsichtbare Kalkablagerungen. Auch der Kalk in unseren Zähnen fluoresziert weisslich.

Waschmittel enthalten häufig sogenannte optische Aufheller. Das sind Stoffe, die bei der Wäsche in Textilien haften bleiben und in UV-Licht, zum Beispiel in der Disco, für das bläulich-weisse Leuchten weisser T-Shirts verantwortlich sind.

Mit Absicht werden fluoreszierende Stoffe in Geldscheine und Ausweisdokumente eingearbeitet um ihre Fälschungssicherheit zu erhöhen. Mit UV-Licht beleuchtet offenbaren sie häufig überraschendes (Geheimtipp: Der EU-Führerschein (die Plastikkarten-Version) ist besonders spektakulär!).

Fluoreszenz für dein Halloween:

Mit einem UV-Filzschreiber lässt sich nahezu alles zeichnen und mit UV-Leuchtmitteln (“Schwarzlicht”) gespenstisch in Szene setzen – als künstlerische Bearbeitung der Dekoration im Partyraum oder als raffinierte Details auf Kostüm und Accessoires.

Nur die eigene Haut und zum Essen gedachte Lebensmittel sollten nicht auf diese Weise dekoriert werden: UV-Filzschreiber enthalten Lösungsmittel wie Xylol, die gesundheitsschädlich sein können (Reto und Kathi wollen die Schale ihres Kürbis’ natürlich nicht essen, sodass sie die getrost bemalen können!).

Dafür gibt es eine breite Palette von Kosmetik- und Bodypainting-Produkten mit fluoreszierenden Farbstoffen, die für ein wahrhaft gruseliges Make-Up verwendet werden können, wenn eine Halloween-Party mit Schwarzlicht ansteht. Zudem dürfte dort auch das klassische Bettlaken-Gespenst zum geisterhaft-glühend weissen Blickfang werden.

 Phosphoreszenz

Da  UV-Leuchtmittel doch recht teuer sind und im Dauerbetrieb laufend Strom verbrauchen, hat Kathi sich noch etwas ausgedacht, um ihren Kürbis auch bei ausgeschalteter Lampe schaurig glühend in Szene zu setzen. In der Halloween-Ecke im Kaufhaus hat sie deshalb nach Artikeln mit der Kennzeichnung “glow in the dark”, zu Deutsch “leuchtet im Dunkeln”, gesucht.

Und das ganz ohne Stromanschluss. Zumindest fast – denn bevor solche Gegenstände im Dunkeln leuchten, müssen sie von einer hellen Lichtquelle – der Sonne oder einer Lampe – eine Zeit lang beleuchtet werden. Wenn man das Licht dann ausmacht, leuchten sie viele Minuten, wenn nicht sogar Stunden hell gelb-grünlich vor sich hin, ohne warm zu werden oder gar Strom zu brauchen.

Halloween einmal feuerfest: phosphoreszierende Kunststoff-Maden

Phosphoreszenz: Dieses Arrangement stand zuvor auf dem Balkon, um in der Sonne aufzuladen. Plötzlich tönte es von dort: “KAAATHII! Hast du den Kürbis gesehen? DEN willst du garantiert nicht mehr essen!! — Keine Sorge, Reto: Diese Maden sind aus Kunststoff und phosphoreszieren sogar im Dunkeln!.

Wie funktioniert das?

Diese Erscheinung, Phosphoreszenz genannt, ist wiederum eine besondere Eigenschaft bestimmter Stoffe. Auch in diesen schlucken Elektronen Lichtquanten (in diesem Fall sichtbares Licht aus der hellen Lichtquelle) und ziehen damit auf ein höheres Energieniveau um. Das besondere an diesen  Energieniveaus ist jedoch, dass die Elektronen extrem lange Zeit darin verbleiben können (Minuten oder gar Stunden, während sie in ‘normalen’ Atomen und Molekülen binnen winziger Sekundenbruchteile in den Grundzustand zurückkehren!).

So können die Elektronen phosphoreszierender Stoffe von sichtbarem Licht angeregt werden und die Energie der geschluckten Lichtquanten speichern, bis das Licht aus ist und die Party läuft, um sie dann im Laufe der Zeit in Form von Lichtquanten wieder abgeben, die die gleiche Wellenlänge haben wie das zuvor geschluckte Licht.

Phosphoreszenz

Phosphoreszenz: Elektronen werden durch sichtbares Licht angeregt (1). In einem phosphoreszierenden Stoff können Elektronen eine längere Zeit im angeregten Zustand verbleiben (2), ehe sie die zur Anregung geschluckte Energie wieder abgeben (3).

Welche Chemikalien/Stoffe phosphoreszieren?

Die “Phosphoreszenz” ist nach dem Element Phosphor (genauer gesagt nach weissem Phosphor) benannt, welcher einen Glow-in-the-dark-Effekt zeigt. Dessen Entdecker ahnte jedoch nicht, dass es sich dabei vielmehr um eine Form der Chemolumineszenz (siehe unten) handelt. Die Leucht-Farbstoffe in Glow-in-the-Dark-Accessoires bestehen meist aus Kristallen, in welche einzelne Fremdatome eingebaut sind.

Phosphoreszenz für dein Halloween:

Ob als fiese Maden, geisterhafte Spinnen oder weithin sichtbares Vampir-Gebiss: Glow-in-the-dark-Accessoires gibt es zu Halloween in reichlicher Auswahl und kommen in möglichst dunkler Umgebung besonders gut zur Geltung. Für ganz Kreative gibt es sogar Malfarben, die phosphoreszierende Stoffe enthalten. In jedem Fall sollten sie unmittelbar vor ihrem Einsatz kräftig mit Lichtquanten aus einer Lampe “aufgeladen” werden.

 Chemolumineszenz

“Und was machen wir mit dem anderen Kürbis, den ich schon ausgehöhlt habe?”, fragt Reto schliesslich. “Wenn wir da eine Kerze hineintun, wird immer einer von uns im Wohnzimmer aufpassen müssen, wenn sie brennt…”

“Ich weiss etwas Besseres”, wirft Kathi rasch ein, bevor Reto noch anfügen kann ‘…und ich weiss auch schon, wer das sein wird…’.

“Das hier habe ich auch im Kaufhaus gefunden”, erklärt sie und hält einen kleinen Kunststoffstab in die Höhe, der mit einer knallroten Flüssigkeit gefüllt ist. “Einmal knicken, und wir haben – hoffentlich für ein paar Stunden – kaltes Feuer: Gruselig rot leuchtend und ganz ohne Strom und Brandgefahr!”

Halloween einmal feuerfest: Kürbis mit Chemolumineszenz

Chemolumineszenz: Ein Knicklicht (links im Vordergrund) sorgt für gruselige Kürbisbeleuchtung ganz ohne Feuergefahr!

Wie will Kathi das denn hinbekommen?

Was Kathi da in der Hand hält, ist ein sogenanntes Knicklicht – ein Leuchtstab. Der besteht eigentlich aus zwei Stäben ineinander. Der innere Stab ist aus dünnem Glas und enthält den Stoff Wasserstoffperoxid (H2O2). Darum herum ist eine durchsichtige Hülle aus flexiblem Kunststoff. Im Zwischenraum zwischen Glasstab und Kunststoffhülle sind ein Stoff mit dem Name Bis(2,4,5-trichlorphenyl-6-carbopentoxyphenyl)oxalat, kurz CPPO, und ein Farbstoff, der fluoreszieren kann, eingeschlossen. Da Kathis Knicklicht rot aussieht, ist der Farbstoff darin wahrscheinlich ein Rhodamin (es gibt auch passende Farbstoffe in fast allen anderen Farben).

Knicklicht_Aufbau

Aufbau eines Knicklichts: (1) Kunststoffröhre: schliesst die Chemikalien sicher ein (2) Wasserstoffperoxid im Glasröhrchen (3) CPPO und ein Fluoreszenzfarbstoff (4) Wasserstoffperoxid tritt aus (5) wenn alle Stoffe vermischt sind, leuchtet der Stab (by Pbroks13 (CC-BY 3.0) auf Wikimedia Commons))

Wenn Kathi das Kunststoffrohr knickt, wird es nachgeben, aber nicht kaputt gehen. Anders das Glasrohr in dessen Innerem: Es wird zerbrechen, sodass alle Stoffe miteinander vermischt werden.

Sobald das geschieht, reagiert CPPO mit Wasserstoffperoxid zu zwei neuen Stoffen: 1,2-Dioxetandion und Phenol.

Reaktion_Phosphoreszenz_1

Ein “erhellendes” Molekül entsteht: CPPO reagiert mit Wasserstoffperoxid zu Phenol und 1,2-Dioxetandion (nach cyalume-reactions by Smurrayinchester (CC-BY-SA 3.0 auf Wikimedia Commons))

Das 1,2-Dioxetandion ist ein besonderes Molekül: Es enthält einen Ring aus nur 4 Atomen. Wer einen Molekülbaukasten hat und so etwas nachbauen will, wird feststellen, dass es einiges an Nachdruck und Fingerspitzengefühl braucht, um einen Ring aus 4 Atomen zusammen zu setzen. Wie in solch einem Modell steckt auch in dem wirklichen Molekül mit dem Vier-Ring eine ganze Menge Energie, die es zu einer speziellen chemischen Reaktion mit einem Fluoreszenz-Farbstoff befähigt: Es bringt den Farbstoff zum Leuchten!

Man nimmt an, 1,2-Dioxetandion “nimmt” sich dazu ein einzelnes Elektron aus der Hülle eines Farbstoff-Moleküls und “gibt” es anschliessend zurück – allerdings auf eine höhere Etage im atomaren Hochhaus. Das 1,2-Dioxetandion betätigt sich also als “Aufzug”, der ein Elektron des Farbstoffs mit Energie ausstatten und in einen angeregten Zustand versetzen kann. Es übernimmt damit die Rolle des UV-Lichts bei der Fluoreszenz.

Reaktion_Phosphoreszenz_2

Chemolumineszenz: 1,2-Dioxetandion nimmt ein Elektron eines Fluoreszenzfarbstoffs (“dye”) und gibt es auf ein höheres Energieniveau zurück. Dabei zerfällt 1,2-Dioxetandion in zwei Moleküle Kohlendioxid. Der Farbstoff im angeregten Zustand (“dye*”) gibt die so erhaltene Energie in Form eines sichtbaren Lichtquants (“hv”) ab: Der Farbstoff “fluoresziert” ohne dass UV-Licht zur Anregung nötig ist. (nach cyalume-reactions by Smurrayinchester (CC-BY-SA 3.0 auf Wikimedia Commons))

So kehrt ein angeregtes Elektron wie bei der Fluoreszenz alsbald in den Grundzustand zurück und strahlt dabei ein sichtbares Lichtquant ab. Ein Knicklicht “fluoresziert” also ohne Bestrahlung mit UV-Licht. Da es die Energie für sein Leuchten stattdessen aus einer chemischen Reaktion bezieht, nennt man diesen Vorgang “Chemolumineszenz”.

Chemolumineszenz für dein Halloween:

Knicklichter in allen Farben gibt es für wenige Rappen oder Cent zu kaufen. So lange du sie sachgemäss verwendest, d.h. ihre Kunststoffhülle nicht beschädigst oder sie grosser Hitze (offenes Feuer) aussetzt, sind die darin eingeschlossenen Chemikalien auch nicht gefährlich (entgegen mancher Gerüchte enthalten Knicklichter schliesslich KEINE radioaktiven Stoffe!).

Bedenke aber: Einmal geknickt wird ein Knicklicht bestenfalls einige Stunden leuchten, bis das enthaltene CPPO verbraucht ist – die Reaktion lässt sich, einmal gestartet, nicht mehr anhalten.  Dafür leuchten verbrauchte Knicklichter in UV-Licht weiter: Der enthaltene Farbstoff wird schliesslich nicht aufgebraucht und kann auch “normal” fluoreszieren!

Fazit

Ob mit Schwarzlicht, Glow-in-the-Dark oder erleuchtender Chemie: Zahlreiche geisterhafte Lichteffekte können uns eine gruselige Zeit bescheren. In diesem Sinne: Happy Halloween!

Und mit welchem gespenstischen Lichtzauber sorgst du für ein echt gruseliges Halloween-Erlebnis? 

Laser - Farbenfrohe Technik

Ein normaler Tag voller Laser

Eigentlich war es ein Tag wie jeder andere. Und wie jeder andere Tag war dieser Tag in Kathis Leben von einer faszinierenden Licht-Technologie geprägt, die den meisten von uns nur allzu selbstverständlich erscheint.

Kathi fuhr an diesem Tag mit dem Tram durch Zürich, ihre volle Einkaufstasche auf den Knien. Die Waren, welche nun schwer in ihren Schoss drückten, hatte sie im Einkaufszentrum mit den modernen Kassenautomaten erstanden, an welchen die Kunden ihre Einkäufe Stück für Stück selbst über das gläserne Feld mit dem roten Laserstrahl zogen.

Unter Kathis Einkäufen befand sich eine DVD-Box mit Folgen der Fernsehserie “The Big Bang Theory”, die sie ansehen wollte, sobald sie zu Hause wäre. Das DVD-Abspielgerät würde die Daten auf den Discs mit einem Laser abtasten und die verrückte Nerd-Clique auf dem Fernsehschirm zum Leben erwecken. Mit einem Schmunzeln auf den Lippen dachte Kathi an die Folge, in welcher die Jungs auf dem Dach ihres Mietshauses einen leistungsstarken Laser auf einen Spiegel auf dem Mond richten und den reflektierten Laserstrahl mit einem Detektor wieder auffangen – zum grossen Erstaunen von Nachbarin Penny und ihrem einfältigen Freund Zak…

Abrupt wurde Kathi aus ihren Gedanken gerissen. “S’Billett, bitte!” Ein Fahrkartenkontrolleur ragte vor ihr auf, seinen Handcomputer abwartend gezückt. Rasch kramte Kathi ihr Billett hervor, das der Kontrolleur sogleich unter den Laser-Scanner seines Computers beförderte. Ein Piep und ein “Beschtä Dank!” später war sie schon wieder allein.

Doch die Ruhe währte nicht lange. Ganz plötzlich kam das Tram mit einem heftigen Ruck zum Stehen. “Unsere Weiterfahrt verzögert sich um mehrere Minuten. Grund ist ein unvorhergesehener Zwischenfall – wir entschuldigen die Unannehmlichkeiten”, lautete die sogleich folgende Durchsage. Was Kathi nicht wusste: Soeben war der Fahrer ihres Trams von irgendwelchen Rowdies mit einem Laser-Pointer geblendet worden – was in jüngerer Zeit leider viel zu oft vorkam – und hatte eine Notbremsung ausgelöst.

Kathi seufzte und liess ihren Blick umher wandern, während sie auf die Weiterfahrt wartete. Dabei blieb sie an der Werbetafel einer Augenklinik hängen: Klare Sicht dank Laser-OP zum günstigen Preis…

‘Ohne Laser geht es heute wirklich nicht mehr’, ging es Kathi durch den Kopf. Aber was macht das Licht eines Lasers eigentlich so besonders?

 

Das Wort LASER ist ein Akronym für den englischen Ausdruck “light amplification by stimulated emission of radiation”, also “Lichtverstärkung durch stimulierte Abgabe von Strahlung”.

 

Das klingt sehr wissenschaftlich für eine so alltägliche Technologie, doch es beschreibt die ‘besondere’ Funktionsweise einer Laser-Lichtquelle sehr gut. Da wird also Licht verstärkt durch die Abgabe von Strahlung…also Licht. Und Licht, das sich selbst verstärkt, erhält damit einige besondere Eigenschaften, die es von “normalem” Licht unterscheiden – und so spannend für die Technik machen.

Laserlicht strahlt parallel

In “Farben, Licht und Glanz – Warum die Welt und bunt erscheint” habe ich bereits beschrieben, wie Licht aus der Elektronenhülle von Atomen abgestrahlt wird: Lichtquanten (auch Photonen genannt) werden von angeregten Elektronen abgegeben, die von den oberen Etagen eines atomaren Hochhauses nach unten, in den Grundzustand, zurückkehren. Diese spontan abgegebenen Lichtquanten breiten sich willkürlich in alle Richtungen aus: Eine nackte Glühbirne erhellt Wände, Boden und Decke eines Raumes, eine Taschenlampe, deren Glühbirne von einem Hohlspiegel umgeben ist, erzeugt immerhin noch einen immer weiter werdenden Lichtkegel.

Das Lichtbündel, das aus einem Laser kommt, strahlt jedoch schnurgeradeaus ohne merklich breiter zu werden – im Fall des Experiments der Jungs aus “Big Bang Theory” sogar von der Erde bis zum Mond und wieder zurück! Alle Lichtquanten oder -wellen, die einen Laser verlassen, breiten sich also in genau dieselbe Richtung aus.

In einem Laser wird nämlich ausgenutzt, dass Lichtquanten, die von Elektronen auf dem Rückweg in den Grundzustand abgegeben werden, andere Elektronen dazu stimulieren sich ebenfalls auf den Rückweg zu machen und den Stimulierenden gleiche Lichtquanten abzugeben. Das stimulierende und das neue Lichtquant setzen ihre Reise daraufhin gemeinsam in die ursprüngliche Richtung des stimulierenden Lichtquants fort.

Wenn sich also genügend Elektronen im gleichen angeregten Zustand aufhalten – also bereit für den gleichen Rückweg sind um ein gleiches Lichtquant abzugeben – können einige wenige Lichtquanten eine regelrechte Kettenreaktion auslösen, da durch Anregung neu entstandene Lichtquanten wiederum die Abgabe weiterer Lichtquanten stimulieren können. Und alle breiten sich in die gleiche Richtung aus.

stimulierte_Emission

Stimulierte Licht-Abgabe: Elektronen werden aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand “gepumpt” (1). Ein vorbei kommendes Lichtquant (2) kann das Elektron zur Rückkehr in den Grundzustand (3) unter Abgabe eines gleichartigen Lichtquants stimulieren.

In einer Laser-Lichtquelle geht es also zu wie auf einem Platz voller Menschen, über welchen jemand nach Osten läuft und einzelnen erzählt, am Ostende gebe es etwas umsonst. Diese einzelnen machen sich nach Osten auf und erzählen auf ihrem Weg die gute Nachricht weiter. Andere schliessen sich ihnen daraufhin an und verbreiten die Nachricht ihrerseits, und so fort, sodass sich binnen kurzer Zeit ein Grossteil der Menschenmasse nach Osten bewegt.

Damit es soweit kommt, muss der Platz jedoch erst einmal gefüllt, also Elektronen der Atome in der Laser-Lichtquelle (auch Lasermedium genannt) zum Umzug auf die gewünschte obere Etage bewegt werden. Damit sich die gute Nachricht vom Freibier im Osten durch die ganze Menschenmasse ausbreiten kann, muss diese Menge gross und dicht genug sein. Für die Elektronen im Lasermedium heisst das: Es müssen genügend Elektronen im angeregten Zustand sein (diesen Umstand nennen die Physiker “Besetzungsinversion”).

Um eine Besetzungsinversion zu erreichen wird Energie von aussen in das Lasermedium gespeist, zum Beispiel durch eine “normale” Blitzlichtquelle, die die Atome ‘beleuchtet’, oder in Form von elektrischer Energie aus einer Stromquelle. Ganz allgemein wird diese Energiequelle von aussen “Pumpe” genannt: sie pumpt die Elektronen in den Atomen des Lasermediums nach ‘oben’.

So füllt die Pumpe das Lasermedium nicht nur mit Elektronen in den oberen Etagen, sie sorgt im Dauerbetrieb auch für stetigen Nachschub, sodass stets genügend Elektronen in Bereitschaft für den Rückweg verfügbar sind.

Laser-Strahlen sind phasengleich

Die Lichtquanten bzw. -wellen, welche ihren “Verursachern” auf ihrem Weg folgen, breiten sich nicht nur in die gleiche Richtung wie diese aus. Sie beginnen ihren Weg auch in der gleichen ‘Phase’: Mit einem Wellenberg macht sich ein neuer Wellenberg auf den Weg, mit einem Wellental ein neues Wellental. So breiten sich wohlgeordnet stets Wellenberge mit Wellenbergen und Wellentäler mit Wellentälern aus. Derart geordnete (phasengleiche oder kohärente) Lichtwellen eignen sich dafür, Interferenzmuster, also Erscheinungen, die durch Überlagerung von Wellen entstehen, zu erzeugen und damit zu beweisen, dass Licht aus sich ausbreitenden Wellen besteht.

Phasenverschiebung

Phasenverschiebung und Phasengleichheit: Alle gezeigten Sinus-Wellen haben die gleiche Wellenlänge und Auslenkung. Die oberen drei Wellen sind jedoch phasenverschoben: Die senkrechte Linie würde bei einer Bewegung nach rechts die Wellenberge bzw. -täler zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchlaufen. Die beiden unteren Wellen sind phasengleich (kohärent): Wellenberge bzw. -täler stehen übereinander, sodass die Senkrechte die Wellen stets bei der gleichen Auslenkung schneidet. In der Lasertechnik gibt es bei der Phasengleichheit ein wenig Spielraum: Auch nur annähernd phasengleiche Laser-Lichtwellen gelten als “kohärent” – allerdings ist die Ausbreitungsstrecke, über welche diese Nachlässigkeit ohne messbare Folgen bleibt (die “Kohärenzlänge”), begrenzt.

Laser-Strahlen sind einfarbig

Damit irgendeine “Pumpe” ausreichend Elektronen gleichzeitig in den angeregten Zustand befördern kann, um eine Rückkehr-Kaskade auszulösen (und aufrecht zu erhalten), muss jedes Elektron für sich lang genug im oberen Stockwerk bleiben. Das tun die Elektronen jedoch meistens nicht: Sie kehren nur zu schnell von selbst in den Grundzustand zurück und geben ihr Lichtquant dabei ungerichtet ab.

Deshalb bestehen Lasermedien aus besonderem Material: Darin gibt es knapp unterhalb der oberen Etage noch ein Zwischengeschoss, das ein Elektron von oben klammheimlich erreichen kann, ohne ein Strahlungsquant abzugeben (stattdessen wird der zugehörige Energieanteil in Form von Wärme frei). In dem so erreichten Zwischengeschoss kann das Elektron wesentlich länger verbleiben, bevor es endgültig in den Grundzustand zurückkehrt und dabei das gewünschte Lichtquant abgibt.

Rubinlaser_termschema

Lasermedium mit “Zwischengeschoss”: Dieses Schema zeigt zwei mögliche angeregte Zustände (F1 und F2), von welchen ein Elektron ohne Abgabe von Strahlung schnell in das Zwischengeschoss (E) gelangen kann. Dort verbleibt es länger, meist, bis ein Lichtquant der Wellenlänge 694,3 nm vorbei kommt und das Elektron zur Rückkehr in den Grundzustand (A) und damit zur Abgabe eines zusätzlichen Lichtquants der selben Wellenlänge stimuliert. (by Markus Köhler, CC-BY-SA 2.5 auf Wikimedia Commons)

Der Abstand vom Zwischengeschoss zum Grundzustand ist bei allen Atomen im Lasermedium, die an der Lichtkaskade beteiligt sind, der selbe. So haben alle in der Kaskade erzeugten Lichtquanten die gleiche Energie, also die gleiche Wellenlänge bzw. Farbe. Laser, deren Medium nur einen möglichen Energie-Abstand zur Lichtverstärkung bietet, sind folglich einfarbig oder monochromatisch. Es gibt jedoch auch Laser, deren Medium mit mehreren Energie-Abständen funktioniert. Diese strahlen ein Gemisch von Lichtquanten verschiedener Wellenlängen aus und sind damit streng genommen nicht ganz einfarbig.

Laser-Strahlen schneiden durch Dinge

Das ist keine Science-Fiction. Laser-Strahlen können genug Energie haben um Augen-Hornhaut abzutragen, Karies aus Zähnen zu bohren und sogar durch Stahl zu schneiden. Aber wie kommt Laser-Licht zu derart gebündelter Energie?

Leberzellen unter dem Laser-Scanning-Mikroskop

Laser-Licht kann Gewebe zerstören:Die Bilder zeigen Leberzellen einer Ratte in einem Zellkulturgefäss. Die Zellkultur ist mit Farbstoffen geimpft worden, die unter einem “Laser-Scanning-Mikroskop” von einem Laser zum Leuchten (Fluoreszieren) angeregt werden. Das abgestrahlte Licht wird durch die vergrössernde Optik von einem Detektor aufgefangen und das Signal per Computer zu einem Bild umgerechnet. Der grüne Farbstoff (Calcein) befindet sich in der Zellflüssigkeit, im Zellkern (grosse runde Flecken) und einigen weiteren Zell-Organellen (hellgrüne Flecken). Der rote Farbstoff (TMRM) befindet sich in den Mitochondrien. Die besonders helle Zelle links wurde unmittelbar vor den Aufnahmen mit dem Laser bei höherer Leistung “beschossen”. In Folge dessen sind die Mitochondrien dieser Zelle beschädigt worden, sodass der rote Farbstoff hinaus und der grüne Farbstoff hinein gelangen konnte (der fein verteilte rote Farbstoff wird in der Zellflüssigkeit vom grünen Farbstoff “überdeckt”). Auf der vergrösserten Aufnahme rechts (ohne die rote Farbspur: die Mitochondrien erscheinen hier schwarz) ist der “Schatten” des quadratischen Querschnitts dieses Laserstrahls gut zu erkennen. Die Kantenlänge des Querschnitts beträgt nur 20 Tausendstel eines Millimeters! – Der Schaden an den Mitochondrien hat letztendlich zum Zelltod geführt. (Aufnahmen aus dem Spezialisierungspraktikum Medizinisch-Biologische Chemie 2006 am Universitätsklinikum Essen)

Zum Einen entspricht schon die Lichtquanten-Kaskade im Lasermedium einer gebündelten Menge Energie.

Zum anderen ist die röhrenartige Laserlichtquelle vorn und hinten mit einem Spiegel versehen. Die in Längsrichtung abgestrahlten Lichtquanten werden so zwischen den beiden Spiegeln hin- und her reflektiert, sodass ein Lichtquant viele Male an den Atomen des Mediums vorbei kommt und weitere Lichtquanten ‘mitreissen’ kann. So kann die Lichtkaskade um ein Vielfaches ihres gewöhnlichen Ausmasses verstärkt werden.

Darüber hinaus ist der vordere Spiegel für das Licht teilweise durchlässig. Er wirft nur einen Teil der eintreffenden Lichtquanten zurück in das Lasermedium, während der andere Teil einfach durch den Spiegel hindurch und aus dem Laser hinaus geht. Dieser Teil ist der Laserstrahl, den wir sehen und benutzen können (tatsächlich sehen wir Laserstrahlen nur, wenn sie direkt in unser Auge gerichtet sind oder ihr Licht an irgendetwas (meist Staub oder Nebel) aus ihrer Ausbreitungsrichtung hinaus gestreut wird).

Um eine bestmögliche Verstärkung des Laser-Lichts bei Erhaltung der Phasengleichheit zu erreichen, wird der Abstand zwischen den Spiegeln (und damit die Länge des Lasermediums) so gewählt, dass er einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der erzeugten Lichtquanten entspricht. So bleiben nicht nur die gewünschten Lichtwellen bei der Reflektion in der gleichen Phase, sondern unerwünschte Lichtwellen, die z.B. durch Streuung entstehen, werden quasi aussortiert.

Die so verstärkte Energie reicht allerdings noch nicht ganz um durch harte Materialien wie Stahl zu schneiden. Laserstrahlen, die dazu fähig sind, werden nach ihrer Erzeugung durch ein Linsensystem geleitet, welches sie bündelt, sodass in ihrem Brennpunkt genügend Energie auf engstem Raum zusammenkommt, um die gewünschte Schneidwirkung zu erzeugen.

Woraus baut man also einen Laser?

Der erste Laser, der je gebaut wurde, enthielt einen zylinderförmigen Rubin. Rubine, eine besondere Form des Minerals Korund, bestehen aus Aluminiumoxid (Al2O3), das im Idealfall farblos ist. Ein Rubin-Kristall enthält jedoch zusätzlich Chrom-Atome, die ihm seine rote Farbe verleihen – und eine Kombination von Energie-Niveaus haben, die zur Erzeugung einer Besetzungsinversion und damit einer Licht-Kaskade geeignet sind. Mit einer Blitzlicht-Hülse rund um den Rubin werden die Elektronen der Chrom-Atome in den gewünschten angeregten Zustand gepumpt und wechseln auf das ‘Zwischengeschoss’, bis sie unter Abgabe roter (694,3 nm) Lichtquanten in den Grundzustand zurückkehren, um erneut ‘hinauf’ gepumpt zu werden.

Lasermedien können aber ebenso gut flüssig oder gasförmig sein, und Laser-Licht kann heutzutage in praktisch jeder Farbe/Wellenlänge beziehungsweise jedem Wellenlängenbereich erzeugt werden.

In welcher Weise diese Farbenvielfalt zur Unterhaltung eingesetzt werden kann, zeigt dieses Video aus einer Lasershow, die ich vor vielen Jahren in einem bekannten Freizeitpark besuchen durfte (heute gibt es diese Show dort leider nicht mehr).

 

Besonderes Licht lässt sich vielfältig verwenden

Ein Lichtstrahl, der über lange Strecken einen fast beliebig kleinen Durchmesser behält, lässt sich sowohl zum Abtasten feinster Strukturen – seien es die Linien eines Barcodes oder einzelne Zellen unter dem Mikroskop – als auch als hoch präzises Schneide- oder Fräs-Werkzeug einsetzen – in der Augenchirurgie ebenso wie in der Stahlverarbeitung. Ebenso lassen sich schmal bleibende Laserstrahlen von kleinen Lichtsensoren vollständig wieder auffangen, sodass sie als Lichtschranke Verwendung finden – oder man setzt das punktförmige “Ende” eines Laserstrahls als beliebig langen “Zeigefinger” auf der Präsentationsfläche bei einem Vortrag ein.

Physiker gewinnen mit einfarbigen, kohärenten Lasern spannende Einsichten in die Wellennatur des Lichtes, oder mit extrem kurzen Laser-Pulsen die “schnellsten” Zeitlupenaufnahmen der Welt.

Laserstrahlen sind ausserdem immer wieder schön anzusehen, ob sie als bunte Fächer zu Musik arrangiert oder gar zum “Zeichnen” von Bildern verwendet werden.

Und wo ist dir zuletzt ein Laser oder Laserstrahl begegnet?

 

(Artikelbild: nach LASER by 彭家杰 , CC-BY-SA 2.5 auf Wikimedia Commons)

Letzte Woche hast du hier lesen können, warum viele Stoffe farbig erscheinen und warum wir unsere Welt bunt sehen. Jetzt im Herbst präsentieren sich Farben aber noch wundersamer als sonst: Die im Sommer grünen Blätter von Bäumen und Sträuchern werden gelb, orange und rot: sie ändern ihre Farbe!

Stoffe erscheinen farbig, weil ihre Elektronen Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen schlucken und vorübergehend auf ein anderes, erreichbares Energieniveau – eine höhere Etage im atomaren Hochhaus – wechseln können. Wenn sich die Farbe eines Gegenstands ändert, bedeutet das also, dass sich entweder der farbige Stoff darin verändert (und damit die Abstände zwischen den atomaren Hochhaus-Etagen), oder dass der Gegenstand mehrere farbige Stoffe enthält, deren Mischungsverhältnis sich ändert.

Mit dem hier beschriebenen Versuch kannst du nachweisen, dass Blätter von Pflanzen mehrere Farbstoffe enthalten. Dieser Versuch lässt sich bei Beachtung der Anleitung und Sicherheitsanweisungen in diesem Artikel und auf den Chemikalien-Behältern gefahrlos zu Hause durchführen. Kinder experimentieren nur unter der Aufsicht durch Erwachsene! Für Schäden in Folge der Durchführung, insbesondere bei Nichtbeachtung der Anweisungen, übernimmt Keinsteins Kiste keine Haftung.

Grüne Blätter enthalten Chlorophyll, einen grünen bzw. blaugrünen Stoff, der im Rahmen der Photosynthese die Energie absorbierter Lichtwellen in chemische Energie umwandelt. Diese Energie muss dann auf andere Moleküle übertragen werden. Das übernehmen andere Stoffe, die ebenfalls farbig sind: Die Carotinoide sind chemisch mit Vitamin A (beta-Carotin) verwandt und haben ähnlich diesem gelbe, orange bis rotbraune Farben. In einem frischen Blatt werden die Carotinoide jedoch vom Chlorophyll verdeckt bzw. damit vermischt, sodass die meisten Blätter im Sommer saftig grün erscheinen.

Im Herbst stellen viele Pflanzen ihren Photosynthese-Betrieb jedoch ein und machen Winterpause. Das damit überflüssige Chlorophyll in den Blättern wird dabei abgebaut, während die Carotinoide länger in den Blättern verbleiben. Ohne die Abdeckung durch bzw. die Mischung mit Chlorophyll erscheinen uns die Carotinoide nun uneingeschränkt gelb, orange und rot.


Einzelne Farbstoffe werden sichtbar, wenn man sie trennt

Um die einzelnen Farbstoffe im Farbgemisch der Blätter sehen und unterscheiden zu können, müssen wir sie voneinander trennen. Zum Trennen von Stoffen haben Chemiker viele verschiedene Strategien ersonnen, mit welchen sie die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Stoffe nutzen. Bei Farbstoffen, die wir allein durch Ansehen unterscheiden können, genügt es diese an verschiedene Orte zu sortieren, an welchen wir sie einzeln betrachten können.

Die passende Strategie dazu wird Chromatographie genannt: Das Farbstoffgemisch wird mit einem Fliessmittel vermengt (auch bewegliche bzw. mobile Phase genannt) und durch eine Art Flussbett (auch ruhende bzw. stationäre Phase)strömen gelassen. Die Farbstoffe verhalten sich dabei wie Treibgut im Fluss: Je nach ihrer Beschaffenheit bleiben sie unterschiedlich stark an Grund und Ufern (also dem Flussbett) des Flusses haften und kommen in einer vorgegebenen Zeit unterschiedlich weit voran. Die unterschiedlichen Treibgutsorten (oder Farbstoffe) können wir dann an verschiedenen Abschnitten des Flussbetts einzeln betrachten.

Um Blattfarbstoffe zu trennen genügt ein Streifen Papier als stationäre Phase, der in einem Honigglas oder ähnlichem, das als Trennkammer dient, aufgehängt wird. Als Fliessmittel, das gemeinsam mit den Farbstoffen die mobile Phase bildet, kann ein Gemisch aus Aceton und Benzin verwendet werden.


Vorbereitung für einen Versuch: Trennung von Blattfarbstoffen mittels Papier-Chromatographie

Wichtig! Lies dir die folgende Anleitung bis zum Ende durch, bevor du mit einem Versuch beginnst! Sie enthält wichtige Hinweise zu möglicherweise gefährlichen Stoffen und zur richtigen Entsorgung von Abfällen!

Für die Papier-Chromatographie zur Trennung von Blattfarbstoffen brauchst du:

  • grüne (im Herbst auch gelbe und/oder rote) Blätter von Pflanzen (z.B. Ahorn-Blätter)
  • Zeichenblock
  • Aceton (ein Lösungsmittel, das man im Baumarkt im Malerbedarf bekommt)
  • Fleckbenzin (aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Mörser und Stössel
    oder eine kleine, stabile Glas- oder Keramik-Schale und ein Werkzeug zum Zerstossen (wenn du mehrere Farbstoffgemische gleichzeitig trennen möchtest, empfehle ich für jedes Gemisch einen eigenen Mörser)
  • sauberen Sand (eine Messerspitze je Farbstoffgemisch)
  • ein leeres, sauberes Honig- oder Marmeladenglas mit Deckel und möglichst geradem Boden
  • Zwei Pasteur-Pipetten oder andere Dosierhilfen für kleine Flüssigkeitsmengen (z.B. Nasentropfen-Deckelpipetten aus der Drogerie)
  • Stecknadeln mit Kopf
  • Schere, Bleistift
  • Einen passenden Ort zum Experimentieren:
    Aceton und Benzin sind leicht flüchtig und sollten nicht unnötig eingeatmet werden! Arbeite deshalb im Freien oder in einem gut durchlüfteten Raum auf einer abwischbaren, lösungsmittelfesten Unterlage (kein Kunststoff!). Am Experimentierplatz und vor allem beim Experimentieren wird nicht gegessen, getrunken oder geraucht! Benzin und Aceton und ihre Dämpfe sind leicht entzündbar! Achte darauf, dass die Chemikalienflaschen wann immer möglich geschlossen sind. Da die Farbstoffe sehr lichtempfindlich sind, solltest du zudem bei gedämpftem Licht (in keinem Fall bei direkter Sonneneinstrahlung) und zügig arbeiten können.
  • Ich empfehle dir zudem eine Schutzbrille zu tragen:
    Lösungsmittel können die Augen reizen. Bei Augenkontakt mit den Flüssigkeiten wasche die Augen gründlich (10 Minuten lang!) aus und gehe danach im Zweifelsfall zum Augenarzt. Mit Schutzbrille ist es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass Lösungsmittel-Spritzer in deine Augen gelangen.

So bereitest du den Versuch vor

Zur Vorbereitung des Versuchs (hier ist weder Eile noch Lichtschutz nötig) schneide von einem Zeichenblock-Bogen (Din A4) einen Querstreifen von 3 bis 5 cm Breite ab und führen ihn senkrecht in das offene Honigglas, bis er den Boden berührt. Markiere die Höhe des Glasrandes auf dem Streifen und falte ihn ca. 1 mm unter der Markierung. Schneide den Bereich “oberhalb des Glases” in der Mitte senkrecht ein bis zum Falz, sodass du nun einen Halbstreifen nach vorn, den anderen nach hinten knicken kannst. Wenn du den Papierstreifen nun wieder in das Glas hängst, sodass die beiden Halbstreifen auf dem Rand aufliegen, sollte der ungeteilte Streifen senkrecht und gerade hängen und unmittelbar über dem Glasboden enden. Das ist unsere stationäre Phase.

Vorlage Chromatographie-Streifen

Muster für die Vorbereitung der stationären Phase:Der Streifen Zeichenblock-Papier ist quer dargestellt. Das rechte Ende entspricht unten und wird später in die Flüssigkeit in der Trennkammer getaucht. Fliessmittel und Farbstoffe laufen (bzw. steigen) im Versuch nach oben (entlang der Pfeilrichtung, die hier nach links dargestellt ist).

Nimm den Papierstreifen erst einmal wieder aus dem Glas. Fülle dann 8 ml (oder 8 gut gefüllte Pipetten) Fleckbenzin und 2 ml ( 2 gut gefüllte Pipetten) Aceton in das Glas. Sollte der Glasboden nicht ganz bedeckt sein, gib noch etwas mehr Benzin und Aceton im Verhältnis 4 : 1 hinzu. Schraube den Deckel auf das Glas, damit die Lösungsmitteldämpfe (du wirst sie riechen) nicht entweichen können.


Wie du die Farbstoffe aus den Blättern bekommst

Ab jetzt solltest du deinen Experimentierplatz vor direkter Sonneneinstrahlung bzw. Beleuchtung schützen und ohne längere Unterbrechung arbeiten können.

Gib eine Messerspitze Sand in einen Mörser. Zerschneide ein grünes (oder gelbes oder rotes) Ahornblatt in kleine Stücke (ich schneide das Blatt dazu alle 3 bis 5 mm längs ein und dann senkrecht dazu, sodass kleine Quadrate oder Rechtecke im Rechenkästchenformat entstehen) und gib die Schnipsel in den Mörser. Gib gerade so viel Aceton dazu, dass Flüssigkeit im Mörser sichtbar bleibt – in meinem Espressotassen-Mörser waren das eine, höchstens zwei Nasentropfen-Pipetten.

Aceton und Benzin müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle entsorgt werden! Indem du kleinstmögliche Mengen verwendest, die im Idealfall in kurzer Zeit verdunsten, vermeidest du unnötigen Abfall und bestenfalls den Gang zur Sammelstelle!

Zermahle die Blattschnipsel mit Sand und Aceton einige Minuten lang gründlich (sollte das Aceton dabei verdunsten, gib einfach noch ein paar Tropfen hinzu), bis das Aceton sich tief grün (oder gelb oder rot) gefärbt hat. Diese Lösung sollte möglichst viel Farbstoff in möglichst wenig Aceton enthalten. Eventuell überschüssiges Aceton kannst du einfach verdunsten lassen (den Behälter vor Licht schützen!).


Wie du die Chromatographie startest

Schiebe die Blattschnipsel beiseite und kippe den Mörser mit der Farbstofflösung etwas, sodass du die Flüssigkeit über dem Sand stehen siehst. Tauche einen Stecknadelkopf in die Lösung und tupfe die Flüssigkeit unten auf deinen Papierstreifen. Der Farbtupfer muss später oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Glas verbleiben! Ich habe meine Tupfer daher ca. 1 cm über dem unteren Streifenrand angebracht.

Lasse den ersten Tupfer kurz antrocknen und tupfe weitere Lösung auf dieselbe Stelle. Wiederhole das Auftragen, bis der Farbtupfer deutlich sichtbar und von intensiver Farbe ist. Dann schraube das Honigglas auf und hänge den Streifen wieder hinein, sodass sein Ende in die Flüssigkeit darin taucht. Lege den Deckel umgekehrt wieder auf die Glasöffnung, um die Lösungsmitteldämpfe am Entweichen zu hindern. Bewege das Glas jetzt nach Möglichkeit nicht mehr.

Chromatographie-Streifen im Honigglas

Papier-Chromatographie im Honigglas:Links der Papierstreifen, welcher die stationäre Phase bildet, mit einer getrennten Farbspur (aufgenommen nach dem Versuch); Rechts befindet sich der Streifen in der Honigglas-Trennkammer. Der graue Rand unten zeigt, wie weit das Papier in die Flüssigkeit eintaucht. Der zweite, nach hinten gecknickte Halbstreifen der Aufhängung wird hier durch den Deckel verdeckt.


Wie du deine Versuchsergebnisse sicherst

Die Flüssigkeit wandert von unten nach oben in den darin eintauchenden Papierstreifen – anfangs sehr schnell, später zunehmend langsamer. Dabei schwemmt sie die verschiedenen Farbstoffe unterschiedlich weit mit. Lasse den Versuch ca. 15 Minuten lang, maximal so lang, bis die Flüssigkeit den Falz fast erreicht hat, laufen, bevor du den Papierstreifen aus dem Glas nimmst und damit den Fluss stoppst. Schraube das Glas anschliessend gleich wieder zu.

Sieh dir die Verteilung der Farben an, während du den Streifen kurz trocknen lässt (die Lösungsmittel verdunsten sehr schnell, sodass das Papier im Nu trocken sein sollte). Markiere die farbigen Banden mit Bleistift und beschrifte sie. Da die Farbstoffe sich am Licht nach wie vor schnell zersetzen, können die Markierungen ggfs. für spätere Versuche als Referenz dienen. Wenn du Fotos machen möchtest, dann tu das am besten gleich nach dem Versuch, so lange die Farben noch am deutlichsten sichtbar sind. Der trockene Streifen lässt sich überdies zwischen den Seiten eines Buchs oder in einer geschlossenen Schachtel lichtgeschützt aufbewahren.

Papierchromatographie von grünen Blättern

Ergebnis der Chromatographie eines Farbstoffauszugs aus einem noch grünen Ahorn-Blatt: Beide Chlorophyll-Varianten sind deutlich zu sehen. Ausserdem haben sich die besser beweglichen Carotinoide vom etwas langsameren Lutein abgesetzt.

Wenn du die Farbstoffe aus einem grünen Blatt getrennt hast, solltest du von unten nach oben folgende Banden sehen können:

  • Startpunkt: Einige Stoffe wandern nicht erkennbar bzw. gar nicht, sodass der ursprüngliche Tupfen, nun gelblich-grau, immer noch sichtbar ist
  • gelbgrün: Chlorophyll B : Diese Variante des Chlorophylls wandert in Papier am langsamsten.
  • blaugrün: Chlorophyll A : Diese Variante des Chlorophylls wandert etwas schneller als Chlorophyll B.
  • gelb: Lutein (Xanthophyll) : Dies ist ein gelboranger Carotin-Farbstoff, der z.B. auch Eigelb gelb färbt.
  • orangegelb: einige weitere Carotinoide wandern noch schneller und damit weiter als Lutein.

Farbtupfer aus gelben Blättern enthalten keine sichtbaren Chlorophylle mehr, weshalb die Banden für Chlorophyll A und B bei solchen fehlen. Rote Blätter enthalten ebenfalls noch gelbe Carotinoide. Die roten Farbstoffe lösen sich weniger gut in Aceton und bewegen sich im beschriebenen Versuch nicht sichtbar vom Startpunkt fort.

Zum besseren Vergleich können auch mehrere Farbgemische auf einem breiten Papierstreifen nebeneinander untersucht werden.

Papierchromatographie von bunten Herbst-Blättern

Papier-Chromatographie mit mehreren Proben: Rechts eine weitere Probe von dem grünen Blatt aus dem ersten Versuch, in der Mitte eine Probe des Auszugs aus einem gelben Ahorn-Blatt, links aus einem dunkelroten Ahorn-Blatt. Das grüne Blatt enthält deutlich sichtbar Chlorophyll, das gelbe und rote Blatt nicht. Die Carotinoide und das Lutein sind bis an den Falz gewandert und dort gestaut worden (stoppe den Versuch, bevor das passiert!). Die roten Farbstoffe in der linken Probe haben sich nicht vom Startpunkt wegbewegt.


Weitere Chromatographie-Versuche

Enthalten Blätter von verschiedenen Pflanzenarten die gleichen Farbstoffe? Enthalten rote bzw. gelbe Lebensmittel (z.B. Gemüse, Früchte, Paprika-Gewürz) auch Carotinoide? Wie sieht es mit gelben und roten Blütenblättern aus?

Diesen Fragen kannst du mit weiteren Versuchen gemäss dieser Beschreibung einfach nachgehen. Fallen dir vielleicht noch mehr ein?


Entsorgung von Abfällen

Schraube das Honigglas nach dem Experimentieren gut zu, um den Rest des Fliessmittels für spätere Versuche aufzuheben. Mörser mit zermahlenen Blättern lasse über Nacht draussen (auf dem Balkon oder der Terrasse) stehen, bis die Lösungsmittelreste darin verdunstet sind. Blattreste und Sand kannst du dann in den Rest-Abfall geben. Lösungsmittelreste, die nicht verdunstet sind, müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle abgegeben werden. Fülle sie dazu in eine fest verschliessbare Flasche aus Glas oder Polyethylen (PE) bzw. Polypropylen (PP) (andere Kunststoffe werden eventuell von Aceton aufgelöst!) und lagere sie licht- und wärmegeschützt, bis du sie zur Abfall-Sammelstelle bringen kannst.

Fazit

Grüne Ahorn-Blätter enthalten zwei Varianten des Chlorophylls, den Carotin-Farbstoff Lutein und andere Carotinoide. Im Herbst werden die Chlorophylle schnell abgebaut, die Carotinoide wesentlich langsamer, sodass die Blätter sich gelb, noch später rot verfärben. Mittels Papier-Chromatographie mit Aceton/Benzin lassen sich Chlorophylle und Carotinoide mit wenig Zeitaufwand trennen.

Und die Farbstoffe welcher Pflanzenarten hast du getrennt?