Wie wäscht Seife? Wie kann ein Helikopter fliegen? Warum hilft Streusalz gegen Eisglätte? Antworten auf spannende Fragen von kleinen und grossen Forschern findet ihr hier!

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Gestern wurden die Nobelpreise für 2019 vergeben: Der Nobelpreis für Chemie geht an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino – für eine wahrhaft weltbewegende Erfindung: Den Lithium-Ionen-Akku.

Ein Preis für den grössten Nutzen für die Menschheit

Der schwedische Erfinder und Industrielle (u.A. Erfinder des Dynamits) Alfred Nobel verfügte vor seinem Tod am 10. Dezember 1896 in seinem Testament, dass von seinem riesigen Vermögen eine Stiftung gegründet werde, deren Zinsen “als Preis denen zugeteilt werde, die im verflossenen Jahr der Menschheit den grössten Nutzen geleistet haben”. Das Preisgeld wird zu gleichen Teilen in den Bereichen Physik, Chemie, Medizin bzw. Physiologie, Literatur und Friedensbemühungen vergeben*.

*Der ebenfalls oft genannte “Wirtschaftsnobelpreis” ist dagegen kein “echter” Nobelpreis: Er heisst eigentlich Alfred-Nobel-Gedächtnispreis für Wirtschaftswissenschaften und wird erst seit 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet.

Die Nobelpreise werden seit 1901 bis heute vergeben (teils mit Verspätung oder Auslassung, wenn kein würdiger Träger gefunden wurde oder ein Weltkrieg dazwischen kam). Dabei wird in jüngerer Zeit längst nicht mehr Leistungen des jüngsten “verflossenen” Jahres ausgezeichnet. Stattdessen wird Erfindungen und Bemühungen – besonders in den wissenschaftlichen Disziplinen – Zeit gegeben, ihre Bedeutung für die Menschheit zu beweisen.

Wie Lithiumionen-Akkus die Welt verändert haben

So werden auch die Träger des Nobelpreises für Chemie 2019 für Leistungen geehrt, die sie in den 1970er und 1980er Jahren vollbracht haben. Und die haben wahrhaftig unsere Welt verändert!

Eine Zeit ohne Hochleistungs-Akkus

Wenn ihr mindestens so alt seid wie ich (ich bin Anfang der 1980er Jahre geboren), werdet ihr euch noch an die Zeit erinnern, als Einwegbatterien meist giftiges Cadmium enthielten, wenig Leistung lieferten und eine geringe Lebensdauer hatten. Tragbare Kassettenspieler hatten monströse Batterieschächte, lichtstarke Taschenlampen konnten als Totschläger zweckentfremdet werden und leistungsstärkere Elektrogeräte gab es nur fest verortet an der Steckdose.

Wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkus, waren der neueste Schrei. Die ersten Vertreter ihrer Art waren schwere Brocken, denn sie enthielten ebenso giftiges wie schweres Blei. Die Nickel-Metallhydrid-Akkus, an die ich mich aus meinen letzten Jugendjahren noch erinnere, enthielten ebenfalls ein giftiges Schwermetall – Nickel – und konnten, bei nur wenig geringerem Gewicht, in ihrer Kapazität auch nicht mit den Einweg-Batterien mithalten.

1991 kam der Lithium-Ionen-Akku auf den Markt –  und erst Jahre später in meine Welt. Nämlich Mitte der 1990er verbaut in Papas erstem tragbaren PC – pardon, “Laptop”, von seinem damaligen Arbeitgeber. Der wog dereinst noch rund 4 Kilogramm – konnte aber, was jeder Office-PC an der Steckdose leistete! Darauf folgte sein erstes Mobiltelefon…und schon kurz darauf, um das Jahr 2000, konnte ich mir schon ein handliches Pre-Paid-Handy vom Schülerinnen-Taschengeld leisten.

Die neue Welt der Mobilität

Heute schreibe ich diesen Artikel an meinem modernen Convertible, der gerade einmal ein Kilo wiegt und trage einen Taschencomputer mit Telefonfunktion, der kleiner als eine Tafel Schokolade ist und mehr Rechenleistung aufbringt als Papas 4-kg-Laptop von damals, im Dauerbetrieb mit mir herum. Und das einen ganzen Tag lang.

Mein Lieblings-Autovermieter hat mir unlängst als nette Zusatzüberraschung ein Hybrid-Fahrzeug ausgehändigt, dessen Akku über den Dynamo im Verbrennungsmotor aufgeladen wird und damit langsame Fahrt mit einem Elektromotor machen kann. Auch im vollständig elektrisch betriebenen Tesla bin ich schon ein kleines Stück mitgefahren.

Ganz schön gross: Lithium-Ionen-Akku für ein Elektroauto (der erste, der in den USA von einem grossen Autobauer hergestellt wurde)
(by ENERGY.GOV [Public domain], via Wikimedia Commons)

Die Garage des Tesla-Besitzers mag statt mit Schindeln mit Solarzellen, die aus Sonnenenergie Strom erzeugen und in einen grossen “Tankstellen-“Akku speisen, gedeckt sein.

Besonders diese letzten Entwicklungen mögen die Jury zur Vergabe des Preises bewegt haben:

“Sie haben die Grundlage gelegt für eine drahtlose, von fossilen Brennstoffen freie Gesellschaft und sind für die Menschheit von größtem Nutzen.” 

Aber wie funktioniert eigentlich ein Lithium-Ionen-Akku?

Im Grunde genommen ist ein Akku (-mulator) eine Spielart der Batterie, nämlich eine wiederaufladbare Batterie.

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie im Allgemeinen ist ein Speicher für elektrischen Strom. Da “elektrischer Strom” ein Strom aus negativ geladenen Teilen, den Elektronen, ist, bedeutet das: Eine Batterie ist ein Behälter, in welchem Elektronen getrennt von positiven Ladungen aufbewahrt werden.

Eine einfache Batterie (auch: galvanische Zelle) zum Nachbau im Labor: Ein Zinkblech in Zinksulfatlösung (rechter Behälter) enthält viele Elektronen (Zink gibt seine Elektronen nämlich gerne ab und wird zu Zink-Ionen Zn2+ ). Kupferionen Cu2+ bilden einen Vorrat an positiven Ladungen im linken Behälter (sie nehmen nämlich gerne Elektronen auf und gesellen sich zu den Kupfer-Atomen im Kupferblech). Wenn Elektronen vom Zink zum Kupfer wandern, wandern zum Ladungsausgleich Sulfat-Ionen SO42- über die Salzbrücke (ein mit Salzlösung gefülltes Glasrohr) vom linken in den rechten Behälter. Sobald alle beteiligten Reaktionen zu einem chemischen Gleichgewicht (Was ist das? Le Châtelier erklärt es hier!) gefunden haben, kommen die Ladungsströme zum Erliegen: Die Batterie ist “leer”.
(by Myukew [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Nun lassen sich Elektronen nicht freiwillig von positiven Ladungen trennen (positive und negative Ladungen finden einander nämlich äusserst anziehend). Eine Batterie zu erschaffen erfordert dementsprechend Energie – die bei ihrer Benutzung in Form des elektrischen Stroms an das betriebene Elektrogerät weitergegeben wird.

Verbindet man die beiden Teilbehälter (die “Pole” einer Batterie sind quasi Öffnungen dieser Behälter) miteinander, strömen die Elektronen, angezogen von den positiven Ladungen auf der anderen Seite, dem gegenüberliegenden Pol entgegen. Und zwar so lange, bis an beiden Polen die gleiche Ladung versammelt ist. Dann gibt es nichts mehr, was fliessen wollte, und die Batterie ist leer.

Wie man eine Batterie wieder auflädt

Einweg-Batterien sind so geschaffen, dass ihr Material endgültig “verbraucht” ist, wenn die Ladungen an den beiden Polen erst einmal ausgeglichen sind. Sie müssen dann im Sondermüll entsorgt und aufwändig wiederverwertet werden. Deshalb waren wieder aufladbare Batterien von vorneherein erstrebenswert.

Solche müssen folglich aus Materialien bestehen, in welche man am negativen Pol neue Elektronen – aus einer Steckdose oder “frisch” aus einem Generator – hinein stopfen kann, während man am positiven Pol Elektronen herauszieht. In den ersten Akkus enthielten solche Materialien Blei, in späteren Nickel – beides giftige Schwermetalle, deren Name zudem Programm ist (besonders Blei ist ja als Schwergewicht wohlbekannt).

Zudem war das Hineinstopfen von Elektronen in ein Material nicht eben einfach. Schliesslich stossen sich gleiche Ladungen ja gegenseitig ab, sodass viel Aufwand nötig ist, um viele davon eng gepackt in den gleichen Behälter zu pferchen.

Michael Stanley Whittinghams Idee

In den 1970er Jahren kam der Chemiker M. Stanley Whittingham auf die Idee, das Zusammenpferchen von Elektronen zu erleichtern, indem er positiv geladene Ionen in das eigentliche Material am Minuspol einwandern liess, die diese Elektronen entgegennehmen sollten.

Dazu bot sich Lithium, das leichteste aller Alkalimetalle (der Elemente ganz links im Periodensystem unterhalb vom Wasserstoff) geradezu an. Wie alle Alkalimetalle ist es nämlich nur zu gern bereit, die entgegengenommenen Elektronen wieder abzugeben, sobald sie gebraucht werden. Zudem sind seine Salze wasserlöslich und es besteht aus den leichtesten Metall-Atomen des Universums, sodass es leichte Batterien verspricht.

Redox-Chemie im Lithium-Ionen-Akku

Whittingham verwendete also Titandisulfid, TiS2, (auch das Metall Titan(ium) ist relativ leicht und vor allem ungiftig) als Elektrode am Pluspol, in welches Lithium-Ionen eingelagert waren. Beim Aufladen bewegte der Überschuss an positiver Ladung die Lithiumionen aus dem Material hinaus, sodass sie zum Minuspol, einem Stück Lithium-Metall, wandern konnten. Dort angekommen konnten sie ein in das Lithium gestopftes Elektron aufnehmen und sich als Metall-Atome zum übrigen Metall gesellen:


Vielleicht erinnert ihr euch noch daran: Eine Reaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden, heisst Reduktion.

Zum Ausgleich werden am Pluspol Elektronen entfernt, sodass dort mehr positive Ladung verbleibt. Eine Reaktion wie diese, bei welcher Elektronen abgegeben werden, heisst übrigens Oxidation.


Wurde eine solche Lithiumbatterie über eine Ladevorrichtung mit einer Stromquelle verbunden, wurden also Elektronen aus Titandisulfid entnommen, während Lithium-Ionen von dort zur Lithium-Elektrode wanderten, um dort hineingestopfte Elektronen entgegen zu nehmen.

Nahm man dann die Stromquelle weg und verband die Pole stattdessen aussen herum mit einem Verbraucher (also ein Elektrogerät), gaben Lithium-Atome im Lithium-Metall ihre Elektronen wieder ab:

Die Lithium-Ionen wanderten zurück zum Titandisulfid, während die Elektronen durch den Verbraucher zurück zum Pluspol flossen und dabei das Gerät antrieben wie Wasser eine Mühle.

Wiederaufladbarkeit durch umkehrbare Reaktionen

Die Richtung der oben genannten Redox-Reaktionen wird nach dem Aufladen des Akkus bei seinem Gebrauch also einfach umgekehrt. Und sobald die Ladungen an den Polen ausgeglichen sind und der Akku damit “leer” ist, wird die Reaktionsrichtung beim nächsten Aufladen erneut umgekehrt, und dann wieder und wieder.

Dieses Umkehren funktioniert viele Male, bevor es zu einem merklichen Verschleiss des Materials kommt. Nur: In Titandisulfid liessen sich zwar so einige Lithium-Ionen unterbringen, aber noch nicht genug, als dass die Batterien wirklich handlich gewesen wären.

Vom Plus- zum Minuspol gelangen die Lithiumionen übrigens durch einen Elektrolyten, also einen Stoff (flüssig oder fest), der Ionen (und damit eine Spielart des elektrischen Stroms) leiten kann. Der Elektrolyt verbindet Minus- und Pluspol miteinander, wobei eine nur teilweise passierbare Trennschicht (“Separator”) dafür sorgt, dass das einen Kurzschluss gibt.

John Bannister Goodenough legt nach

Dem Physiker John B. Goodenough waren die Whittingham’schen Batterien deshalb nicht ‘gut genug’. So forschte er weiter und entdeckte 1980, dass sich Lithiumcobaltoxid, LiCoO2, noch besser für den Pluspol eines Lithium-Ionen-Akkus eignet als Whittinghams Titandisulfid. Denn in das Ionengitter dieser Verbindung passen besonders viele Lithiumionen. Und diese können hinaus und hinein wandern, ohne dass das Gitter daran Schaden nimmt.

Damit liess sich eine doppelt so hohe Spannung in der neuen Batterie erzeugen wie mit der ursprünglichen Version von Whittingham!

Wenn Hitze zum Problem wird

Einen Haken hat das Material aber doch: Ab einer Temperatur von 180°C wird aus Lithiumcobaltoxid Sauerstoff freigesetzt. Und der ist als rücksichtsloser Elektronendieb (auf chemisch: starkes Oxidationsmittel) berüchtigt. So reagiert der freigesetzte Sauerstoff wild mit den Materialien des Akkus, der daraufhin lichterloh und unlöschbar abbrennt (Fachleute sagen: der Akku “geht thermisch durch”).

Das lässt sich aber relativ leicht verhindern, indem man dafür sorgt, dass der Lithium-Ionen-Akku nicht zu heiss wird.

Ein wesentlich grösseres Problem stellt dahingehend Lithium-Metall dar. Die Fähigkeit von Alkalimetallen wie Lithium, sehr leicht ein Elektron abzugeben (also oxidiert zu werden), die für die Lithiumbatterien so nützlich ist, führt nämlich auch dazu, dass diese Metalle sehr lebhaft mit allem Möglichen reagieren. Zum Beispiel mit Wasser.

So konnte schon ein wenig Feuchtigkeit dazu führen, dass die Whittingham’sche wie auch die Goodenough’sche Lithiumbatterie kaputt oder gar in Flammen aufging. Das war für eine Anwendung ausserhalb des Labors mit seinen Sicherheitsvorkehrungen natürlich nicht vertretbar.

Akira Yoshino liefert den (vorerst) letzten Schliff

Der Ingenieur Akria Yoshino fand 1985 schliesslich einen stabileren Ersatz für das impulsive Lithium-Metall am Minuspol: Er verwendete Petrolkoks, einen kohlenstoffreichen Abfall aus der Erdölverarbeitung, in welchen wiederum Lithiumionen (bzw. -atome) eingebettet werden. Eine Elektrode aus einem solchen Material tut ebenso ihren Dienst wie metallisches Lithium, geht aber nicht bei jeder Kleinigkeit in die Luft. Heutzutage wird stattdessen Graphit, also reiner Kohlenstoff, verwendet, der, anders als Petrolkoks, keine weiteren und giftigen Abfälle mehr enthält.

Skizze eines modernen Lithium-Ionen-Akkus mit Lithiumcobaltoxid: Beim Aufladen wandern Li+-Ionen aus dem Lithiumcobaltoxid (links) zum Graphit (rechts), um Elektronen, die über den Kupferdraht (Cu) hineingelangen, in Empfang zu nehmen. Beim Entladen gibt das Lithium im Graphit die Elektronen wieder ab und die Li+-Ionen wandern zurück ins Lithiumcobaltoxid. Die Elektrolytlösung besteht aus einem organischen Lösungsmittel mit darin gelösten Salzen, die für die Leitfähigkeit sorgen.
(by Cepheiden [CC BY-SA 2.0 de], via Wikimedia Commons )

Damit waren alle Zutaten zusammen, um einen für die Anwendung durch Otto Normalverbraucher sicheren Akku auf den Markt zu bringen. Der erste seiner Art kam dann auch 1991 in einer Videokamera der Firma Sony aus Yoshinos Heimatland Japan auf den Markt.

Sind Lithium-Ionen-Akkus wirklich sicher?

Immer wieder hört und liest man in den Medien von Lithium-Ionen-Akkus, die in Flammen aufgehen und Verletzungen oder grössere Brände verursachen. Dennoch sind solche Vorkommnisse Einzelfälle, die meist durch Beschädidungen der Batterien (durch die Sauerstoff in die Akkus gelangen kann) oder Baufehler (wie 2017 bei dem berüchtigten Samsung Galaxy Note 7) verursacht werden.

So könnt ihr verhindern, dass eure Lithium-Ionen-Akkus “durchgehen”

  • Verwendet nur das Ladegerät, das für euren Akku bzw. euer Elektrogerät vorgesehen ist! So verhindert ihr, dass zu viele Elektronen hineingestopft werden und der Akku deshalb überhitzt.
  • Zerlegt oder/und kombiniert Lithium-Ionen-Akkus niemals selbst! Eine intakte Umhüllung sorgt dafür, dass reaktionsfreudige Bestandteile des Akkus drinnen und Sauerstoff und Wasser draussen bleiben.
  • Haltet eure Akkus und Geräte sowohl von Feuer und Hitze über 60°C (Sonneneinstrahlung!) als auch von Frost fern. Beide Extreme können zu Beschädigungen führen!
  • Wenn ein Lithium-Ionen-Akku beschädigt oder verformt aussieht, benutzt ihn keinesfalls, sondern entsorgt ihn umgehend (als Sondermüll bzw. beim Hersteller oder Verkäufer des Geräts)! Ist der beschädigte Akku neu und habt ihr noch eine Garantie für das Gerät, bekommt ihr allenfalls kostenlos Ersatz dafür.

Und wenn euer Akku doch einmal kaputt ist oder gar brennt

  • Die Lithium-Ionen-Akkus unserer Elektrogeräte enthalten kein metallisches Lithium. Wasser facht einen Brand eines solchen also nicht an, sodass ihr ein Gerät mit brennendem Akku und seine Umgebung getrost mit Wasser kühlen könnt. CO2– oder Schaum-Feuerlöscher könnt ihr ebenfalls verwenden.
  • Löschen lässt sich ein durchgehender Lithium-Ionen-Akku aber nicht. Lasst ihn daher, wenn möglich, an einem feuerfesten Ort (und fern von eurem Körper) einfach ausbrennen.
  • Droht ein Brand ausser Kontrolle zu geraten, ruft umgehend die Feuerwehr zur Hilfe (118 in der Schweiz, 112 in Deutschland und Österreich)!
  • Sollte Flüssigkeit aus einem beschädigten Akku auslaufen, lasst sie nicht an eure Haut gelangen: Die Elektrolytflüssigkeit aus solchen Akkus kann mit Wasser zu äusserst giftiger Flusssäure reagieren! Fasst auslaufende Akkus nur mit Schutzhandschuhen und kürzestmöglich (die Handschuhe danach sofort ausziehen und entsorgen!) an, umwickelt sie mit mehreren Lagen Plastik oder bringt sie am besten noch im zugehörigen Gerät umgehend zur Sondermüllentsorgung!

Die Zukunft der wiederaufladbaren Batterien

Mit den bestehenden Schwachstellen sind die heutigen Lithium-Ionen-Akkus besonders einem ihrer Mit-Erfinder noch immer nicht ‘gut genug’: Mittlerweile 97 Jahre alt (und damit der älteste Empfänger eines Nobelpreises aller Zeiten!) und kein Bisschen müde forscht John B. Goodenough bis heute an Neuerungen für wiederaufladbare Batterien.

Dabei zielen seine Neuentwicklungen darauf ab, das im Universum und damit auch auf der Erde relativ seltene Lithium durch seinen sehr viel häufigeren Bruder Natrium (dessen Ionen z.B. Bestandteil von Kochsalz sind) zu ersetzen.

Was ist im Grippe-Impfstoff drin?

Eigentlich will ich mich ja gegen die Grippe impfen lassen… aber eine wirklich penetrante Erkältung lässt mich (noch) nicht. Während die ausheilt habe ich Zeit, mich zu fragen: Was ist eigentlich in so einem Grippe-Impfstoff drin?

Die Frage kommt nicht von ungefähr, sind doch Impfungen einmal mehr in aller Munde. Nicht nur die Grippesaison steht vor der Tür. Zudem macht Deutschland mit dem Beschluss einer Impfpflicht gegen die Masern von sich reden.

Heute möchte ich aber vornehmlich beim Grippeimpfstoff bleiben, der einerseits ein spezieller Fall in der Impfstoff-Familie ist, andererseit aber als Beispiel für andere Impfstoffe herhalten mag.

Warum ist der Grippeimpfstoff speziell?

Letztlich aufgrund seiner eingeschränkten Wirksamkeit. Die beruht darauf, dass Grippeviren ganz besonders fiese Arschlöcher sind. Die mutieren nämlich schneller zu immer neuen Stämmen, als die Forscher Impfstoffe gegen sie entwickeln können (wie genau sie das machen, erklärt Mai Thi sehr gut in ihrem aktuellen Video).

So müssen Forscher schon zu Anfang eines neuen Jahres Vermutungen anstellen, wie der fieseste Grippevirus – besser die fiesesten Grippeviren – der kommenden Saison aussehen mögen. Denn Entwicklung, Herstellung und Erprobung einer neuen Impfstoff-Variante dauern gut ein halbes Jahr. Und danach können die Forscher nur hoffen, dass die tatsächlich grassierenden Viren den vermuteten zumindest ähnlich sind.

Anders als die Impfstoffe gegen Masern und andere Kinderkrankheiten, die nahezu immer schützen, bietet eine Grippeimpfung damit nur eingeschränkt Schutz gegen Grippe. Wenn es aber darum geht, ob man eine Woche statt drei Wochen flach liegt, ins Spital muss oder nicht bzw. mit einer massgeblich geringeren Wahrscheinlichkeit krank wird, lohnt sich die Impfung allemal. Auch jedes Jahr aufs Neue. Besonders, wenn man zu einer der Risikogruppen zählt, die das Schweizerische Bundesamt für Gesundheit nennt.

Die Grippeimpfung ist übrigens auch für Kinder einschliesslich Säuglingen ab 6 Monaten möglich. Und wenn die Kinder in die Krippe, den Kindergarten oder die Schule gehen, mag die Impfung sich für sie ebenso lohnen wie für ihre Lehrer und Erzieher.

Anbei: Für die aus medizinischen Gründen Gefährdeten (Senioren, Bewohner von Pflegeheimen, Kranke, Schwangere, Frühgeborene) übernimmt in der Schweiz die obligatorische Krankenversicherung die Kosten für die Impfung.

Aber was ist nun drin im Impfstoff?

In Impfkritiker-Kreisen kursieren zahllose Gerüchte um Quecksilber, Aluminium und andere angeblich fiese Hilfsstoffe, ganz zu schweigen von angeblich unsicheren Wirkstoffen.

Dabei lassen sich im Netz ziemlich einfach Fachinformationen mit genauen Inhaltsstofflisten im Netz auftreiben. Zum Beispiel im Arzneispezialitätenregister des Österreichischen Bundesamts für Sicherheit im Gesundheitswesen. Das einzige, was man dafür braucht, ist der Handelsnahme eines Impfstoffs.

Den habe ich mir aus einer Broschüre des Schweizerischen Bundesamtes für Gesundheit herausgepickt. Der Umstand, dass ich einen in der Schweiz gebräuchlichen Impfstoff in der österreichischen Datenbank gefunden habe, lässt mich darauf schliessen, dass solche Impfstoffe im DACH-Raum grenzübergreifend zum Einsatz kommen. Was jetzt kommt, wird demnach auch für Impfstoffe in Deutschland gelten.

Mein Beispiel-Impfstoff ist Fluarix Tetra®, zugelassen für Kinder ab drei Jahren und Erwachsene. Dieser Impfstoff kommt übrigens seit Jahren mit jeweils angepassten Virenstämmen zum Einsatz. Darin sind enthalten:

Inaktivierte Influenza-Virus Spaltantigene

Das ist der eigentliche “Wirkstoff” im Impfstoff, welcher das Immunsystem veranlassen soll, die Informationen über die gefährlichen Grippeviren zu speichern. Wie das Immunsystem arbeitet und wie das genau funktioniert, könnt ihr übrigens hier in Keinsteins Kiste nachlesen.

Aber was bedeutet dieser Fachausdruck eigentlich?

Um das Immunsystem zur Informationsverarbeitung zu veranlassen, müssen ihm Krankheitserreger “vorgeführt” werden. Damit der Körper dabei aber nicht krank wird, müssen diese Erreger entweder in einer abgeschwächten (“zahnlosen”) Version daher kommen (das nennt man dann einen Lebendimpfstoff), oder man führt dem Immunsystem funktionslose Bruchstücke der Erreger vor (als Totimpfstoff).

Um solche Bruchstücke herzustellen, züchten die Entwickler in speziellen Labors Grippeviren und zerlegen sie dann in ihre Bestandteile. Dabei lösen sie unter anderem Proteine (die fiesen “Stacheln”, die in vielen Virus-Darstellungen zu sehen sind) aus der Aussenhülle der Viren, trennen sie vom Rest und packen sie in den Impfstoff.

Keine Kunst, sondern ein echtes, koloriertes “Foto” von einem Grippe-Virus, aufgenommen mittels Elektronen-Tomographie (mit einem Elektronenmikroskop, das zum MRT für winzigkleine Dinge umgerüstet wurde). Die Protein-Stacheln in der Virushülle (blau) sind hier grün und gelb dargestellt. (US gov [Public domain], via Wikimedia Commons )

An diesen Proteinen erkennt nämlich unser Immunsystem die Viren. Nur – die Proteine allein, ohne Virenhülle und vor allem ohne Virenerbgut, können keine Grippe verursachen.

Moleküle, die unser Immunsystem erkennt, werden nun Antigene genannt. Da unsere Antigene bei der Herstellung von Viren “abgespalten” wurden, sprechen die Entwickler von Spaltantigenen. Und da sie allein keine Grippe (“Influenza”) mehr verursachen können, sind diese Spaltantigene “inaktiviert”.

Wie züchtet man Grippeviren?

Viren können sich nicht selbst vermehren (und sind damit nach landläufiger Definition der Biologen keine Lebewesen), sondern müssen dazu lebende Zellen befallen und deren Vermehrungsanlagen kapern. Deshalb sind zur Virenzucht lebende Wirtszellen nötig.

In den 1960er Jahren haben Forscher dafür geeignete Zellen in befruchteten Hühnereiern entdeckt. Darin wachsen nämlich nebst dem Küken auch verschiedene blasenartige Hilfsorgane. Und die Zellen von deren Aussenhäuten sind offenbar besonders gut geeignet, um in kurzer Zeit viele Grippe- und andere Viren herzustellen. Und zwar so gut, dass man diese Methode bis heute verwendet:

Befruchtete Hühnereier werden 10 bis 11 Tage lang im Brutschrank bebrütet. Dann wird durch ein kleines Loch in der Schale der gewünschte Virenstamm in das Anhangsorgan eingebracht und drei Tage lang weiter bebrütet. In dieser Zeit vermehren sich die Viren sehr stark und gelangen in die Flüssigkeit im Innern “ihres” Wirtsorgans. Dann wandern die Eier für einige Stunden in den Kühlschrank, sodass die Embryonen darin absterben (ich habe mir ja sagen lassen, dass der Tod durch Unterkühlung eine schmerzlose Angelegenheit sein soll, aber probiert habe ich es nicht), ehe die Flüssigkeit samt Viren entnommen wird.

Im Eier-Labor der FDA, USA: Ein Mitarbeiter spritzt Grippeviren in befruchtete Hühnereier, damit sie sich darin vermehren können. Im industriellen Massstab gibt es allerdings viel mehr Eier und das Ganze läuft automatisiert. (The U.S. Food and Drug Administration [Public domain], via Wikimedia Commons )

Es folgt das Zerlegen (“Inaktivieren”) der Viren mit Hilfe von speziellen Tensiden (Stoffen mit Superwaschkraft – diese können Proteine aus Virushüllen “waschen”, ohne dass die Proteine babei beschädigt werden!) und die Reinigung des Ganzen, damit am Ende nur in der Impfdosis landet, was dort hinein soll.

Moment – dabei sterben doch Tiere?!

Ja, das ist bis dato leider unvermeidbar, wenn wir uns vor der Grippe schützen möchten. Denn einen anderen Schutz vor der Grippe gibt es – besonders für irgendwie geschwächte Menschen – aktuell nicht.

Natürlich ist man heute schon weiter als vor sechzig Jahren und kann Viren auch in Zellkulturen züchten. Bloss funktioniert das mit Grippeviren nicht besonders gut. Die Ausbeuten an Grippeviren aus Zellkulturen sind so schlecht, dass es im Normalfall viel zu teuer wäre, die gewünschte Impfstoffmenge auf diese Weise herzustellen.

Warum Grippe-Impfstoffe manchmal knapp werden

Einzig wenn ein besonders ansteckender oder/und gefährlicher Grippe-Stamm auftritt und besonders flächendeckend geimpft werden soll, können die Entwickler nicht genügend Eier für die Zucht auftreiben und müssen auf die teureren Zellkulturen ausweichen. Doch dabei gibt es ein neues Problem:

Zum Arbeiten mit besonders ansteckenden (“pandemischen”) Grippe-Viren braucht man ein Labor der Sicherheitsstufe (BSL) 3. Und die haben viele Eier-Labors nicht. So bleiben die Produktionsmöglichkeiten auch unabhängig von den Kosten beschränkt.

Aber: Abhilfe ist bereits in Sicht

Da die Forscher jedoch weder Tiere töten noch Engpässe bei der Auslieferung wollen, arbeiten sie fleissig an neuen Möglichkeiten für die Virenzucht. Wie zum Beispiel in Münster mit Wimperntierchen (das sind Einzeller) als Wirten. Vielleicht gibt es ja schon ab 2025 eine wirtschaftliche Alternative zu den Hühnereiern.    

Anorganische Salze

Davon finden sich in Fluarix Tetra® eine ganze Reihe:

  • Natriumchlorid, NaCl (das “Kochsalz”)
  • Natriummonohydrogenphosphat, Na2HPO4
  • Kaliumdihydrogenphosphat, KH2PO4
  • Kaliumchlorid, KCl
  • Magnesiumchlorid, MgCl2 * 6 H2O

Alle diese Salze sind im Impfstoff in Wasser aufgelöst, sodass letztendlich folgende Ionen im Impfstoff enthalten sind: Na+, K+, Mg2+, Cl, HPO42-, H2PO4 (und für alle Chemiker, die es ganz genau nehmen, sind in verschwindender Menge auch PO43- und Phosphorsäure H3PO4 zu erwarten). Jedes dieser Ionen ist natürlicher Bestandteil praktisch jeder Körperflüssigkeit.

Die beiden Phosphat-Ionen ergeben zusammen einen Phosphat-Puffer, der dafür sorgt, dass der pH-Wert des Impfstoffs irgendwo zwischen 6 und 8 – also im “biologietauglichen” Bereich – stabil bleibt. So werden die Virus-Proteine darin nicht durch pH-Abweichungen beschädigt – und der pH-Wert des Impfstoffs passt weitgehend zu dem des Muskels, in welchen er gespritzt werden soll.

Die übrigen Ionen sorgen vermutlich dafür, dass die Impfstoff-Flüssigkeit einer Körperflüssigkeit ähnlich ist (sodass nach der Injektion z.B. kein ungewollter osmotischer Druck entsteht (was der anrichten kann, könnt ihr mit diesen Experimenten – mit Ei, aber ohne Küken – erfahren)).

RRR-alpha-Tocopherolhydrogensuccinat

Oder mit anderen Worten: Vitamin E. Also ein alter Bekannter aus der Ernährung und Hautpflege, der für seine Wirkung als Antioxidans bekannt ist. Das heisst, Vitamin E reagiert gern mit Stoffen, die sonst andere Bestandteile unseres Körpers oxidieren und für Stress in unseren Zellen sorgen würden.

Und ausserhalb des Körpers kann es ebenso gut mit Stoffen reagieren, die sonst Virenproteine und andere Impfstoff-Bestandteile kaputt oxidieren könnten. Damit ist das Vitamin E der einzige Konservierungsstoff (nagut, ausser dem Phosphatpuffer), den ich auf der Liste gefunden habe!

Polysorbat 80 (“Tween 80”) und Octozinol 10 (“Triton 100”)

Zwei der speziellen Tenside, die mit ihrer Superwaschkraft die Proteine aus den Virenhüllen lösen können. Da die Hüllen von Grippeviren aus fettähnlichen Stoffen (Lipiden) bestehen, sind Proteine, die daraus entfernt werden, naturgemäss nicht sehr scharf darauf, sich in Wasser zu lösen (fettfreundliche Stoffe mischen sich nicht mit Wasser und wasserfreundliche Stoffe nicht mit Fetten!).

Da die genannten Tenside – im Grunde spezielle “Seifen” –  nicht weitestgehend aus dem Impfstoff entfernt werden, vermitteln sie dort wohl auch weiterhin zwischen Proteinen und Wasser und sorgen so dafür, dass alle Bestandteile des Impfstoffs sich miteinander mischen.

Auf Lebensmittelpackungen werden solche Stoffe als “Emulgatoren” vermerkt. Tatsächlich ist Polysorbat 80 als Lebensmittelzusatzstoff (E 433) zugelassen, da es chemisch wie biologisch als weitgehend reaktionsträge gilt. Ausserdem zählt es zu den wenigen Emulgatoren, die man nicht nur problemlos verspeisen, sondern auch spritzen kann.

Solvent-Detergent-Verfahren: Eine sichere Sache

Auch Triton 100 ist für seine Sicherheit in Sachen medizinische Anwendungen bekannt. Das “Solvent-Detergent-Verfahren” (SD-Verfahren), mit welchem die Grippeviren bei der Impfstoffherstellung zerlegt werden, wurde nämlich ursprünglich zur Reinigung von Blutplasma zur Transfusion von darin unerwünschten Viren entwickelt (Und wer hats erfunden…? Nein, ein Amerikaner. Aber die Schweizer – genauer gesagt eine Firma aus dem von hier aus übernächsten Dorf – haben es finanziert und zur Marktreife gebracht).

Die Blutplasma-Reiniger hatten ein ähnliches Problem wie die Impfstoff-Hersteller: Mögliche Viren in gespendetem Blutplasma müssen unschädlich gemacht werden (damit sie den Empfänger nicht infizieren können), aber die Proteine im Plasma – insbesondere die Gerinnungsfaktoren – dürfen dabei ihre Funktion nicht verlieren.

Das SD-Verfahren leistet beides äusserst gründlich: Die Gerinnungs-Proteine in SD-Plasma bleiben zu wesentlichen Teilen funktionsfähig, während nach rund 10 Millionen Transfusionen bis 2009 keine einzige Infektion durch Viren mit Hülle (bei “nackten” Virenarten funktioniert das Verfahren nicht, sodass man sich um solche anders kümmert) gemeldet worden ist. Ebensowenig wurde je beobachtet, dass mit dem SD-Verfahren gereinigtes Plasma (wobei auch “Triton 100” zum Einsatz kommt/kam!), in irgendeiner Weise toxisch gewirkt oder eine Allergie ausgelöst hätte.

Wasser zu Injektionszwecken

Lösungsmittel – und zwar das Lösungsmittel, wenn es um lebende Organismen geht. “Zu Injektionszwecken” meint keimfrei und vermutlich so sauber wie irgend möglich. Schliesslich soll das ja in menschliche Körper gespritzt werden.

Gemäss meiner Annahme ausserdem der Grund dafür, dass die beiden oben genannten Emulgatoren noch in nennenswerter Menge im Impfstoff enthalten sind. Denn ohne sie würden sich die Virenproteine schlecht mit dem Wasser mischen. Und würde man auf ein fettfreundliches Lösungsmittel für den Impfstoff ausweichen, würde der sich mit der wasserfreundlichen Umgebung im Muskel gewiss nicht gut vertragen.

Weitere mögliche Inhaltsstoffe im Spurenbereich

Natürlich ist kein Reinigungsverfahren perfekt. So bleiben in jedem Produkt, das Reinigungsschritte durchläuft, winzige Spuren von Stoffen aus der Produktion zurück. So auch bei Impfstoffen. Die heutige Analytik ist allerdings derart präzise, dass damit festgestellte “Spuren” wirklich extrem winzig und meist gar nicht von Bedeutung sind.

In Fluorix Tetra® können folgende Stoffe in solch winzigen Spuren gefunden werden:

Bestandteile von Eiern

Unter anderem Proteine: Die bleiben bei der Trennung der Viren (-Bestandteile) vom Material aus dem Ei übrig. Unglücklicherweise (in diesem Fall) ist unser (adaptives) Immunsystem noch präziser als die moderne Spurenanalytik. So können schon einzelne Proteinmoleküle, die das Immunsystem “in den falschen Hals bekommt”, heftige allergische Reaktionen auslösen.

Menschen, die allergisch auf Ei-Proteine reagieren, können daher nicht mit den üblichen Impfstoffen gegen Grippe geimpft werden und sind deshalb auf Herdenschutz angewiesen!

Gentamicinsulfat

Ein Antibiotikum. Die kommen bei der Virenzucht in Eiern nicht zu knapp zum Einsatz (auch das ist ein Grund dafür, bald einen Ersatz für diese Methode zu finden). Die winzigen Mengen, die mit einer Impfdosis in den Muskel wandern, werden dort aber sicher rasch verstoffwechselt, bevor sie irgendetwas bewirken können.

Formaldehyd

Auch: Methanal, CH2O. Ist als Chemikalie in Flaschen ein ziemlich fieser Geselle (ein giftiges, ätzendes, erbgutschädigendes und krebserzeugendes wasserlösliches Gas).

Formaldehyd entsteht allerdings auch als Stoffwechselabfall im menschlichen Körper (und anscheinend auch in Hühnereiern bzw. beim Zerlegen von Viren). Und das in rauhen Mengen von 50 Gramm (!) pro Erwachsenem am Tag! Da solche Mengen Gift uns natürlich nicht zuträglich wären, baut der Körper diesen Abfall aber ratzfatz ab: Die Halbwertszeit von Formaldehyd im menschlichen Körper liegt bei 90 Sekunden bzw. 1,5 Minuten. Nach dieser Zeit ist von ursprünglichem Formaldehyd also nur noch die Hälfte vorhanden.

Mit einer Impfdosis gelangen nun schätzungsweise 1 bis 200 Mikrogramm Formaldehyd in den Körper. Zum Vergleich: Ein Liter Blut enthält normalerweise 2 bis 3 Milligramm davon. Das ist die 10- bis 1000-fache Menge! Enthält eine Impfdosis tatsächlich solche Spuren von Formaldehyd, fallen die vor dem Hintergrund des natürlichen Formaldehyds im Körper gar nicht auf.

Natriumdesoxycholat

Noch ein Tensid, das beim Virenzerlegen zum Einsatz kommt. Und ein Salz der Desoxycholsäure, einer sekundären Gallensäure, die in der Leber und von bestimmten Darmbakterien für den Einsatz im Fettstoffwechsel hergestellt wird.

Das Anion in diesem Salz ist Steroid-Hormonen sehr ähnlich. Vermutlich wird es deshalb – anders als die oben genannten Emulgatoren – vor der Fertigstellung des Impfstoffs vollständig wieder entfernt. Aber falls doch mal ein paar Ionen zurückbleiben, werden auch die zwischen den natürlichen Steroiden nicht weiter auffallen.

Was in diesem Impfstoff nicht enthalten ist

Nicht auf der Liste und damit nicht im Impfstoff enthalten sind folgende berüchtigte Kandidaten:

  • In irgendeiner Form krank machende Viren oder Virenbestandteile
  • Quecksilberverbindungen wie Thiomersal
  • Aluminiumverbindungen
  • Sonstige Konservierungsmittel (ausser Vitamin E und dem Phosphat-Puffer)

In den heutigen Impfstoffen, die meist als Einzeldosen verpackt und gekühlt auf den Markt kommen, ist generell kein Thiomersal mehr enthalten – weil es gar nicht mehr notwendig ist.

In früherer Zeit kamen solche Konservierungsstoffe zum Einsatz, als Impfstoffe noch in handlichen Flaschen zum vielfachen Aufziehen in die Spritze durch ein Septum ausgeliefert wurden.

Vorratsflasche mit Septum zum Durchstechen: So wird die Grippeimpfung bei uns in der Regel nicht mehr verabreicht (Jim Gathany [Public domain], via Wikimedia Commons )

Und solche Flaschen kommen heute allenfalls dann noch zum Einsatz, wenn eine Pandemie droht und die Verteilung des Impfstoffs schnell gehen muss.

Und was ist mit anderen Impfstoffen?

Einen kurzen Blick habe dann doch noch auf die Fachinformation zu einem MMRV-Impfstoff (Priorix Tetra, neueste Zulassung in Österreich 2010): Masern-Mumps-Röteln-Windpocken) geworfen. Der wird tatsächlich in Durchstechflaschen vertrieben, allerdings in Pulverform, mit einem Lösungmittel (Wasser), das direkt vor der Benutzung dazugespritzt wird.

So kommt der MMR(V)-Impfstoff Priorix in den Handel: Im Fläschchen links das Impfstoff-Pulver, in der Einwegspritze Wasser als Lösungsmittel, und zwei Kanülen, die auf Spritzen aus dem Bestand jeder Arztpraxis passen (Dctrzl [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons ).

Es handelt sich um einen Lebendimpfstoff, der aus “zahnlosen” Viren besteht, die wiederum in Zellkulturen gezüchtet werden (Masern und Mumps in embryonalen Hühnerzellen, weshalb Probleme für Ei-Protein-Allergiker auch hier nicht ganz ausgeschlossen werden können).

Darüber hinaus ist in diesem Impfstoff sogar noch weniger drin als im Grippe-Impfstoff. Neben den vier Virenstämmen nämlich Lactose (Milchzucker), die Süssstoffe Sorbitol und Mannitol (irgendetwas braucht man wohl als Trägersubstanz für die Viren) und verschiedene natürliche Aminosäuren. Ausserdem können Spuren des Antibiotikums Neomycin (auch Zellkulturen kommen nicht ohne Antibiotika aus) enthalten sein.

Auch hier: Kein Thiomersal, keine Aluminiumverbindungen, keine anderen Konservierungsmittel (Pulver halten sich oft besser als Flüssigkeiten).

Fazit

Auch wenn ich mir willkürlich nur einen einzigen Grippe-Impfstoff (und einen MMRV-Impfstoff) herausgegriffen habe, zeigt die Auflistung doch deutlich, dass praktisch alle Schreckensgeschichten über “böse” Bestandteile von Impfstoffen Mythen sind. Und die Stoffe, die tatsächlich darin sind, sind so verträglich, wie Stoffe nur sein können.

Einzig die Herstellung der Impfstoffe in den Hühnereiern ist ein Wehrmutstropfen – vegan oder vegetarisch sind (die meisten) Grippe-Impfstoffe damit sicherlich nicht. Auch als bekennende Allesesserin drücke ich fest die Daumen, dass wir bis in 5 Jahren Alternativen ohne tote (Vielzeller-)Tiere, Probleme für Allergiker und all zu viel Antibiotikaeinsatz haben werden.

Nichts desto trotz werde ich mich gegen die Grippe impfen lassen, sobald meine Erkältung überstanden ist. Nicht nur um meinetwillen, sondern auch aus Solidarität gegenüber meinen Schülern und ihren Familien (denn als Nachhilfelehrerin und eifrige ÖV-Nutzerin habe auch ich mit vielen Menschen zu tun).

Und was ist mit euch? Habt ihr euch gegen die Grippe impfen lassen? Oder werdet ihr noch?

Experiment für Kinder: Eis schneiden

Kann man einen Eiswürfel zerschneiden? Sicherlich…oder doch nicht? In diesem Experiment könnt ihr durch Eis schneiden, ohne es dabei zu zerteilen. Klingt nach Zauberei? In jedem Fall aber nach der wahrlich zauberhaften Physik von Wasser!

Ein Eiswürfel- Experiment für kalte coole Tage

Mit dem letzten Wochenende kamen die ersten kalten Tage des bevorstehenden Winters. Das ist genau die richtige Zeit für buchstäblich “coole” Experimente mit Eis und Wasser. Bei beiden handelt es sich natürlich um den gleichen Stoff – einmal fest, einmal flüssig. Und bestimmt wisst ihr auch, bei welcher Temperatur das Wasser am der Erdoberfläche diesen Zustand ändert. Richtig: Bei 0°C schmilzt Eis bzw. gefriert flüssiges Wasser.

Das ist an sich nichts besonderes. Die meisten Stoffe wechseln an der Erdoberfläche bei einer bestimmten Temperatur vom festen zum flüssigen Zustand und zurück. Nur manche Stoffe wie Kohlenstoffdioxid oder Jod werden ohne Umweg vom Feststoff zum Gas (Physiker sagen, diese Stoffe “sublimieren”, anstatt zu schmelzen).

Wasser hat darüber hinaus jedoch eine weitere Eigenschaft, dank derer ihr es für geradezu magische Phänomene und Experimente gut ist. Und ein solches Experiment für Kinder möchte ich euch heute vorstellen: So könnt ihr durch Eis schneiden ohne es zu zerteilen – und dabei nicht nur die Anomalie des Wassers nutzen, sondern auch lernen, wie Schlittschuhe funktionieren.

Ihr braucht dazu

  • Eiswürfel
  • eine Gabel
  • 1,5l-Getränkeflasche mit Inhalt oder ähnliches Gewicht (leichtere gehen auch, aber: je schwerer das Gewicht, desto besser!)
  • dünnen Draht
  • einen Tisch
  • Klebeband (Panzertape hält sehr gut und lässt sich erstaunlich einfach wieder ablösen)
  • einen grossen Behälter (Wanne, Backblech,…)

So geht’s

  • Klebt den Stiel der Gabel so auf dem Tisch fest, dass das Kopfstück mit den Zinken über den Rand der Tischplatte schaut.
Der Gabelstiel ist mit Panzertape an der Tischplatte festgeklebt. So trägt er das 1,5kg - Gewicht locker!
Mit Panzertape hält die Gabel bombenfest und lässt sich nach dem Experiment doch gut wieder lösen.
  • Platziert das grosse Gefäss unter der überhängenden Gabel. Der Boden soll schliesslich nicht nass werden, wenn euer Eiswürfel schmilzt.
  • Wickelt ein Stück Draht so um den Hals der gefüllten (ob mit Wasser oder sonst einem Getränk ist egal) Flasche, dass eine lange Schlaufe absteht.
  • Nehmt einen Eiswürfel aus dem Gefrierfach und legt ihn auf die Zinken der Gabel.
    Hängt die Drahtschlaufe über den Eiswürfel und lasst die daran hängende Flasche vorsichtig los.
  • Wartet einige Minuten ab und beobachtet!
Gabel, Eiswürfel und Wasserflaschen-Gewicht mit Auffangblech am Tisch
Aufbau im Ganzen: Oben an der Tischkante die Gabel mit dem Eiswürfel, darüber der Draht, an welchem die Flasche hängt. Das Backblech unten fängt Schmelzwasser auf – so bleibt der Parkettboden heil.
Im Hintergrund ein Blick hinter die Kulissen: Das Fotozelt – hier Lichtquelle – liefert bei den handlicheren Experimenten in Keinsteins Kiste den weissen Hintergrund!

Was ihr beobachten könnt

Der Draht sinkt langsam nach unten in das Eis. Dabei entsteht jedoch kein Spalt. Stattdessen verfestigt sich das Eis über dem  Draht erneut! Wenn der Eiswürfel nicht zu schnell schmilzt, schneidet sich der Draht den ganzen Weg hindurch – ohne das Eis zu zerteilen!

Sicht von vorne: Der Draht ist vollständig in den Eiswürfel eingesunken.
Nach einigen Minuten ist der Draht komplett in den Eiswürfel eingesunken!

Tipp: Je kühler die Umgebungsluft, desto weniger schnell schmilzt der Eiswürfel weg. Wenn es im  Zimmer zu warm ist, könnt ihr das Experiment ebenso gut im Garten oder auf dem Balkon machen. Je nachdem, wo ihr das Experiment aufbaut, braucht ihr dann auch kein Auffanggefäss für das Schmelzwasser.

Eiswürfel frei schwebend auf der Drahtschlaufe: Runterfallen ist unmöglich!
Der Beweis: Hier halte ich nur die Flasche fest! Der Eiswürfel ist wie eine Perle auf dem Draht “aufgefädelt” und schwebt somit abseits der Gabel frei.

Was passiert da?

Um Eis zu schmelzen ist Energie nötig (das könnt ihr mit diesem Experiment deutlich machen). Wenn man einen Stoff schmelzen möchte, führt man diese Energie normalerweise in Form von Wärme zu. Wasser – und das macht diesen Stoff so einzigartig – kann allerdings auch durch Druck zum Schmelzen gebracht werden.

Die Gewichtskraft, die auf die Flasche wirkt (und einer Masse von mindestens 1,5kg bei Erdanziehung auf Bodenhöhe entspricht), zieht den Draht nach unten. So übt er an der Auflagefläche Druck auf das Eis aus und lässt es unter dem Draht schmelzen.

Wie kann Druck zum Schmelzen von Eiskristallen führen?

Wasser ist ein ganz besonderer Stoff. Während die Dichte (die Masse eines bestimmten Volumens) der meisten Stoffe um so grösser wird, je kälter die Stoffe werden, hat Wasser bei +4°C die grösste Dichte.

Das heisst, ein Kilogramm Wasser bei 4°C braucht nicht nur weniger Platz als ein Kilogramm Wasser bei 20°C, sondern auch weniger als ein Eisblock von einem Kilogramm Gewicht (der höchstens 0°C warm sein kann). Dass Eis “grösser” ist als flüssiges Wasser, könnt ihr übrigens mit diesem Experiment zeigen: Eis wächst!

Wirkt ein Druck auf einen Stoff, wird dieser – wenig überraschend – zusammengedrückt. Die meisten Stoffe brauchen unter hohem Druck als Feststoffe am wenigsten Platz. Da Wasser jedoch als Flüssigkeit am “kleinsten” ist, wird es unter Druck flüssig – und das erst noch, ohne besonders warm zu werden. Denn denn wenigsten Platz braucht es ja bei nur 4°C oberhalb seines Schmelzpunktes.

Die Moleküle von flüssigem Wasser sind – anders als im Eiskristall – weitestgehend frei beweglich. So gelangen sie um den Draht herum, der somit nach unten auf das verbleibende Eis sinkt und es weiter schmelzen kann. Auf diese Weise “schneidet” sich der Draht durch den Eiswürfel.

Warum friert der Spalt über dem Draht wieder zu?

Sobald das flüssige Wasser einen Weg um den dünnen Draht herum gefunden hat, steht es kaummehr unter Druck (der Atmosphärendruck ist natürlich noch vorhanden, spielt hier aber keine massgebliche Rolle). So kann es sich wieder auf seine ursprüngliche Grösse ausdehnen. Da zum Ausdehnen Energie aufgewendet werden muss, kühlt die unmittelbare Umgebung dabei ab, und das Wasser oberhalb des Drahtes wird wieder zu festem Eis.

Schlittschuhspass dank der Anomalie des Wassers

Diese besondere Fähigkeit des Wassers habt ihr wahrscheinlich schon genutzt, ohne es zu wissen. Auf diese Weise funktionieren nämlich Schlittschuhe: Die Kufen üben Druck auf das Eis aus, sodass dessen Oberfläche direkt unter ihnen schmilzt. So entsteht ein dünner Film aus beweglichen Wassermolekülen, auf welchem eure Schlittschuhe fast ohne Reibungswiderstand über das Eis gleiten können!

Dabei müsst ihr euch keine Sorgen machen, dass eure Eisfläche durch das Schlittschuhlaufen wegschmilzt. Denn sobald eure Kufen weiter geglitten sind, kann sich das darunter zusammengedrückte Wasser wieder ausdehnen und gefrieren. Wenn ihr das nächste Mal auf der Eisbahn seid, achtet darauf: So lange die Lufttemperatur nicht übermässig hoch ist, werdet ihr keine flüssigen, sondern allenfalls fest wirkende Spuren hinterlassen.


Entsorgung

Wenn ihr die Eiswürfel aus Leitungswasser gemacht habt, könnt ihr das Schmelzwasser nachher wie Leitungswasser verwenden: In den Ausguss geben, die Blumen damit giessen,… Den Inhalt der Getränkeflasche könnt ihr selbstverständlich trinken – und damit zum Beispiel auf den gelungenen Versuch anstossen ;).

Sollte das Klebeband Rückstände auf dem Tisch hinterlassen, können Lösungsmittel wie Brennsprit/Spiritus (Ethanol), Fleckbenzin oder Aceton bei der Entfernung helfen. Testet vorher immer, ob eure Tischoberfläche sich mit dem Lösungsmittel eurer Wahl verträgt! Mein Panzertape habe ich übrigens ganz ohne Rückstände von der matt lackierten Holzplatte lösen können.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren! Erzählt doch mal, wie das Experiment bei euch funktioniert – oder von euren Beobachtungen beim Schlittschuhlaufen!

Guter Duft in reiner Luft? Wie Lufterfrischer funktionieren

Wer kennt sie nicht, die Lufterfrischer in der Fernsehwerbung? In welcher Zaubermittel aus Sprühflaschen kommen und unangenehme Gerüche ganz einfach einhüllen und verschwinden lassen? ‘Ganz einfach’, wie die Dinge in der Werbung nun mal sind. Und neu jetzt auch die Duftkerze oder -lampe von der gleichen Firma, um den lästigen Geruch auch gleich durch ein angenehmes, zum Beispeil weihnachtliches Aroma zu ersetzen…

Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchen 2019!
Das Tagesthema ist “so duftet Weihnacht” – hier mit meiner Erweiterung “…auch weihnachtlich”.
Weitere Beiträge zum Tagesthema findet ihr auf:
www.marie-theres-schindler.de
http://cosmic-blue.jimdofree.com
https://www.wanderingmind.de
www.diekunstdesbackens.com
https://allthewonderfulthings.de/
https://das-leben-ist-schoen.net

Grundsätzlich bin ich Werbeversprechen gegenüber ja erstmal skeptisch..besonders wenn es darin um chemische Vorgänge geht, die meinem Chemiker-Alltagsempfinden zu widersprechen scheinen. Zum Beispiel Moleküle, die einfach so verschwinden sollen. Aber ein näherer Blick hat mir offenbart: Mit einem tiefen Griff in ihre Trickkiste haben Chemiker auch das wirklich hinbekommen! Nun ja, mit gewissen Einschränkungen – die Naturgesetze wollen schliesslich geachtet werden.

Heute möchte ich euch zeigen: Wie funktionieren eigentlich Lufterfrischer? Welche verschiedenen Produktgruppen für eine angenehme Raumluft gibt es? Was taugen die tatsächlich? Können sie uns vielleicht sogar schaden? Und wie funktionieren die gängigen Hausmittel?

Was sind eigentlich Gerüche?

Gerüche sind Moleküle, die an die Geruchszellen in unserer Nase binden und diese dazu bewegen können, einen elektrischen Impuls an das Gehirn zu schicken. Letzteres verarbeitet dieses Signal dann zu einer Geruchswahrnehmung und gleicht sie mit seinen Geruchserinnerungen ab. Kennen wir dieses Molekül, oder ist es uns neu?

Dabei benötigt jede Molekülsorte ihre ganz eigene Andockstelle, um von uns gerochen werden zu können. Wenn ein Stoff geruchlos ist, heisst das also nur, dass wir keine passenden Geruchssensoren für seine Moleküle haben.

Der Geruchssinn ist also ein perfektes Beispiel dafür, dass unser Leben ‘ohne Chemie’ unvorstellbar ist. Sobald wir etwas riechen, ist da Chemie am Werk – ob es nun zarter Rosenduft oder der scharfe Toilettenreiniger ist.

Dabei ist diese Chemie uns äusserst nützlich: Ein Geruch, der von Menschen generell als unangenehm empfunden wird, weist häufig auf eine Gefahr hin. So ist entweder der stinkende Stoff selbst giftig, oder seine Erzeuger – namentlich Mikroben – können uns möglicherweise gefährlich werden. Der Impuls, vor Gestank davon zu laufen, lässt uns also Abstand von Gefahrenquellen halten.

Erfahrungen versus Instinkte

Zusätzlich zum instinktiven Riecher für Gefahren verbinden wir jedoch auch Erfahrungen mit Gerüchen. Und die können durchaus dem Instinkt entgegen gerichtet sein. In meiner – im positiven Sinne – aufregenden Zeit im anorganischen Praktikum hatten wir im Labor viel mit Schwefelwasserstoff (H2S), einem hochgiftigen Gas, das schon in kleinsten Mengen nach faulen Eiern stinkt, zu tun.

Seit dieser Zeit empfinde ich den unverfälschten Geruch kleinerer Mengen Schwefelwasserstoff nicht mehr als Gestank – weil ich damit erfreuliche Erfahrungen verbinde. Allerdings haben wir im Labor auch gelernt, dass Schwefelwasserstoff giftig ist, sodass ich bewusst das Weite suche, wenn mir sein Geruch begegnet.

Umgekehrt habe ich von Leuten gehört, die Lavendelaroma – für den Menschen in der Regel harmlos und von vielen als sehr angenehm empfunden – mit dem Wäscheschrank der strengen alten Tante verbinden und so bei der Begegnung mit Lavendelduft von Fluchtimpulsen geplagt werden.

Wie kann man gegen unangenehme Gerüche vorgehen?

Die beste Waffe gegen Gerüche in Räumen ist in meinen Augen: Geruchsquelle beseitigen, dann kurz und kräftig lüften.

Nur ist das Beseitigen mancher Geruchsquellen leider gar nicht so einfach. Deshalb haben findige Chemiker und Ingenieure eine ganze Reihe weiterer Helferlein zur Geruchsbekämpfung ersonnen.

Da Gerüche Eigenschaften von Molekülen sind, die wir mit der Luft einatmen, haben wir eine Vielzahl von Produkten entwickelt, um mit “stinkigen” Molekülen in unserer Raumluft fertig zu werden. Grundsätzlich lassen sich diese Helfer aber in vier grosse Gruppen einteilen.

So kann man gegen Gerüche vorgehen, indem

– man Unangenehmes mit Angenehmem überdeckt

Sogenannte Lufterfrischer geben Moleküle an die Luft ab, die wir als angenehm empfinden. So soll unsere Nase beschäftigt und von bestenfalls weniger häufig vertretenen unangenehmen Molekülen abgelenkt werden.

Zu den Lufterfrischern zählen Duftkerzen, Duftspray (z.B. von der Marke “Brise”), Parfums, Weihrauch, ätherische Öle und viele andere Produkte.

Nachteile von Lufterfrischern

Lufterfrischer beseitigen unangenehme Gerüche und ihre Ursachen nicht. Eine mögliche Gefahrenquelle bleibt also erhalten.

Zudem macht uns unser Gehirn bei dieser Methode zuweilen einen Strich durch die Rechnung. Empfängt es nämlich über längere Zeit (das heisst wenige Minuten!) einen gleichbleibenden Geruchsimpuls von der Nase, blendet es diesen bis zur nächsten Veränderung als unwichtig aus. Unabhängig davon, ob wir ihn als Duft oder Gestank wahrnehmen. Im ungünstigen Fall blendet das Gehirn so den Duft der gleichmässig brennenden Aromalampe aus, während der Gestank, den sie überdecken sollte, sich durch Luftbewegungen immer wieder leicht verändert.

Es sind also über längere Zeit hinweg grössere – möglichst leicht schwankende – Dosen Lufterfrischer nötig, um gegen unangenehme Gerüche anzukommen. Das erscheint mir auch deshalb bedenklich, weil praktisch jeder Duftstoff das Potential hat, Allergien auszulösen (Stoffgemische wie ätherische Öle enthalten besonders viele Kandidaten dafür!).

Bei Duftsprays kommt hinzu, dass darin meist Propan und/oder Butan (“Campinggas”) als Treibgase enthalten sind. Diese Gase gehören zu den leichtesten Vertretern der Erdöl-Bestandteile (weshalb sie gasförmig und daher letztlich dem Erdgas zuzuordnen sind). Die sind zwar wesentlich unkritischer als die berüchtigten FCKW (FluorChlorKohlenWasserstoffe), aber nichts desto trotz wirksamere Treibhausgase als CO2. Offiziell als solche gelistet, sind sie zwar nicht, weil sie in der Atmosphäre zu selten sind und mit Methan in Sachen Wirksamkeit nicht konkurrieren können, aber das ist in meinen Augen kein Grund, sie unkritisch in die Luft zu sprühen.

Was ihr bei der Anwendung von Lufterfrischern beachten solltet

Persönlich halte ich von der Überdeckung von Gerüchen am wenigsten, weil sie so wenig effizient und mit erheblichen Nachteilen behaftet ist. Wenn ihr trotzdem nicht darauf verzichten oder einfach einen gut gelüfteten Raum mit Duft “dekorieren” möchtet:

  • Klärt vorher ab, dass keiner der Bewohner (oder ggfs. auch regelmässigen Besucher) des Haushalts allergisch auf einen der Bestandteile eures Wunschduftes reagiert oder eine schlechte Erfahrung damit verbindet. Vergesst dabei auch eure Haustiere nicht!
  • Falls eine allergische Reaktion erst beim Ausprobieren des Lufterfrischers auftritt, seid bereit, das Produkt zu wechseln oder bestenfalls ganz darauf zu verzichten.

– man unangenehm riechende Moleküle einfängt (“neutralisiert”)

Sogenannte Duftneutralisierer werden in den Werbespots, die mich so skeptisch reagieren liessen, beworben. Solche Produkte enthalten häufig Cyclodextrine (z.B. die der Marke “Febreze”) oder auch Triethylenglykol (TEG). Und diese Stoffe stammen tief aus der Trickkiste der Chemiker.

Strukturformel von beta-Cyclodextrin: 7 Traubenzucker-(Glucose-)ringe sind zu einem grossen Ring verbunden (Stanisław Skowron [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Cyclodextrine sind Ringe aus aneinander gebundenen Traubenzucker-Molekülen (Wenn man Traubenzucker-Moleküle zu langen offenen Ketten verbindet, ist das Ergebnis Stärke. Wenn man Stärke in kurze Stücke schneidet und die zu Ringen schliesst, erhält man ein Cyclodextrine). Die Innenseite dieser Ringe lässt sich mit Fetten, aber nicht mit Wasser mischen. Bei der Aussenseite verhält es sich genau umgekehrt. Die lässt sich mit Wasser mischen, aber nicht mit Fetten.

beta-Cyclodextrin als Kalottenmodell
Kalottenmodell von beta-Cyclodextrin: weisse Halbkugeln (H-Atome) bilden fettliebende Flächen, rote Halbkugeln (O-Atome) dazwischen stehen für wasserliebende Bereiche. Die Innenfläche des Rings ist weiss, also fettliebend, während die roten Bereiche aussen liegen und den Ring als Ganzes mit Wasser mischbar machen.

So sind Cyclodextrine einerseits wasserlöslich, bieten in ihrem Inneren andererseits ein lauschiges Plätzchen für fettliebende Moleküle. Zu diesen gehören viele aromatische Verbindungen. Diese Verbindungsklasse, die sich durch eine gemeinsame Besonderheit ihrer Moleküle auszeichnet (meistens ist darin mindestens ein “Benzolring” zu finden), erhielt ihren Namen, weil ihre Vertreter in der Regel riechen – eben aromatisch sind.

Wenn diese Aromaten und andere anrüchige Fettliebhaber sich in ein Cyclodextrin verirren, bleiben sie leicht darin hängen. Und von einem Cyclodextrin-Ring umgeben können die Stinker nicht mehr an unsere Geruchszellen andocken. So können wir sie nicht mehr riechen.

Vorteile von Duftneutralisieren gegenüber reinen Lufterfrischern

Die riechenden Moleküle werden tatsächlich “kaltgestellt”, d.h. sie sind für uns nicht mehr wahrnehmbar. So kann uns auch das Gehirn keinen Strich durch die Rechnung machen. Cyclodextrine gelten zudem als ungiftig, nicht zuletzt, da wir sie im Gegensatz zu Stärke nicht verdauen können (beta-Cyclodextrin, ein Ring aus 7 Glucosemolekülen, ist sogar als Lebensmittelzusatzstoff unter der Nummer E 459 zugelassen). Auch beim Einatmen gelten unveränderte Cyclodextrine als unbedenklich.

Nachteile von Duftneutralisierern

Duftneutralisierer funktionieren nur bei fettliebenden Geruchsmolekülen. Wasserlösliche Moleküle können damit nicht eingefangen werden.

Die Geruchsmoleküle in der Luft und an Oberflächen werden zwar “unriechbar”, bleiben aber vorhanden. Die Luft wird also nicht wirklich “sauberer”. Durch gründliches Lüften nach der Anwendung lassen sich die Geruchs-Cyclodextrin-Verbindungen aber ebenso aus der Wohnung schaffen wie alle anderen Moleküle.

Neben den unbedenklichen Cyclodextrinen sind in Industrieprodukten stets eine Reihe weiterer, unter Umständen weniger harmlose Stoffe enthalten: Lösungsmittel, Konservierungsstoffe, Parfum,… Die atmen wir auch mit ein oder bekommen sie auf die Haut (wenn wir behandelte Textilien benutzen). Auch mit Oberflächen können diese Stoffe in mitunter überraschender Weise reagieren, zeigt nicht zuletzt ein schon etwas länger zurückliegende Testbericht der deutschen Stiftung Warentest.

Was ihr bei der Anwendung von Duftneutralisierern beachten solltet

Der Trick mit den “molekularen Zuckertüten” für stinkige Moleküle scheint zu funktionieren. Dennoch bin ich persönlich als Reinstoff-Liebhaberin gerade mit Industrieprodukten, die zusätzlich Duftstoffe enthalten, sparsam und verwende keine Duftneutralisierer. Wenn ihr das aber tun möchtet:

  • Verwendet Textilauffrischer und andere Duftneutralisierer zum Sprühen möglichst in gut gelüfteten Bereichen. So könnt ihr die eingefangenen Stinker gleich nach draussen schaffen.
  • Testet vor der grossflächigen Verwendung an einem kleinen, wenig sichtbaren Bereich, ob eure Oberfläche der Behandlung standhält.
  • Behaltet im Auge, ob irgendeiner der Bewohner (oder regelmässigen Besucher) das Produkt womöglich nicht verträgt (und im schlimmsten Fall allergisch reagiert). Sollte das der Fall sein, verzichtet sofort darauf.

– man unangenehm riechende Stoffe biologisch abbauen lässt

Sogenannte Geruchskiller enthalten Mikroorganismen, meist Bakterien, die spezielle organische Geruchsquellen mit Hilfe ihrer Enzyme verdauen können. Übelriechende Stoffe werden von solchen Bakterien abgebaut und verstoffwechselt, sodass auch und vor allem die Ursache des Gestanks beseitigt werden kann! Und das überall dort, wohin eine Flüssigkeit einsickern kann – z.B. tief in Textilien und Polstern.

Nachteile von Geruchskillern

Von allen Mitteln sind diese am wenigsten universell einsetzbar. Vielmehr müssen die passenden Bakterien für die jeweilige Geruchsquelle gefunden werden. Für unsere Lieblingsfeinde in der Geruchswelt – zum Beispiel Tabakrauch oder Tierurin – gibt es spezielle Produkte im Fachhandel. Aber nicht alle Gerüche können auf diese Weise beseitigt werden.

Bakterien brauchen überdies Zeit zum Fressen und Verdauen. Beim Einsatz von Geruchskillern ist also Geduld gefragt. Dafür sollte am Ende die Geruchsquelle ganz verschwunden sein.

Auch biologische Geruchskiller mit Mikroben können Duft- und Konservierungsstoffe enthalten. Benutzt sie also genauso umsichtig wie andere Industrieprodukte auch.

Was ihr bei der Anwendung von Geruchskillern beachten solltet

Unter allen Produkten gegen schlechte Luft sind mir diese noch am sympathischsten, weil sie die Geruchsquelle sauber beseitigen können. Und die Bakterien darin sind erst noch ungefährlich für uns Menschen. Beachtet dennoch folgendes, wenn ihr sie verwenden möchtet:

  • Lasst eurem Geruchskiller Zeit, seine Wirkung zu tun. Das kann schnell einmal Tage dauern. Aber dann ist die Geruchsquelle auch wirklich weg.
  • Behaltet – wie bei allen anderen Industrieprodukten – allfällige allergische Reaktionen der Haushaltsmitglieder im Auge.

– man überlriechende Moleküle durch Luftionisierung in Bruchstücke zerlegt

Luft-Ionisatoren sind elektrische Geräte, die mit Hilfe von elektrischer Spannung Luftmoleküle in geladene Teilchen – Ionen – zerlegen. So entstehende Sauerstoff-Ionen reagieren weiter zu Ozon (O3), einem aggressiven Oxidationsmittel. Ozon greift viele andere Moleküle – auch die Stinker unter ihnen – leicht an und zersetzt sie.

Dazu kommt, dass die Ionen Staub-Partikel anziehen, sodass diese sich zu Clustern zusammenfinden und so leichter aus der Luft gefiltert werden können.

Ionisatoren gibt es heutzutage in allen Grössen und Leistungsleveln, vom Mini-Gerät für den Zigarettenanzünder oder USB-Port im Auto über handliche Tischgeräte bis hin zum Bestandteil von Raumluft-Aufbereitern industriellen Massstabs.

Vorteile von Luftionisierung

Ozon ist ein Gas aus sehr kleinen Molekülen, die sich leicht im Raum verteilen und sogar tief in Textilien eindringen können, um dort ihr Werk zu verrichten. So besteht zumindest die Chance, dass sie auch die Quelle eines Geruchs erreichen.

Nachteile der Ionisierung von Luft

Ozon in der Atemluft ist bekanntlich gesundheitsschädlich (so ist es nicht überraschend, dass es schon in sehr kleinen Mengen einen unangenehmen Eigengeruch hat). Zudem greift es seine Reaktionspartner ziemlich willkürlich an, sodass bei der Zersetzung von Geruchsstoffe eine unübersichtliche Palette neuer Stoffe entstehen kann. Besonders aus Tabakrauch können dabei laut der Deutschen Lungenstifung Stoffe entstehen, die gefährlicher als der ursprüngliche Rauch sein können!

Ausserdem verursachen elektrische Geräte laufend Energiekosten.

Was ihr bei der Anwendung von Ionisatoren beachten solltet

Obwohl sie das Übel mehr oder weniger an der Wurzel anfassen, also im besten Fall einen Geruch samt Ursache beseitigen können, sind die Erzeugnisse von Luftionisatoren nicht unbedingt gesund. Wenn ihr sie dennoch verwenden möchtet:

  • Setzt sie nicht zur Bekämpfung von Zigarettenrauch ein.
  • Verwendet sie, wenn möglich, in gerade nicht benutzen Räumen und lüftet danach gut. So werdet ihr auch die Zersetzungsprodukte und das Ozon los.
  • Grössere Luftaufbereitungsanlagen verbinden Ionisatoren häufig mit anderen Vorrichtungen wie Filtern, UV-Licht und mehr, sodass sie die Zersetzungsprodukte bestenfalls gleich beseitigen können.

– man übelriechende Moleküle und ihre Quellen “mechanisch” wegschafft

Mein absoluter Favorit bei der Geruchsbekämpfung: Die Ursache finden und beseitigen (wegtragen, auswaschen, sauber machen,…) – und dann kräftig durchlüften.

Vorteile

Blosses Lüften (kurz und kräftig) und das effektive Beseitigen von Geruchsquellen ist meistens und gerade auf Dauer kostengünstig. Ausserdem werden weder zusätzliche Stoffe eingebracht (abgesehen von allfälligen Reinigungsmitteln bei der Ursachenbeseitigung) noch neue, unberechenbare Abbauprodukte erzeugt.

Nachteile

Erfordert Arbeit und unter Umständen etwas Beharrlichkeit, um die tatsächliche Geruchsquelle zu finden.

Und dann gibt es ja noch eine ganze Reihe von Hausmitteln zur Geruchsbekämpfung.

Wie und bei welchen Gerüchen funktionieren Hausmittel als Lufterfrischer?

  • Backpulver/Natron: sind basisch und reagieren mit sauren Geruchsstoffen (z.B. ranziges Fett, verdorbene Lebensmittel) zu weniger stinkigen Produkten
  • Kaffeepulver/Kochsalz: ziehen Feuchtigkeit aus der Luft, sodass sie Gerüche eindämmen, die bei hoher Luftfeuchtigkeit besonders gut tragen. Ausserdem manipuliert Kaffeepulver vermutlich in noch unerforschter Weise unsere Geruchswahrnehmung im Gehirn.
  • Essig: tötet Bakterien und Pilze. Essig beseitigt somit die Quellen von Gerüchen, die durch Mikroben verursacht werden (und die sind darin wirklich gut!). Der Eigengeruch überdeckt zudem andere Gerüche.
  • Zitronensäure: ist ein Reduktionsmittel (“Antioxidans”). Zitronensäure kann übelriechende Moleküle möglicherweise zu weniger riechenden Molekülen reduzieren, ausserdem wird der Eigengeruch oft angenehmer wahrgenommen als der von Essig
  • Katzenstreu: Besteht oft aus Zeolithen oder anderen “porösen” Stoffen, die wie die Cyclodextrine stinkige Moleküle (z.B. Katzenurin) in ihren Hohlräumen einfangen. Mehr über Zeolithe könnt ihr hier in Keinsteins Kiste nachlesen.

Fazit

Gerüche sind Eindrücke unseres Gehirns von der Beschaffenheit von Molekülen. Wenn solche Moleküle in unsere Nase finden und dort an einen passenden Geruchssensor binden, übersetzt dieser den Kontakt in einen elektrischen Impuls, den unser zu einer Geruchswahrnehmung interpretiert und mit seinen Erfahrungen verarbeitet.

Ein Geruch, den wir Menschen allgemein als unangenehm wahrnehmen, ist nicht selten eine Warnung vor einer möglichen Gefahr. Darüber hinaus können fiese Gerüche in unserem Alltag schnell sehr lästig werden.

Die beste Waffe gegen unliebsame Gerüche ist und bleibt das Entfernen der Geruchsquelle, gefolgt von kräftigem Durchlüften. Beim Entfernen einiger Geruchsquellen aus schwer zugänglichen Bereichen wie Polstern können biologische Geruchskiller helfen, brauchen aber Zeit.

Schnelle Abhilfe können Geruchsneutralisierer schaffen, wie sie in bekannten Textilerfrischern zum Aufsprühen enthalten sind.

Für am wenigsten zielführend halte ich Lufterfrischer, die andere Gerüche nur überdecken sollen. Solche beseitigen weder die Geruchsursache noch machen sie die Luft in irgendeiner Weise “sauberer” – eher ist das Gegenteil der Fall.

Während ich beim Durchlüften bleibe…wie geht ihr eigentlich gegen lästige Gerüche vor?

Wie entstehen Kondensstreifen? Zwischen Naturphänomen und Chemtrails

Die Sommerferien rücken näher und viele von uns ergreift das Fernweh. Dann wandert der Blick zum Himmel und den Flugzeugen hinterher… mitsamt ihrer weissen Kondensstreifen. Im Netz kursieren die wildesten Verschwörungstheorien, die die wolkig-weissen Bänder zu “Chemtrails” aufbauschen. Meist sind es Regierungen, Militärs oder Industrien, die Verkehrsflugzeuge “missbrauchen” sollen, um – aus welchem Grund auch immer – vorsätzlich Chemikalien in der Luft und damit über uns ausbringen würden.

Mein Leser Rene ist da zu Recht skeptisch. Und fragt, wie Kondensstreifen tatsächlich entstehen.

Wer sich jetzt fragt, ob es sich dabei tatsächlich um “Chemtrails” handeln könnte, dem sei gesagt: Jain!

Was kommt aus Flugzeugturbinen heraus?

Alle grösseren Flugzeuge fliegen heute mit Kerosin. Oder besser Kerosinen. Denn “Kerosine” bezeichnet eine ganze Gruppe von Stoffgemischen aus Kohlenwasserstoffen mit meist 8 bis 13 Kohlenstoffatomen. Diese Moleküle sind also nur wenig grösser (und damit schwerer) als die des Benzins für Autos.

Wie letzteres wird auch Kerosin aus Erdöl gewonnen. So bleibt es nicht aus, dass im Kerosin neben den “einfachen” Kohlenwasserstoffen auch sogenannte “aromatische” Kohlenwasserstoffe wie Benzol enthalten sind. Dazu kommen weitere organische Stoffe – sogenannte Additive – die besondere Eigenschaften haben. Zum Beispiel eine antioxidative – also reduzierende – Wirkung, die den Flugzeugmotor vor Korrosion schützen soll.

Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

Eines haben all diese Stoffe jedoch gemeinsam: Sie sind allesamt organische Verbindungen, bestehen also vornehmlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Und damit verbrennen sie im Flugzeugmotor auf die gleiche Weise:

Die Gleichung beschreibt die vollständige Verbrennung von organischen Verbindungen am Beispiel von Octan: Dabei entstehen stets Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.

Weitere Verbrennungsprodukte

Manche Kerosinbestandteile enthalten zusätzlich Schwefelatome (trotz Entschwefelung bleiben immer ein paar übrig). Aus solchen Molekülen entsteht bei der Verbrennung das Gas Schwefeldioxid (SO2) – das mit Wasser zu schwefliger Säure (H2SO3) weiterreagieren kann.

Mit mehr Sauerstoff kann es ausserdem zu Schwefeltrioxid (SO3) weiterreagieren, aus welchem wiederum mit Wasser Schwefelsäure entstehen kann.

Zudem werden nicht alle Moleküle vollständig verbrannt, sodass immer ein paar Kohlenwasserstoff-Trümmer zurückbleiben. Diese Trümmer kennen wir von Kerzenflammen als Russ – und im Abgas von Verbrennungsmotoren als “Feinstaub”.

Alles in allem entstehen in Flugzeugmotoren Abgase, die mit denen von Automotoren vergleichbar sind. Einschliesslich der durch die Verbrennung von Luftstickstoff entstehenden Stickstoffoxide NOx, die hier aber keine Rolle spielen.

Was passiert mit den Abgasen?

Kohlenstoffdioxid ist ein Gas mit Sublimationspunkt (hier wird festes CO2 direkt zu CO2-Gas) bei -78°C bei Atmosphärendruck. Bei niedrigerem Druck in grosser Höhe liegt er noch niedriger. Wasser ist bei über 100°C (Atmosphärendruck) ein Gas, zwischen 0°C und 100°C flüssig und bei unter 0°C fest. Auch der Siedepunkt von Wasser liegt bei geringerem Druck deutlich niedriger, aber nicht entscheidend niedrig.

Auf der Reiseflughöhe von Verkehrsflugzeugen, also etwa 8000 bis 11000 Meter über dem Meer, ist es -40°C bis -60°C kalt. Das könnt ihr während eures nächsten Fluges selbst an eurem Sitz-Bildschirm ablesen.

Das CO2 bleibt auch bei solch niedrigem Druck und niedriger Temperatur ein Gas und verliert sich in der Atmosphäre. Der Wasserdampf kondensiert dagegen schnell und gefriert anschliessend zu Eiskristallen. Oder er resublimiert direkt vom Gas zu Eis. Auf diese Weise entstehen in der Natur Wolken!

Für einen Eiskristall braucht es jedoch immer einen Anfang, der den Mittelpunkt bildet (wenn es im Winter schneit, könnt ihr euch diese filigranen Gebilde unter dem Mikroskop anschauen). Einen solchen “Anfang” nennen Chemiker “Kristallisationskeim”. Und hier kommen die Schwefeloxide und die Feinstaubpartikel aus dem Flugzeugabgas ins Spiel. Die geben nämlich wunderbare Kristallisationskeime ab.

So kristallisiert an ihnen nicht nur das Wasser aus dem Abgas (das reicht für die Kondensstreifen nicht aus), sondern vor allem die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft! Wenn es denn welche hat. In grosser Höhe ist das oft der Fall: Hier sind Luftfeuchtigkeiten bis 200% möglich!

Kondensstreifen sind Wolken

Kondensstreifen sind also “Wolken” aus natürlicher Luftfeuchtigkeit, die von ganz normalen Flugzeugabgasen angeregt entstehen!

Je nach Wetterlage in Reiseflughöhe entstehen diese Wolken entweder gar nicht (es ist zu trocken), sie verschwinden binnen Sekunden/Minuten wieder (es ist nur wenig feucht), oder sie bleiben stundenlang am Himmel sichtbar, wobei sie immer weiter zerfasern und breiter werden (wenn es reichlich feucht ist).

Dann bekommen sie von den Wetterforschern sogar einen eigenen Namen: “Homomutatus” – lateinisch in etwa für “menschengemachte Veränderung”. Zudem werden sie in die Gruppe der als Schlechtwetterwolken bekannten “Cirrus-“, also Federwolken eingeordnet.

Kondensstreifen als Wetter-Vorboten

Wie die bleibende Kondensstreifen bzw. Homomutatus-Wolken entstehen auch die natürlichen Cirrus-Wolken, wenn es in grosser Höhe feucht und kalt ist. Und das kommt vor, wenn das Wetter umschlägt. So können Homomutatus-Wolken ebenso wie ihre natürlichen Vettern Anzeichen für ein aufziehendes Tiefdruckgebiet, also schlechtes Wetter sein.

Kondensstreifen bzw. Homomutatus- und natürliche Cirrus - Wolken
Eine Wetterlage mit natürlichen Federwolken begünstigt auch die längere Erhaltung von Kondensstreifen bzw. Homomutatus-Wolken

Manche Menschen – besonders solche, die schon ein paar mehr Jahre gelebt haben – fragen sich, warum es heute mehr Homomutatus-Wolken zu geben scheint als früher. Die Beobachtung ist sicherlich nicht falsch. Denn es gibt nicht nur mehr Flugzeuge als früher, sondern dank des Klimawandels auch weniger stabiles Wetter und damit mehr aufziehende Tiefs. So ergeben sich mehr Gelegenheiten für die Entstehung bleibender Kondensstreifen. So kann der Himmel in luftverkehrsreichen Gebieten an solchen Tagen schon einmal regelrecht gemustert aussehen:

Kondensstreifen bilden fast rechtwinklige Karrees am Himmel: Das Himmelsstrassennetz wird sichtbar!
Auch am Himmel gibt es festgelegte Verkehrswege. Bei entsprechender Witterung werden die an luftverkehrsreichen Orten als Kondensstreifen-Muster am Himmel sichtbar.

Können Kondensstreifen das Klima beeinflussen?

Wenn sie als Homomutatus länger am Himmel bleiben ja. Denn wie natürliche Cirrus-Wolken reflektieren sie einen Teil der Sonneneinstrahlung zurück ins All (Albedo-Effekt), sodass es darunter kühler wird. Dafür reflektieren sie ebenso einen Teil der Wärmestrahlung vom Erdboden zurück (Treibhauseffekt), sodass es unter ihnen wärmer wird. Wenn diese beiden Effekte sich nicht aufheben, tragen Kondensstreifen/Homomutatus zur Klimaveränderung bei, die im Zweifelsfall wiederum mehr Kondensstreifen verursacht. Ein Teufelskreis!

Also keine Chemtrails durch geheime operationen?

Wenn man “Chemtrails” als Spuren von Flugzeugen ausgebrachter Chemikalien definiert, sind Kondensstreifen tatsächlich Chemtrails. Ihre Entstehung liegt allerdings in der Natur eines jeden Verbrennungsmotors: Sie bilden sich durch ganz normale Abgase.

In manchen Situationen werden dennoch besondere Stoffe von Flugzeugen ausgestossen.

Stealth-Technologie

Tatsächlich gibt es Flugzeuge, die zusätzliche Stoffe durch ihre Turbinen gejagt haben sollen. Die dienten aber dazu, die Entstehung von Kondensstreifen zu vermeiden! Zum Beispiel beim B2-Tarnkappenbomber des amerikanischen Militärs.

Die Northrop B-2 Spirit der US Airforce : Der Tarnkappenbomber hinterlässt keine Kondensstreifen. Treibstoffzusätze wie Fluorschwefelsäure oder technische Finessen wie Laserstrahlen sollen es möglich machen.

Es wäre ja auch schön blöd, ein (vor Radarortung) getarntes Flugzeug zu fliegen und anhand des Kondensstreifens am Himmel ganz einfach zu entdecken zu sein. Prof. Blume vermutet, diese Additive könnten Fluorschwefelsäure, perfluorierte Tenside (PFT) wie zum Beispiel die Perfluoroalkylsulfonsäure bzw. -sulfonate sein. Liest sich mit Chemikeraugen alles nicht besonders einladend. Welche Stoffe genau verwendet werden bzw. wurden und wie sie funktionieren ist jedoch – ganz militärisch – streng geheim.

Flugshow mit bunten Himmelsschreibern

Zu Grossanlässen wie Formel-1-Rennen sieht man jedoch manchmal Flugzeuge, die zum Beispiel die Landesflagge des Veranstaltungsortes an den Himmel malen. Dazu produzieren sie sogar ganz bewusst “Chemtrails”: Sie zerstäuben nämlich Paraffinöl (flüssiges Wachs!), ggfs. mit Farbstoffen, das nach der Himmelsshow zu Boden sinkt. Parkiert also nicht euer Auto in der Nähe solcher Flugstrecken – sonst könnt ihr nachher zusehen, wie ihr den Wachs- oder Ölfilm darauf wieder loswerdet!

Keine Kondensstreifen, sondern "Chemtrails": Im Rahmen einer Flugshow "malen" fünf Kampfjets eine rot-weiss-blaue Streifen an den Himmel.
Sind es die Niederländer oder die Franzosen? Im Rahmen einer Flugshow versprühen die Flieger Paraffinöl und Farbstoffe, um die Landesflagge an den Himmel zu “malen”.

Fazit

Die Verschwörungstheoretiker unter euch muss ich leider enttäuschen: Kondensstreifen sind natüriches Wasser, das von ganz normalen Flugzeugabgasen zur Wolkenbildung animiert worden ist. Dafür, etwas anderes anzunehmen, gibt es keinen Anlass.

Dass diese Wolken sowohl vom Klimawandel künden als auch diesen fördern mögen, ist dagegen nicht von der Hand zu weisen. Ebenso wie ganz normale Abgase dem Klimaschutz nicht zuträglich sind.

Wenn das Militär tatsächlich einmal zusätzliche Chemikalien mit Flugzeugen “ausbringt”, dann entweder, um die Entstehung von Kondensstreifen zu vermeiden, oder um uns eine bunte Show zu bieten.

Die Umwelt freut sicher keine der genannten Aktionen (mit Verbrennungsmotor fliegen, mit Additiven gegen Kondensstreifen fliegen, bei Flugshows Paraffinöl versprühen) – aber eine Verschwörung ist als Erklärung dafür nicht nötig!

Und was haltet ihr von Kondensstreifen am Himmel?

Wie entstehen Ebbe und Flut? Was Mond und Sonne mit den Gezeiten zu tun haben

Meine Leserin Christine hat nach den Gezeiten gefragt: Wie kommen Ebbe und Flut zustande? Dazu eine kleine Reise in die Vergangenheit…

Oktober 2001, Nordsee-Insel Juist. Ich habe mit meiner Familie vor Beginn meines Chemiestudiums noch ein paar Tage Ferien am Lieblingsferienort meiner Kindheit verbracht. Oder verbringe sie noch. Denn obgleich unsere Abreise für heute angesetzt war, heisst es von der Fährgesellschaft, die uns aufs Festland bringen sollte: “Wir fahren heute nicht. Zu wenig Wasser im Watt.”

Die Fährverbindung von und nach Juist ist nämlich gezeitenabhängig. Das heisst, das Schiff kann nur dann über das Wattenmeer fahren, wenn genügend Wasser da ist. Gewöhnlich ist das zweimal am Tag der Fall. Nur an jenem Tag machte uns das Wetter einen Strich durch die Rechnung. Der Wind sorgte dafür, dass die ohnehin schon niedrige Tide noch niedriger ausfiel. So sind wir dann einen Tag länger im Feriendomizil geblieben. Dann hat die Fährgesellschaft die Überfahrt auf einem Umweg bis fast nach Norderney – schliesslich doch gewagt.

Was sind Gezeiten oder Tiden?

Der Fachbegriff für Gezeiten ist Tiden (Einzahl Tide). Mit Gezeiten meinen wir das Phänomen, dass in vielen (wenn nicht allen) Küstenregionen der Verlauf der Uferlinie bzw. der Meereshöhe über den Tag hinweg mehr oder weniger stark schwankt. Besonders deutlich wird das an der Nordsee, die ein offener, flacher Ausläufer des atlantischen Ozeans ist. Hier fällt zweimal am Tag quadratkilometerweise schlammiger Wattenmeer-Boden trocken! (Im Hafen von Juist unterscheiden sich der höchste und niedrigste Wasserstand um bis zu 3 Meter!)


Auch im Mittelmeer gibt es Gezeiten – die fallen aber nicht so krass aus: Der Unterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasser beträgt hier in Chania auf Kreta nur rund 60cm. Auf dem Bild ist der Wasserstand aber eher niedrig. Bei Hochwasser ist das Felseninselchen in der Mitte überflutet!

Ebbe und Flut

So lange der Wasserpegel sinkt bzw. die Uferlinie sich zurückzieht spricht man im deutschen Sprachraum von “Ebbe”. Wenn der Pegel steigt bzw. die Uferlinie sich landeinwärts verschiebt, von “Flut”. Der höchste Pegelstand eines Halbtages ist “Hochwasser”, der niedrigste Pegel “Niedrigwasser”. Die Differenz zwischen Hoch- und Niedrigwasser ist der Tidenhub.

Wohin verschwindet bei Ebbe das Wasser?

Es “verschwindet” natürlich nirgendwo hin – stattdessen häuft es sich an einem Ort fern der Küste an. Moment – wie kann sich eine Flüssigkeit anhäufen? Die sollte sich doch so gleichmässig wie möglich auf der Erdoberfläche verteilen! Das wegen der Gravitation, die von überall auf der Erdoberfläche in Richtung Erdmittelpunkt wirkt.

Wer missachtet da also die Physik?

Niemand! Vielmehr gibt es noch zwei nicht ganz kleine Details zu beachten: Den Mond und die Sonne! Der Mond ist zwar nur 1/100 mal so schwer wie die Erde, aber damit immer noch ein beachtlicher Himmelskörper. Das bedeutet, er erzeugt eine erhebliche eigene Gravitation. Die hat zur Folge, dass nicht – wie gerne behauptet – der Mond um die Erde, sondern beide Himmelskörper um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen.

Da die Erde der deutlich grössere Partner in diesem Tanz ist, liegt dieser Schwerpunkt nicht all zu weit vom Erdmittelpunkt. Anders als der Mond beschreibt die Erde daher keine eigene Kreisbahn, die grösser als ihr Durchmesser wäre. Stattdessen “eiert” sie bloss um ihre Position in der Mitte.

Mini-Experiment: Gezeiten im Glas – Was halten Flüssigkeiten von diesem Eiertanz?

Füllt ein Glas halb mit Wasser und bewegt es zügig auf der Tischplatte oder in der Luft hin und her. (Probiert das draussen oder über wasserfestem Boden/Tischbelag!) Was passiert mit dem Wasser? Es schwappt im Glas herum – und wenn ihr zu ungestüm werdet, schwappt es über! Das passiert auch, wenn ihr das Glas im Kreis bewegt.

Vom Tanz im Glas zum Tanz der Himmelskörper

Mit der Erde ist es das gleiche. Der Eiertanz unseres Planeten mit dem Mond lässt die Ozeane auf der Oberfläche der Erdkugel herumschwappen. Wenn dabei Wasser von der Küste wegschwappt, erleben wir dort Ebbe, schwappt es hingegen auf die Küste zu, erleben wir Flut. Die Grösse des Tidenhubs hängt dabei von der Form der Meeresküsten und ihrer Verbindung zu den grossen Ozeanen ab. Denn diese beiden Eigenschaften bestimmen die Bewegungsmöglichkeiten für das schwappende Wasser.

Aufgrund der gewaltigen Grösse des Erde-Mond-Systems und der recht präzise eingehaltenen Kreisbahnen ist dieses Schwappen zum Glück sehr regelmässig. So können wir sehr genau berechnen, wann wo wieviel Wasser zu erwarten ist. Ein Gezeitenkalender für den Küstenort unserer Wahl gibt uns darüber Auskunft.

Warum gibt es zweimal täglich Hochwasser?

Für eine vollständige Drehung um den gemeinsamen Schwerpunkt brauchen Erde und Mond knapp einen Monat. Das macht das eigentliche Schwappen durch den Eiertanz zu einer sehr, sehr gemächlichen Angelegenheit. Allerdings dreht sich die Erde zusätzlich um ihre eigene Mittelachse – und braucht für eine Umdrehung dieser Art etwa einen Tag.

Da das Wasser der Meere jedoch nicht fest mit der Erdoberfläche verbunden ist, dreht es sich nicht vollständig mit. Stattdessen dreht sich der Planet unter seiner Wasserhülle hindurch. Dabei muss das Wasser natürlich um die Kontinente herum fliessen. Das führt mitunter zu Stau und damit mancherorts zu besonders grossem Tidenhub).

So dreht sich der Küstenort unserer Wahl binnen eines Tages unter der dank des Eiertanzes hochgeschwappten “Welle” hindurch. Damit ist ein Hochwasser pro Tag erklärt. Aber woher rührt das zweite?

Addition von Kräften

Die Gezeitenkräfte (die das Wasser zum Schwappen bringen) setzen sich aus zwei verschiedenen Kräften zusammen. Die erste ist die Gravitationskraft, die der Mond bewirkt. Die zweite ist die Zentrifugalkraft, die durch den Eiertanz der Erde um den gemeinsamen Schwerpunkt (“Baryzentrum”) entsteht.

Eine Kraft ist eine gerichtete Grösse, hat also sowohl einen Wert als auch eine Richtung. Die Physiker stellen beides gemeinsam als Vektor (“Pfeil”) dar. Solche Vektoren kann man addieren, indem man die Pfeile Spitze an Schaft aneinander legt. Dann zeichnet man von der vordersten Spitze zum hintersten Schaft einen neuen Vektor. Dieser entspricht dann Länge und Richtung der Summe aller ursprünglicher Vektoren.

So addiert man Vektoren - auch für Gezeiten-Kräfte - Schaft an Spitze und ein neuer Vektor von ganz  hinten nach ganz vorn
Wirken gleichzeitig Kraft a und Kraft b auf einen Gegenstand, bekommt dieser die Summe der beiden, a+b, zu spüren. In diesem Beispiel ist der Betrag dieser resultierenden Kraft (= die Länge des Pfeils) kleiner als jede der ursprünglichen Kräfte!

Wenn man nun für einen Ort Mond-Gravitationskraft und Zentrifugalkraft berechnet und die zwei Vektoren addiert, erhält man die dortige Gezeitenkraft. Mit einer regelmässig verteilten Auswahl an Punkten auf der Erdkugel sieht das in etwa so aus:

Für die Gezeiten verantwortliche Kräfte ermittelt durch Vektoraddition: Dank Zusammenspiel von Gravitation und Fliehkraft bildet sich auf beiden Seiten des Planeten je ein Flutberg!

Als “Schwerpunkt” ist hier der Erdmittelpunkt markiert. Das “Baryzentrum” ist der gemeinsame Schwerpunkt, um den Erde und Mond kreisen. (de:Benutzer:Dringend, bearbeitet von Lämpel [CC BY-SA 3.0 de], via Wikimedia Commons )

Die Gravitationskraft ist um so stärker, je näher der sie auslösende Körper ist. So wirkt die Mond-Gravitation auf der dem Mond zugewandten Seite (im Bild rechts) stärker als auf der ihm abgewandten Seite. Gleichzeitig sind die Zentrifugalkräfte auf der Mond-Seite schwächer als auf der mondabgewandten Seite. Denn die Mond-Seite ist dem gemeinsamen Schwerpunkt = Baryzentrum näher. So ergeben sich sowohl für die Mond-Seite als auch für ihr genaues Gegenüber Gezeitenkräfte, die alles andere als Null sind und von der Erde weg weisen!

Durch den Eiertanz schwappt also nicht nur eine “Welle” auf, sondern zwei, die einander genau gegenüber liegen. So dreht sich unser Küstenort binnen eines Tages nicht nur unter einem, sondern unter zwei Wellenbergen hindurch – und wir erleben zweimal Flut und zweimal Ebbe.

Extrem-Gezeiten: Was sind Springflut und Nippflut?

Habt ihr schon einmal längere Ferien am Meer verbracht hat oder lebt ihr sogar dort? Dann habt ihr wahrscheinlich schon beobachtet, dass der Pegel bei “Hochwasser” nicht immer gleich hoch ist. Stattdessen schwankt er in einem etwa monatlich wiederkehrenden Muster. Wie kommt das?

Gezeiten durch Sonnenkraft

Hier kommt das zweite gar nicht kleine Detail ins Spiel: Die Sonne. Die ist zwar gewaltig viel grösser als die Erde (333’000 mal!) und erzeugt so eine sehr, sehr viel grössere Gravitation. Dafür ist sie aber viel, viel weiter weg als der Mond. Insgesamt wirkt jedoch auch die Sonne sehr anziehend auf das Wasser der irdischen Meere. So verursacht auch sie Gezeitenkräfte – immerhin mit 46% der Stärke der Kräfte durch den Mond.

Addiert man nun die Sonnen-Gezeitenkräfte zu den Mond-Gezeitenkräften, zeigt sich, dass die Gesamt-Gezeitenkräfte dann am grössten sind, wenn Sonne, Erde und Mond in einer Linie stehen. Denn dann weisen alle beteiligten Kraftvektoren an jedem Punkt in dieselbe Richtung.

Überblick über die Mondphasen: Sonne, Erde und Mond in den wichtigsten Positionen zueinander (nicht massstabsgetreu)
Übersicht über die Mondphasen und Gezeiten: Dank Trägheit folgt erst kurz nach Neu- und Vollmond eine Springflut und kurz nach Halbmond eine Nippflut.

Stehen Sonne und Mond dabei auf gegenüberliegenden Seiten der Erde, sehen wir den Mond vollständig beleuchtet – es ist Vollmond (es sei denn, unser Standort liegt mit Sonne, Mond und der Erde im Rücken exakt auf einer Linie – dann gibt es zusätzlich eine Mondfinsternis und der Mond erscheint rot). Stehen Sonne und Mond hingegen auf der gleichen Seite der Erde, “sehen” wir nur die Nachtseite des Mondes – also gar nichts: Es ist Neumond (es sei denn, der Mond gerät exakt zwischen die Sonne und unseren Standort – dann gibt es zusätzlich eine Sonnenfinsternis).

Da die schwappenden Gezeiten zusätzlich der Trägheit unterliegen, hinken sie der Position (oder “Phase”) des Mondes stets ein wenig hinterher. So gibt es kurz nach Neumond und kurz nach Vollmond eine Springflut – ein besonders hohes Hochwasser. Kurz nach zu- bzw. abnehmendem Halbmond gibt es hingegen eine Nippflut – ein besonders niedriges Hochwasser. Dann nämlich weisen die Richtungen der Sonnen- und Mond-Gezeitenkräfte den grösstmöglichen Unterschied (90°) auf.

Wie der Mond den Fährbetrieb bestimmt

Das Meer zwischen der ostfriesischen Insel Juist und dem Festland ist selbst bei hohem Pegel so flach, dass die Fährschiffe von der und zur Insel nur in wenigen Stunden rund um das Hochwasser verkehren können. So richtet sich der Fahrplan der Fähre nach Juist und anderen gezeiten-abhängigen Inseln nach dem Gezeitenkalender. Das macht eine auf den Tag genaue Planung der Reise dorthin nötig. Denn da eine Erdumdrehung nicht exakt einen Tag und ein Mondumlauf nicht genau einen Monat dauert, verschiebt sich der Zeitpunkt von Hoch- und Niedrigwasser jeden Tag ein wenig.

Zudem empfiehlt es sich, solch eine Überfahrt zu Voll- oder Neumond zu planen und nicht zu Halbmond. Sonst sitzt man nämlich bei ungünstigem Wetter schonmal auf dem Trockenen.

Nach einem Blick in einen Mondkalender für den Oktober 2001 vermute ich, dass unsere Rückreise von Juist kurz nach dem 10. Oktober angesetzt war. An diesem Tag war nämlich der erste Halbmond des Monats zu sehen. So war kurz darauf dank Nippflut besonders wenig Wasser im Watt. Der Wind vom Land hat dieses Wenige um so mehr aufs Meer hinaus gedrückt, sodass unsere Fähre kurzerhand den Betrieb einstellen musste, um nicht auf Grund zu laufen.

Und was ist eine Sturmflut?

Da die Bewegungen von Erde und Mond in regelmässigen, sich stets wiederholenden Bahnen verlaufen, halten auch die Gezeiten einen festen, berechenbaren Rahmen ein: Der Tidenhub ist begrenzt. Das heisst, wir müssen uns keine Sorgen machen, dass unsere Meere des Eiertanzes der Himmelskörper wegen überschwappen könnten.

Anders hingegen sieht es mit dem Wetter aus. Auch der Wind bewegt das Wasser – und kann nicht nur eine Nippflut ins Extreme treiben, sondern auch umgekehrt das Wasser regelrecht an Land drängen. Wenn also ein richtiger Sturm aus Richtung See aufkommt, kann das Meer in dramatischer Weise “überschwappen” und an Land verheerende Schäden anrichten. Die Bewohner der tropensturmgeplagten Gebiete im Südosten der USA, Südostasiens und Nordostaustraliens können ein langes Lied davon singen.

Solch ein wetterbedingtes “Überschwappen” – das weitestgehend unabhängig von den Gezeiten auftritt – nennen die Küstenbewohner eine Sturmflut.

Spiel-Tipp für kleine und grosse Forscher am Strand: Sandboot-Bauen!

Empfohlene Ausrüstung: Sandschaufeln (mit langem Stiel für die Grossen), Eimer zum Schöpfen, kurze Beinkleider oder Badekleidung!

Wenn ihr bei beginnender Flut an einem Strand mit ausreichend grossem Tidenhub seid, schaut euch einmal nach dem frischsten Spülsaum um. Das ist die Linie aus Muscheln und anderem Strandgut, die die Uferlinie zur Zeit des letzten Hochwassers markiert. Bis hierhin (plusminus wenige Zentimeter) wird auch die gerade kommende Flut steigen.

Sucht euch einen Flecken zwischen diesem Spülsaum und der aktuellen Uferlinie. Wenn ihr weniger Zeit aufwenden möchtet, geht näher zum Wasser, wenn ihr mehr Zeit habt, etwas näher zum Spülsaum. Aber nicht zu nahe, sonst wird die Sache langweilig! Schaufelt hier eine “Sandburg” – einen in sich geschlossenen Sandwall in Bootsform mit dem Bug zum Meer, innerhalb dessen ihr alle Platz findet. Legt den dabei entstehenden “Burggraben” um das Sandboot aussen herum an – er wird euch noch von grossem Nutzen sein.

Wenn das steigende Wasser schliesslich euer Sandboot erreicht, versucht, es so lange wie möglich gegen die Flut zu verteidigen und das Wasser ausserhalb der Wälle zu halten. Verstärkt dazu z.B. die Wälle verstärkt und schöpft steigendes Grundwasser aus dem Boot. Sobald das Wasser in den Graben um das Boot läuft, steigen dazu alle ein und keiner wieder aus! Wie lange haltet ihr “an Bord” durch, ehe euer Boot “untergeht”?


Sandboot-Bau als Wettbewerb

Das Ganze kann natürlich auch mit zwei Mannschaften und zwei Sandbooten als Wettstreit gespielt werden: Die Mannschaft, welche länger durchhält, gewinnt!

Wenn ihr das Ganze während eines längeren Urlaubs immer wiederholt, werdet ihr bald ein Gefühl für den Tidenhub und die “spannendste” Position des Bootes an “eurem” Strand entwickeln.


Und was habt ihr mit den Gezeiten schon erlebt? Kennt ihr Juist oder eine andere gezeitenabhängig erreichbare Insel?

Der Winter ist die Jahreszeit der grossen Temperaturunterschiede: Draussen frostig kalt, drinnen lauschig warm. Und dazwischen das ständige Wechseln zwischen dicker Vermummung und leichterer langärmeliger Wohnungskleidung. Langärmelig? Wo wir uns im Sommer bei der gleichen Raumtemperatur erst im T-Shirt richtig wohl fühlen?

Dieses Phänomen beschäftigt wohl auch meine treue Leserin Claudia, die diese interessanten Fragen gestellt hat:

Warum empfinden wir Temperaturen so unterschiedlich? Warum können minus 3 Grad genauso kalt wirken wie minus 15 Grad? Und umgekehrt: Warum schwitzen und stöhnen wir bei 28 Grad im Sommer, aber im Winter finden wir dieselbe Temperatur kuschelig warm?


Wie wir Temperaturen fühlen können

Damit wir die Temperatur unserer Umgebung ertasten können, ist die menschliche Haut von feinen Nervenenden durchzogen, die als Temperatursensoren arbeiten. Davon haben wir Menschen zweierlei: Wärmesensoren für den Eindruck “warm” und Kältesensoren für den Eindruck “kalt”.

Diese Wärme- und Kältesensoren messen allerdings nicht direkt die Temperatur der Luft oder was uns sonst umgibt. Stattdessen messen sie die Temperatur des sie umgebenden Gewebes! Und die Gewebetemperatur hängt von vielen äusseren Faktoren ab:

  • Wärmeproduktion im Körper: Je mehr wir in Bewegung sind, desto mehr Wärme fällt aus den Muskeln ab und erwärmt das Hautgewebe.
  • Umgebungstemperatur: Liegt die Temperatur ausserhalb des Körpers deutlich unter der Körpertemperatur von 37°C (das ist die Regel), wird die im Körper produzierte Wärme leicht an die Umgebung abgegeben: Das Hautgewebe kühlt ab. Je wärmer die Umgebung ist, desto schwieriger ist die Wärmeabgabe über die Haut: Das Gewebe bleibt warm.
  • Schweissproduktion: Unser grosser Vorteil gegenüber den meisten anderen Säugetieren: In der menschlichen Haut gibt es Schweissdrüsen, aus welchen Flüssigkeit auf die Hautoberfläche gelangen kann. Wenn diese verdunstet, wird dafür Wärme aufgewendet (diese “Verdampfungswärme” ist analog zur “Schmelzwärme”, welche ihr mit diesem Versuch erforschen könnt): Das Gewebe unter der feuchten Hautoberfläche kühlt ab, während der aufsteigende Wasserdampf die Wärme mit sich nimmt. So läuft der menschliche Körper auch bei Lufttemperaturen nahe oder über der Körpertemperatur nicht heiss. Der Nachteil: Um die ausgeschwitzte Flüssigkeit zu ersetzen, müssen wir sie trinken. Nässe von aussen (z.B. durch Regen oder nach einem Bad) hat übrigens den gleichen Effekt.
  • Wind: Ein Luftstrom transportiert Körperwärme schneller von der Hautoberfläche ab als stehende Luft. So trägt Wind dazu bei, dass wir unsere Umgebung als kühler empfinden – ganz besonders, wenn unsere Haut feucht ist, sodass der Wind zusätzlich die Verdunstung der Feuchtigkeit fördern kann. – Luftfeuchtigkeit: Wasser kann nur dann zügig verdunsten, wenn noch nicht zu viel Wasserdampf in der die feuchte Haut umgebenden Luft ist. Bei hoher Luftfeuchtigkeit ist kurz gesagt kaum noch Platz in der Luft für weiteren Wasserdampf. Unser Schweiss bleibt also flüssig und der Kühlungseffekt durch das Schwitzen bleibt aus. Der Körper schwitzt daraufhin nur noch mehr, ohne jedoch nennenswert abzukühlen. Deshalb empfinden wir tropisches Klima schon bei mässig warmen Temperaturen als furchtbar heiss, während wir selbst mit Temperaturen oberhalb der Körpertemperatur in einer trockenen Wüste leichter fertig werden (wenn wir genug zu trinken haben!).
  • Kleidung: “Warmblütige” Tiere haben (in der Regel) ein Fell oder Gefieder, das eine wärmende (oder kühlende) Luftschicht über der Haut einschliessen und festhalten kann. Da wir Menschen weitgehend nackt sind, ersetzen wir das fehlende Fell mit Kleidung. Die hält den Wind und bestenfalls Nässe von der Haut fern und umschliesst stattdessen eine stehende Luftschicht, die geordnet Wärme aus dem Körperinneren aufnehmen und langsam an die Umgebung abgeben kann. Wehe aber, diese Kleidung saugt sich mit Wasser voll: Wenn das verdunstet, wird nämlich reichlich Wärme aus dem Körper abgeführt. Und dem Menschen in nasser Kleidung wird furchtbar kalt. Nützlich ist das nur bei hoher Umgebungstemperatur: Dann erspart uns trocknende Kleidung am Leib nämlich zumindest zeitweilig das Schwitzen.

Feuchtigkeit und Wind sind die beiden wichtigsten Faktoren, die gemeinsam bewirken, dass unsere Haut bei feuchtwindigen -3°C mitunter genauso schnell abkühlt wie bei trockenen -15°C, und wir beide Temperaturen mitunter als gleich empfinden. Diese Unzulänglichkeit unseres Temperaturempfindens stört auch gar nicht weiter. Denn zum (Über-)Leben ist die eine wie die andere Temperatur zu niedrig. Da reicht die Information “Kalt!!!” völlig aus, um schleunigst ein geschütztes, warmes Plätzchen zu suchen.

Dazu kommen körperliche Unterschiede von Person zu Person


  • Die Wärme- und Kälterezeptoren sind genetisch bedingt von Mensch zu Mensch verschieden zahlreich vorhanden und unterschiedlich auf die Körperoberfläche verteilt.
  • Männer haben meist mehr Körpermasse unter einer relativ kleinen Körperoberfläche, während Frauen eine im Verhältnis zu ihrer Masse grössere Körperoberfläche haben. Und weniger Körperoberfläche bedeutet weniger Gelegenheiten für die Körperwärme, den Körper zu verlassen. So verlieren Männer in der Regel weniger Körperwärme als Frauen in gleicher Umgebung. Mein Partner Reto ist da allerdings eine Ausnahme: Der ist sehr hager und hat merklich schneller kalt als ich.

Und warum empfinden wir die gleiche Temperatur von 28°C im Winter als warm und im Sommer als kühl?

Dieser Umstand wird auf die Funktionsweise der Wärme- und Kältesensoren in unserer Haut zurückgehen. Die funktionieren nämlich zum Einen nur in jeweils einem eng gesteckten Temperaturbereich, und registrieren zum Anderen vor allem Temperaturänderungen

Wie unsere Kalt- und Warmsensoren Temperaturänderungen messen

Dazu senden die Sensoren permanent eine regelmässige Folge elektrischer “Pings” an das Gehirn, ähnlich dem Sonar eines U-Bootes. Ein gleichförmiges Signal interessiert uns aber wenig, sodass es in der Regel vor dem Eingang ins Bewusstsein ausgefiltert wird. Erst wenn sich die Temperatur des Hautgewebes ändert, steigt die Frequenz der Pings stark und das Bewusstsein wird darauf aufmerksam. Sobald die Temperatur bei einem neuen Wert gleich bleibt, pendelt sich auch die Ping-Frequenz bei einem mässigen, vom Anfang leicht unterschiedlichen Wert ein – und gerät bald wieder in Vergessenheit. Bis zur nächsten Temperaturänderung.

Zwei abgedeckte Temperaturbereiche und ihre Grenzen

Dazu kommt, dass unsere zwei Sorten Temperatursensoren in verschiedenen Bereichen arbeiten:

  • Die Kaltsensoren von 15°C bis 30°C (Wird unsere Haut kälter, fühlt sie sich entsprechend “taub” an)
  • Die Warmsensoren von 30°C bis 45°C (würde unsere Haut wärmer, verlören die Proteine darin ganz schnell ihre Funktionsfähigkeit: Wir würden gedünstet!).

Dazu kommen Schmerzrezeptoren, die uns davor bewahren, diese Grenzen des mit Leben verträglichen Temperaturbereichs nicht fahrlässig zu überschreiten. Wenn ihr einmal eine heisse Quelle findet, die in ein (an sich kühles) Gewässer mündet, könnt ihr das selbst ausprobieren:

Habt ein (am besten elektronisches) Thermometer bei euch. Betretet barfuss das Gewässer an einer angenehm temperierten Stelle und nähert euch langsam der heissen Quelle. Sobald ihr es nicht mehr im Wasser aushaltet (weil es wehtut!), geht einen Schritt zurück – eben da hin, wo es euch nicht mehr weh tut – und messt die Temperatur.

Ich habe dieses Experiment während unsrer Australienreise machen können: Meine Schmerzgrenze liegt ziemlich genau bei 43°C (also noch innerhalb des Bereichs, den die Warmsensoren abdecken). Das macht Sinn, denn die “offizielle” Höchsttemperatur, ab welcher unsere Proteine ihre Funktionsfähigkeit verlieren, beträgt 42°C.

Doch auch plötzliche Kälte kann Schmerzreize auslösen. Das ist auch sinnvoll, denn extreme Kälte kann unser Körpergewebe genauso zerstören wie extreme Wärme!

Beispiele für die Arbeit der Warm- und Kalt-Sensoren

Wenn wir im Winter von draussen reinkommen, nimmt der Wärmeverlust über die Haut rasch ab, da die Luft aussen um uns herum schnell einmal 20°C wärmer wird. Die Haut wärmt sich rasch auf und die Kältesensoren melden: Sehr viel weniger kalt! Und sobald die Gewebetemperatur die 30°C überschreitet, beginnen die Wärmesensoren zudem “Warm!” zu melden.

Wenn wir dagegen im heissen Sommer nach draussen gehen, wird die Wärmeabgabe über die Haut plötzlich schwierig, sodass die Temperatur des Gewebes leicht bei über 30°C ansteigt. Die Wärmesensoren, die zuvor inaktiv waren, melden nun: Warm!. Wenn wir aber wieder in die auf 20°C klimatisierte Wohnung gehen, sinkt die Gewebetemperatur: Die Wärmesensoren melden “weniger warm”. Unterschreitet die Gewebetemperatur dabei die 30°C, beginnen die Kältesensoren zudem, “Kalt!” zu melden.

Aus der Kälte kommend empfinden die Kältesensoren 28°C (im Gewebe!) also als “Wärmer!” (= “weniger kalt”), ehe die Wärmesensoren mit einer ersten “Warm!”-Meldung zu arbeiten beginnen.

Indessen beginnen aus der Wärme kommend die Kaltsensoren erst bei knapp unter 30°C mit einer ersten “Kalt!”-Meldung zu arbeiten, nachdem die Wärmesensoren zunächst “weniger warm” gemeldet haben.

Die Fähigkeit unserer Temperatursensoren, Temperaturänderungen zu messen, erlaubt uns also, die Richtung einer Temperaturänderung (nach oben oder nach unten) zu erkennen, auch wenn uns das Gefühl für die absolute Temperatur damit abgeht.

Kalt haben oder frieren? Wo ist der Unterschied?

Wenn wir Kälte empfinden bzw. “kalt haben”, wie wir hier in der Schweiz sagen, frieren wir nicht automatisch. Das geschieht nämlich erst, wenn die Innentemperatur unseres Körpers unter den Sollwert fällt.

Dazu kommt es entweder, wenn wir zu viel Wärme an die Umgebung verlieren und so eine (beginnende) Unterkühlung erleiden, oder wenn wir Fieber bekommen. Dann nämlich setzt die Körper-Kontrollzentrale den Sollwert für die Temperatur im Körperinneren um wenige Grad Celsius nach oben (die höhere Temperatur bedeutet mehr Energie für Stoffwechselvorgänge zur Infektabwehr und eine unbequemere Umgebung für Krankheitserreger – kurzum: Kriegszustand).

Beim Vergleich des neuen Solls mit dem Ist-Zustand stellen die Gewebe so dasselbe fest wie bei einer Unterkühlung: “Wir sind zu kalt – wir müssen mehr Wärme produzieren und festhalten!”

Viel Wärme können vor allem die Muskeln produzieren, wenn sie sich bewegen. Also fangen die Muskeln wild an zu zucken und zu zittern: Schüttelfrost! Dazu kommt ein generelles Kälteempfinden, das uns unter möglichst warme Decken kriechen lässt – dort geht dem Körper weniger Wärme verloren.

Auch eine “Gänsehaut” dient(e) übrigens dazu, Wärme im Körper festzuhalten: Sie ist der Versuch, unser (fast) nicht mehr vorhandenes Fell zu sträuben, sodass es eine lauschig warme Luftschicht über der Haut umschliessen kann.

Zusammenfassung

Wir Menschen (und viele andere Tiere) nehmen vornehmlich Änderungen der Temperatur unseres Hautgewebes wahr. Diese Temperatur kann von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden.

Zur Temperaturwahrnehmung kommen zwei Sorten Sensoren für verschiedene Temperaturbereiche zum Einsatz. So kann die Überschreitung der Grenze zwischen den beiden Bereichen je nach Richtung zu unterschiedlichen Signalfolgen führen.

Zusätzliche Schmerzrezeptoren hindern uns daran, den wahrnehmbaren lebensfreundlichen Temperaturbereich leichtfertig zu verlassen.

Kalt haben bedeutet aber nicht automatisch frieren: Wir frieren erst (mit Schüttelfrost und starkem Verlangen nach wärmerer Umgebung), wenn die Körperinnentemperatur unter den Sollwert fällt.

Sind euch diese Eigenheiten unserer Temperaturwahrnehmung auch schon aufgefallen? Bei welchen Umgebungsbedingungen fühlt ihr euch denn am wohlsten?

Zeolithe: Wo die nützlichen Steine uns im Haushalt helfen

Zeolithe sind nicht nur im Haushalt äusserst nützlich. Auch als Nahrungsergänzungsmittel für Entgiftungskuren ist “Zeolith” überaus populär. Da diese Anwendung dieser vielseitigen Stoffgruppe hier aber den Rahmen sprengen würde, kommt ein zweiter Artikel zu Zeolithen und Detox nächste Woche!

Was ist eigentlich in unserem Waschpulver drin? Diese Frage kam neulich beim Nachtessen mit der Schwiegermutter auf. Na klar: Seife. Oder in der Chemiker-Sprache: Tenside. Und über deren Super-Waschkraft habe ich hier ja schon geschrieben. Aber nachsehen schadet ja nichts, dachte ich. Und siehe da: Mein Universal-Waschpulver vom orangen M enthält nur 5-20% Tenside – und 15%-30% Zeolithe. Was ist das denn nun schon wieder?

Was sind Zeolithe?

Laut Definition im Chemiebuch oder auf Wikipedia sind Zeolithe eine Gruppe von “kristallinen Alumosilikaten”… mit anderen Worten: Steine. Und zwar Steine, welche die chemischen Elemente Silizium und Aluminium enthalten. Das ist an sich nichts besonders, sind Silizium und Aluminium doch das zweit- und dritthäufigste Element in der Erdkruste.

So hübsch sind Zeolithe selten: Natrolith aus meiner Mineraliensammlung – ein natürlicher Zeolith auf Basalt. Dieses Grundgestein hat Naturzeolithen auch die Bezeichnung als “natürliches Vulkangestein” eingebracht.

Das Ionengitter der Zeolith-Kristalle, aus welchen diese Steine bestehen, ist allerdings ein ganz besonderes: Es enthält grosse Lücken, die den ganzen Kristall zu einem porösen Schwamm machen!

Wie sind Zeolith-Kristalle aufgebaut?

Die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe lautet:

Mn+x/n [(AlO2)x (SiO2)y. z H2O

Ein Schweizer Käse aus Si- und Al-Atomen

Der Inhalt der eckigen Klammer beschreibt das eigentliche Kristallgitter: Es besteht aus Silizium (Si)-, Aluminium (Al)- und Sauerstoff (O)-Atomen, wobei auf x Silizium-Atome stets y Aluminium-Atome kommen. Jedes dieser Atome ist mit vier Sauerstoffatomen verbunden (die wiederum werden dazu je zweimal verwendet, weshalb die Formel nur 2 Sauerstoff-Atome je Metallatom enthält). Anders eingeteilt besteht das Zeolith-Gitter somit einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit je einem Silizium- oder Aluminiumatom im Zentrum.

Molekülmodell: Tetraeder

Molekülmodell in Form eines Tetraeders: Die vier weissen Kugeln befinden sich in den vier Ecken dieses geometrischen Körpers, die pinke Kugel liegt in dessen Zentrum.

Wer sich ein etwas mit organischer Chemie auskennt (da sind es Kohlenstoff-Atome, die mit ihren Nachbarn Tetraeder bilden), weiss, dass man aus Tetraedern die vielfältigsten Gerüste bauen kann. Deshalb gibt es ein wahres Sammelsurium von Zeolithen:

60 natürlich vorkommende Mineralien gehören zu dieser Gruppe, über 150 weitere sind von Chemikern entworfen und künstlich hergestellt worden!

Sie alle haben eines gemeinsam: Ihre Gitter umfassen mehr oder weniger grosse Hohlräume – ein richtiger molekularer Schweizer Käse. In Waschmitteln findet man vor allem der synthetische Zeolith A, dessen Kristallgitter so aussieht:

Kristallgitter von Zeolith A

Jede Ecke in der Skizze steht für ein Silizium- oder Aluminium-Atom. Die Sauerstoff-Atome sind dazwischen entlang der Verbindungslinien angeordnet.

Grundbaustein der Zeolithe: Sodalith-Käfig mit Si-, Al- und O-Atomen
Ein Element des Zeolith-A-Gitters mit eingezeichneten Atomen

In der Mitte zwischen acht dieser Einheiten bleibt ein relativ grosses Loch, dessen Wände die Chemiker als alpha-Käfig” bezeichnen.

Gitter des Zeolith A mit markiertem alpha-Käfig
Die Wände des Alpha-Käfigs in diesem Ausschnitt aus dem Zeolith-A-Gitter sind dunkel eingefärbt.

Im Zeolith A sind ebenso viele Silizium- wie Aluminium-Atome enthalten – die Verhältnisformel für diesen Zeolith lautet damit:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O

Zeolith-Kristalle sind Riesen-Anionen

Wenn ihr euch die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe oder die für Zeolith A genauer angesehen habt, ist euch vielleicht das “-” an der Aluminium-Einheit aufgefallen. Richtig: Jeder Aluminium-Tetraeder im Gitter trägt eine negative elektrische Ladung. Damit ist das ganze Kristallgitter eines Zeoliths ein einziges riesiges und tausendfach geladenes Anion!

So etwas lässt die Natur aber nicht einfach frei und einsam existieren…entgegengesetze Ladungen müssen für den Ausgleich her. Hier kommen die positiven Metall-Ionen Mn+, die ganz links in der Verhältnisformel stehen, ins Spiel. Für jede negativ geladene Aluminium-Einheit muss ein einfach positiv geladenes (n = 1) Metall-Ion her. Wenn mehrfach positiv geladene (n > 1) Metall-Ionen zur Hand sind, ist die Anzahl x der Aluminium-Einheiten durch die Ladungszahl der Metall-Kationen zu teilen (x/n).

Zeolith A enthält einfach geladene Na+-Ionen – 12 davon für 12 Aluminium-Einheiten, die in den Lücken im Gitter Platz finden und sich locker um das negativ geladene Gerüst herum anordnen.

Zeolithe sind molekulare Schwämme

Ausserdem ist in den Lücken noch reichlich Platz für Wassermoleküle. Die finden sich ganz rechts in der Verhältnisformel wieder. Die Wassermoleküle umhüllen sowohl die Metall-Kationen als auch das Gitter selbst, was den Metallionen den Aufenthalt im Gitter erst richtig gemütlich macht (eine Wasserhülle (in Chemikersprache: “Hydrathülle”) um ein wasserlösliches Ion enthält weniger Energie als das Ion ohne Hülle, was den umhüllten Zustand erstrebenswerter macht).

Durch Erhitzen können diese Wassermoleküle jedoch zum Verdampfen gebracht werden und den Kristall verlassen. Das ist eine charakteristische Eigenschaft von sogenanntem “Kristallwasser”, das einer chemischen Formel mit einem “*” bzw. Multiplikations-Punkt angehängt wird.

Auf eine Grundeinheit des Zeolith-A-Gitters kommen so normalerweise 27 Wassermoleküle.

Was hat die grosse Menge Zeolith A in Waschmitteln zu suchen?

Zeolithe können Wasser enthärten!

Die Hohlräume der Kristalle der Zeolithe enthalten von Wasser umhüllte Natrium-Ionen. Diese Ionen sind damit regelrecht im Kristallwasser gelöst. Das macht sie leicht darin beweglich. Tatsächlich können sie sich durch den ganzen Kristall und hinaus bewegen. Wenn sich nun andere Metall-Ionen finden, die es in einem Zeolith-Kristall noch behaglicher finden, können die Natrium-Ionen deshalb ganz leicht gegen solche ausgetauscht werden.

Und in unserem Leitungswasser, mit welchem wir unsere Wäsche waschen, finden sich solche Ionen zuhauf. Es ist schliesslich mehr oder weniger “hart” – es enthält Kalk: Calciumcarbonat, genauer gesagt Calcium- (Ca2+) und Carbonat- (CO32-) Ionen.

[Für die Chemiker unter euch: Carbonat CO32- ist natürlich eine Base und reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat- (HCO3) und Hydroxid-Ionen (OH) weiter, anstatt einfach gelöst zu werden. Aber das ist hier für einmal nicht von Bedeutung.]

Zusammen bilden diese beiden die gefürchteten Kalkbeläge, welche die Leitungen in unseren Waschmaschinen verstopfen und die Wäsche steif machen können. So etwas will keiner haben.

Wenn Zeolithe im Waschwasser sind, machen es sich die Calcium-Ionen jedoch lieber in den Hohlräumen des Zeolith-Gitters gemütlich und verdrängen dabei die Natrium-Ionen aus dem Zeolith A. Einen vollständigen Austausch von Natrium- gegen Calcium-Ionen könnte man so beschreiben:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 6 Ca2+(aq) –> Ca6((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 12 Na+(aq)

Nachdem die Calciumionen sich im Zeolith eingerichtet haben, bleiben im Wasser Natrium- und Carbonat-Ionen zurück. Und Natriumcarbonat (auch als “Soda” bekannt) ist sehr gut wasserlöslich. So lagert es sich weder in der Maschine noch in der Wäsche ab und kann einfach fortgespült werden.

Das Gleiche geschieht mit dem Zeolith-Pulver. Das ist zwar nicht wasserlöslich, aber so fein gemahlen, dass es einfach mit weggeschwemmt wird.

Womit hat man früher Wasser enthärtet?

Künstliche Zeolithe wie Zeolith A kommen erst seit den späten 1970er Jahren in Waschmitteln zum Einsatz. Davor haben Gerüste aus Phosphor und Sauerstoff – also Phosphate – diese Aufgabe übernommen. Die Phosphat-Gerüste neigen allerdings dazu zu zerfallen, was sie zu ergiebigen Nährstoffen für Pflanzen macht.

Als solche Phosphate vermehrt mit Abwässern in die Umwelt gelangten, wurde das rasch zum Problem: Die Nährstoff-Schwemme führte zu Überdüngung und brachte viele ökologische Systeme aus dem Gleichgewicht. So wurden die Phosphate zunehmend durch Zeolithe ersetzt. Denn letztere sind schliesslich Steine – die taugen nicht als (unnötiger) Dünger.

Einen Haken haben Steine aber dennoch: Sie sind wasserunlöslich. Damit gelangt das ganze Zeolith-Pulver unverändert mit dem Abwasser in die Kläranlagen…und was gibt pulverisiertes Gestein in Wasser? Richtig: Schlamm. Und der sammelt sich in den Klärbecken. Seit Zeolithe in Waschmitteln zum Einsatz kommen, müssen Klärwerke deshalb mit merklich mehr Klärschlamm fertig werden – Grund genug, auch phosphatfreie (und zeolithhaltige) Waschmittel nicht in übertriebenen Mengen einzusetzen.

Zeolithe als Helferlein im Katzenklo

Habt ihr Katzen daheim? Dann kennt ihr Zeolithe wahrscheinlich auch von anderswo. Nämlich aus dem Zoohandel. Da wird nämlich gerne ein Naturzeolith (also ein natürlich vorkommendes Mineral) namens Klinoptilolith als Katzenstreu angeboten.

Die porösen Kristallgitter lassen sich nämlich nicht nur als Ionenaustauscher nutzen, sondern auch wie ein richtiger Schwamm! Das geht dann besonders gut, wenn der Zeolith etwa ebenso viele Silizium- wie Aluminiumatome enthält. Das synthetische Zeolith A ist ein gutes Beispiel dafür: Hier ist das Verhältnis zwischen Silizium und Aluminium 1:1. Aber auch Klinoptilolith mit 5:1 ist noch ein wunderbarer Schwamm.

Diese Zeolithe sind nämlich wahnsinnig heiss darauf, ihre Poren mit zusätzlichem Wasser aus ihrer Umgebung zu füllen (buchstäblich: Da es das Wasser in den Poren so bequem hat, wird eine Menge Energie, genannt “Adsorptionswärme”, dabei frei.

Doch damit nicht genug: Mit dem Wasser saugen sie auch vieles auf, was darin gelöst ist. Zum Beispiel Geruchsstoffe im Katzenurin. So werden die Nasen der menschlichen Dosenöffner geschont, während die Katze ihr Geschäft in natürlichem Gesteinsschutt verscharren kann.

Von Zeolith-Katzenstreu zu Pflanzenerde

Natürlicher Gesteinsschutt, der Wasser und überdies noch Nährstoffe (Urin, auch von Katzen, enthält naturgemäss Stickstoffverbindungen) speichert, kann zudem als Bestandteil von Pflanzenerde nützlich sein (andere formstabile Wasserspeicher sind “Superabsorber” aus organischen Polymeren (“Kunststoffen”), die ich in diesem Experiment als Ersatz für Pflanzenerde verwendet habe). Deshalb gilt Katzenstreu aus Naturzeolithen als geeignet für den Kompost.

Eigentlich sollte für synthetische Zeolithe dasselbe gelten – es handelt sich dabei schliesslich um Designer-Steine. Aber “natürlich” hat nunmal die weitaus grössere Werbewirkung – und ist in diesem Fall überdies billiger. Naturzeolithe kommen nämlich nahe der Erdoberfläche vor und können im Tagebau gewonnen werden (mit allen Konsequenzen für die Landschaft). Das künstliche Nachstellen der Entstehung von Steinen – so werden synthetische Zeolithe gemacht – ist hingegen ziemlich aufwändig. Mehr zum Vergleich von natürlichen und synthetischen Zeolithen findet ihr hier.

Zeolith im Geschirrspüler

Die “Saugfähigkeit” von Zeolithen wird seit einigen Jahren auch in der Küche genutzt. Hier kommt eine fest eingebaute Schale mit Zeolith-Pellets in der Spülmaschine zum Einsatz. Und zwar zur energiesparenden Trocknung.

Die Idee dahinter: Nach dem Spülgang ist das Maschineninnere samt Geschirr und Luft noch nass. Ein Ventilator bläst diese feuchte Luft durch den Behälter mit dem Zeolith, welcher das Wasser “aufsaugt” und dabei eine grosse Menge (Adsorptions-)Wärme abgibt. Die Luft kommt also trocken und warm in den Geschirrspüler zurück und bringt dort weiteres Wasser zum Verdampfen, das anschliessend vom Zeolith aufgenommen werden kann.

Beim nächsten Spülgang wird dagegen der Zeolith geheizt, sodass das Wasser aus den Poren im Kristallgitter verdampft und in den Geschirrspüler zurückgeführt werden kann. So wird der Zeolith für die nächste Trocknung wieder einsatzbereit gemacht.

Das Ganze gilt als sehr energieeffizient – allerdings liest man im Netzt viele Berichte über Geschirrspüler Zeolith-Trocknung (zum Beispiel hier und hier), die bereits nach drei bis fünf Jahren reif für eine unwirtschaftlich teure Reparatur sind. Ob diese Berichte repräsentativ sind, kann ich natürlich nicht sagen – aber es scheint, als wäre diese Technologie noch ausbaufähig.

Schaden oder nützen Zeolithe der Gesundheit?

Mehr dazu gibt es nächste Woche im zweiten Teil über Zeolith für Detox-Kuren!

Und wo sind euch Zeolith bzw. Zeolithe bislang begegnet?


Popcorn : Was den Mais zum Ploppen bringt

Winterzeit ist Popcorn-Zeit! Lange, düstere Tage laden zum Gang ins Kino oder zu gemütlichen Stunden im Heimkino ein. Und zum Film gehört eines praktisch immer dazu: Popcorn. Um so passender ist die heutige Leserfrage:

Was passiert beim Popcornmachen?

Den beliebte Snack könnt ihr herstellen, indem ihr Maiskörner stark erhitzt – in der Pfanne, einer speziellen Popcornmaschine oder der Mikrowelle – bis die Körner regelrecht explodieren und dabei lustig durch ihren Behälter hüpfen. Um zu verstehen, was beim Popcornmachen geschieht, müsst ihr wissen, wie so ein Maiskorn aufgebaut ist.

So ist ein Maiskorn aufgebaut

Wie die meisten Pflanzensamen bestehen Maiskörner aus drei Teilen:

  • dem Embryo, einem winzigen, unscheinbaren “Anfang” einer neuen Pflanze
  • dem Endosperm, einer weichen Masse, die um den Embryo herum das Innere des Samens ausfüllt und der ersten Ernährung des späteren Keimlings dient
  • der Schale, welche den Samen von aussen fest umschliesst
Querschnitt durch ein Samenkorn: a) Schale, b) Endosperm, c)+d) Embryo

Agnieszka Kwiecień ( Nova) [GFDL, CC BY-SA 3.0 or CC BY 2.5], from Wikimedia Commons

Für das Poppen des Popcorns zuständig ist vor allem das Endosperm. Das besteht zu grossen Teilen aus Stärke – einem Naturstoff, der aus beliebig langen kettenartigen Molekülen besteht. Diese Ketten sind durch Querstreben miteinander vernetzt, sodass sie einen regelrechten Molekül-Schwamm bilden.

Ausschnitt aus einem Stärkemolekül mit Verzweigung (Amylopektin)
Ausschnitt aus dem Stärke-Netzwerk im Endosperm: Stärke besteht aus sechseckigen Zuckermolekülen, die miteinander verkettet sind.

Und wie ein richtiger Schwamm ist dieser Molekül-Schwamm mit Wasser vollgesogen – und zwar mit flüssigem Wasser.

Damit das Ganze nicht auseinander fällt oder das Wasser verloren geht, ist das Maiskorn von einer harten, wasserundurchlässigen Schale umgeben.

Was passiert, wenn man Maiskörner erhitzt

Wenn ihr die Maiskörner erhitzt, beginnt das Wasser im Endosperm spätestens ab 100°C zu sieden: Es will verdampfen. Doch Wasserdampf ist (wie alle Gase) extrem raumfordernd: Der Dampf nimmt bei normalem Atmosphärendruck nämlich mehr als 1600 mal mehr Platz ein als flüssiges Wasser!

Allerdings ist die Schale der Maiskörner so steif, dass sich der Dampf in ihrem Innern nicht ausdehnen kann. Stattdessen steigt der Druck im Innern der Maiskörner, sodass weiteres Wasser vorerst nicht verdampfen kann. Erst bei etwa 200°C gibt die Schale schliesslich dem steigenden Druck nach und zerplatzt.

Damit kann das überhitzte Wasser nun schlagartig verdampfen und der Dampf dehnt sich explosionsartig aus. Dabei reisst er den durch die Hitze aufgeweichten Molekül-Schwamm des Endosperms regelrecht auseinander. Das Stärke-Gewebe kühlt dabei schnell ab und erstarrt. So entsteht ein steifes Molekül-Netzwerk, in dessen vergrösserten Zwischenräumen Luft eingeschlossen wird: Ein Popcorn.

Gepopptes Popcorn in zwei typischen Formen: Links ist die Schale in kleine Stücke zerplatzt und das Endosperm konnte sich relativ gleichmässig ausdehnen. Rechts ist die äussere Schicht des Endosperms vom Inneren abgeplatzt, die Schale des Maiskorns befindet sich auf der Rückseite.
Bunchofgrapes [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5], from Wikimedia Commons

Wie bekommt der Mais Geschmack?

Beim Erhitzen bilden sich im Mais selbst bis zu 23 Aromen, die dem Popcorn den Geschmack und Geruch von geröstetem Getreide verleihen. Für den typischen Popcorn-Geschmack zum Beispiel sorgt 2-Acetyl-1-Pyrrolin (nach Chemiker-Regeln: 1-(3,4-Dihydro-2H-pyrrol-5-yl)ethanon).

Strukturformel des Popcorn-Aromas
2-Acetyl-1-Pyrrolin, das “Popcorn-Aroma”

Werden bei der Zubereitung Fett, Zucker oder/und Salz zum Mais gegeben, bleiben diese Stoffe ebenfalls auf der Oberfläche des Gewebes haften, gehen chemische Reaktionen ein und geben dem Popcorn Geschmack.

Kristallzucker wird bei 143°C bis 160°C zu Karamell, welches das fertige Popcorn als braun glänzende Schicht überzieht. Da bei höheren Temperaturen jedoch bittere Zuckercouleur entsteht, gebt den Zucker nicht zum Poppen mit dazu, sondern vermischt das frisch gepoppte Popcorn erst nachher mit frisch hergestelltem, warmem Karamell!

Funktioniert das mit allen Maiskörnern?

Nein. Damit der Mais bei haushaltstauglichen 200°C platzt, darf die Schale der Körner nicht zu dick sein. Eine ausreichend dünne und dennoch dichte Schale hat nur eine Maissorte: Der sogenannte “Puffmais” (Zea mays ssp. mays convar. microsperma) wird als Popcornmais zum Selberpoppen verkauft.

Einige Körner Popcorn - Mais
Puffmais, auch als Popcorn-Mais bekannt: Die Körner haben eine dünnere, glasigere Schale als andere Maissorten

Wie funktioniert Popcorn in der Mikrowelle?

Ein gewöhnlicher Herd oder das Heizgerät einer Popcorn-Maschine werden warm und übertragen die Wärme direkt auf den Mais. Wärme ist dabei nichts anderes als die Bewegung (in Feststoffen: das Schwingen im festen Teilchengitter) von Teilchen: Die Teilchen in der heissen Herdplatte bewegen sich schnell, schubsen die Teilchen im Topf an, welche wiederum die Teilchen in den Maiskörnern anschubsen – darunter die Wassermoleküle. Und sobald die sich schnell genug bewegen, fangen sie an zu verdampfen.

So heizt ein Mikrowellenherd

Ein Mikrowellenherd gibt seine Energie direkt an Wasser ab – nicht durch Anschubsen von Teilchen wie auf der klassischen Herdplatte, sondern durch elektromagnetische Wellen. Die Wellenlänge dieser Wellen ist genau so gewählt (und liegt im Mikrowellenbereich, deshalb heisst der Herd so), dass sie Wassermoleküle (und weitgehend nur die) in Bewegung versetzen können. Und bewegte Wassermoleküle sind warm.

Unsere Speisen bestehen zu grossen Teilen aus Wasser, welches durch die Mikrowellen erwärmt wird und alle anderen Moleküle in ihrer Umgebung anschubst. So werden die Speisen warm – die Teile des Tellers, die nicht mit Wasser in Kontakt sind, aber nicht.

Popcorn in der Mikrowelle

Beim Popcorn bewirken die Mikrowellen das gleiche wie die Wärmeübertragung durch einen Herd: Wassermoleküle werden in Bewegung versetzt (und damit heiss), bis sie verdampfen wollen. Und wenn der so entstehende Druck in den Maiskörnern hoch genug wird, platzen die Körner auf.

Weil die bis um 200°C erreicht werden können, sind nicht alle Kunststoffbehälter zum Popcornmachen in der Mikrowelle geeignet. Viele Kunststoffe “schmelzen” schon ab 150°C! Deshalb sind Mikrowellenschüsseln aus Keramik oder Glas die besser Wahl.

Wie entsteht buntes Popcorn?

Manche Hersteller färben ihr Popcorn mit knallbunten Farben ein, um dann zum Beispiel bunte Spielzeugbehälter zu füllen. Dazu verwenden sie verschiedene Lebensmittelfarbstoffe (die z.B. auch in Ostereierfarben zum Einsatz kommen).

Wenn ihr das nachmachen möchtet: Färbt euer Popcorn erst nach dem Poppen und Abkühlen! Die üblichen Lebensmittelfarbstoff-Moleküle gehen nämlich schon ab etwa 150°C kaputt und verlieren so ihre Farbe! Das musste ich feststellen, als ich versucht habe, gefärbte DIY-Knete auszubacken.

Popcorn als nachhaltiges Verpackungsmaterial

Ohne Fett und Zucker gepopptes Popcorn kann übrigens wie Styroporflocken als Stossschutz- und Isoliermaterial in Verpackungen verwendet werden. Es ist schliesslich fast genauso leicht wie Styropor, besteht im Unterschied dazu aber aus einem nachwachsenden Rohstoff (Styropor hingegen ist ein Erdölprodukt).

Nach dem Transport des Verpackungsinhalts kann es als Vogelfutter verwendet oder kompostiert (und vielleicht für den Maisanbau wiederverwendet?) werden.

Ich vernasche mein Popcorn allerdings am liebsten – karamellisiert oder mit Karamell und Salz (!), wie wir es während unserer Australienreise im Supermarkt erstanden und ständig mit im Auto hatten.

Und wie mögt ihr euer Popcorn am liebsten?

Wie Streusalz wirkt - Nutzen und Gefahren im Winterdienst

(Titelbild: CC BY-SA3.0 by Heidas)

Willkommen im neuen Jahr – mit viel Schnee bis in die Niederungen und entsprechend viel Streusalz auf den Strassen. Letzten Samstag habe ich zwei Schneepflügen zugesehen, die in aller Eile unseren Busbahnhof geräumt haben. Dabei fiel mir am Heck jedes Fahrzeugs gleich ein Streuteller ins Auge. Dieses runde Gerät dreht sich fortlaufend und verteilt – die Zentrifugalkraft ausnutzend – Streusalz auf die frisch geräumte Fläche.

Tatsächlich wird in der Schweiz im Vergleich zu anderen europäischen Ländern – besonders wenn man ihre Grösse und Bevölkerung berücksichtigt – nach wie vor ziemlich viel Salz gestreut. Aber warum machen die Städte und Gemeinden das? Wie kann Streusalz verhindern, dass es Glatteis gibt? Und wie sorgt es dafür, dass Eis und Schnee schmelzen?

Was ist Streusalz?

Das Salz, welches gegen Schnee- und Eisglätte gestreut wird, ist tatsächlich nichts anderes als gewöhnliches Kochsalz, also Natriumchlorid, NaCl. In Ländern wie Deutschland, die auf geniessbares Kochsalz eine Salzsteuer erheben, wird das Streusalz “vergällt”. Das heisst, es werden Stoffe hinein gemischt, die das Salz ungeniessbar machen. Deshalb ist Streusalz – das in grossen Mengen gebraucht wird – oft wesentlich preiswerter als Tafel- oder hochreines Labor-Salz.

Wenn das Streusalz auch bei sehr hartem Frost funktionieren soll, wird das Natriumchlorid zudem mit anderen Salzen wie Calciumchlorid, CaCl2, oder Magnesiumchlorid, MgCl2, vermischt. Diese Salze haben auch bei niedrigeren Temperaturen eine auftauende Wirkung.

All diese Salze bestehen aus Ionen, also elektrisch geladenen Atomen, die sich zu einem Gitter – einem Ionenkristall – zusammengelagert haben. In Wasser werden die Ionen jedoch voneinander getrennt: Jedes dieser Salze löst sich in Wasser. Aus Natriumchlorid entstehen dabei Natrium- und Chlorid-Ionen:

NaCl –(H2O)–> Na+(aq) + Cl(aq)

Wie kann Streusalz verhindern, dass Wasser gefriert?

Wenn flüssiges Wasser auf 0°C oder darunter abkühlt, lagern sich auch Wassermoleküle zu Eiskristallen zusammen. Allerdings sind Wassermoleküle nicht elektrisch geladen. Stattdessen sind die Elektronen in solchen Molekülen nicht gleichmässig verteilt, sodass ein Ende eines Wassermoleküls negativer, das andere positiver geladen ist.

Wasserteilchen mit zwei Ladungs-Schwerpunkten
Das Sauerstoff-Ende (rot) eines H2O-Moleküls hat einen negativen, das Wasserstoff-Ende (weiss) einen positiven Ladungsüberschuss.

Das lässt sich übrigens mit diesem spannenden Experiment ganz einfach zeigen.

Die negativ geladenen Enden wenden sich im Eiskristall den positiv geladenen Enden der nächsten Moleküle zu und umgekehrt. So bestimmen die Ladungsüberschüsse in den Wassermolekülen die Form des Eiskristallgitters.

Ein Modell eines Eiskristalls: Die schwarzen bzw. silbernen “Eckstücke” stellen Wassermoleküle dar, die Verbindungsstäbe stehen für Wasserstoffbrücken zwischen den unterschiedlichen Ladungsschwerpunkten benachbarter Moleküle.

Wenn man nun Kochsalzkristalle (“Salzkörner” sind ganz kleine Kristalle) in flüssiges Wasser mischt, lagern sich die Wassermoleküle mit dem jeweils entgegengesetzt geladenen Ende an die Natrium- und Chlorid-Ionen im Gitter an. Dabei drängen sich die Wassermoleküle derart heftig um die Ionen, dass diese schliesslich aus dem Ionengitter herausgelöst werden! Damit können die einzelnen Ionen vollständig von Wassermolekülen umlagert werden.

Natriumion mit Hydrathülle
Ein Natrium-Ion ist vollständig von Wassermolekülen umgeben, die dem positiv geladenen Ion ihre negativ geladenen Enden zuwenden. An diese innere Hülle lagern sich weitere Wassermoleküle an – das negative Ende wiederum dem Ion zugewandt – an, sodass eine Hydrat-Hülle sehr dick werden kann.

Chemiker sagen, die Ionen sind von einer “Hydrat-Hülle” umgeben, oder – kurz gesagt – “hydratisiert” (das “aq” in der Reaktionsgleichung oben meint genau diesen Zustand: Na+(aq) ist ein Natrium-Ion mit Hydrat-Hülle; “aq” steht dabei für das lateinische “aqua” für Wasser).

Wasser ist nicht multitaskingfähig

Damit sind die Wassermoleküle ziemlich schwer beschäftigt. Nicht einmal bei Temperaturen knapp unter 0°C können sie sich von den Ionen losreissen und ihre Plätze in einem Eiskristall einnehmen. Und da die Hydrathülle eines jeden Ions aus weit mehr als einer Molekül-Schicht besteht, ist schnell ein Grossteil aller Wassermoleküle zu beschäftigt, um zu gefrieren. Das Wasser mit den gelösten und hydratisierten Salz-Ionen bleibt also flüssig.

Erst bei Temperaturen unter -21°C (im Labor) bilden sich Mischkristalle, die aus Salz-Ionen und Wassermolekülen bestehen – kurz gesagt: Salzwasser-Eis. Das Kristallgitter von Salzwasser-Eis ist allerdings bei weitem nicht so regelmässig wie das von reinem Wasser-Eis. Das ganze Mischmasch hält einfach weniger gut zusammen. Deshalb ist der Gefrierpunkt von Salzwasser tiefer als der von reinem Wasser. Chemiker und Physiker nennen diesen Umstand “Gefrierpunkterniedrigung”.

Gefrierpunkterniedrigung auf der Strasse

Streut man also Kochsalz auf eine nasse Strasse, so bildet sich auch bei Temperaturen bis zu etwa -10°C kein Eis. Enthält das Streusalz zudem oder stattdessen Calcium- oder Magnesiumchlorid, kann das Wasser auf der Strasse auch bei bis zu -20°C flüssig bleiben. Diese Salze enthalten nämlich Ca2+– bzw. Mg2+-Ionen, die grösser als Na+-Ionen sind. Damit ist das Gitter von Calcium- bzw. Magnesium-Salzwasser-Eis noch unregelmässiger als das von Natrium-Salzwasser-Eis – und hält entsprechend noch weniger gut zusammen.

Und wenn es bereits friert: Wie kann Streusalz Eis schmelzen?

Eiswasser und Le Châtelier: Eine bewegliche Angelegenheit

Erreicht die Temperatur von Wasser (fest oder flüssig) den Gefrierpunkt (bei 0°C) können sich zuvor bewegliche Wassermoleküle zu einem festen Eiskristall zusammenlagern und sich daraus lösen und zu flüssigem Wasser werden. Das heisst: Während an einigen Orten an der Kristalloberfläche neue Moleküle hinzu kommen, werden an anderen Orten andere Moleküle wieder abgelöst. Ob dabei (mehr) Eis entsteht oder schmilzt, hängt davon ab, ob dem Wasser Energie zugeführt oder entzogen wird.

Sobald nämlich flüssiges Wasser und Eis miteinander vorhanden sind, ist das Ganze ein dynamisches (d.h. bewegliches) System, welches dem Gesetz von Le Châtelier gehorcht (das Le Châtelier höchstselbst uns hier am Flughafen erklärt).

Wird dem Eiswasser Energie entzogen (z.B. durch Kühlung), kommen mehr neue Moleküle zum Eis hinzu, als davon abgelöst werden, sodass irgendwann das ganze Wasser zu Eis erstarrt. Wird stattdessen Energie hinzugefügt (z.B. durch Erwärmen), verhält es sich umgekehrt: Es lösen sich mehr Moleküle vom Eis als hinzu kommen, bis das ganze Wasser flüssig ist.

Mit diesem spannenden Experiment könnt ihr feststellen, dass sich die Temperatur des Eiswassers durch Erwärmen tatsächlich nicht ändert, so lange Eis und Wasser miteinander vorhanden sind!

In einer Umgebung ohne sich verändernde äussere Einflüsse (insbesondere ohne Energie-Austausch, was im Alltag ziemlich unrealistisch ist), kann sich sogar ein dynamisches Gleichgewicht einstellen: Wenn stets ebenso viele Wassermoleküle zum Kristall hinzukommen wie sich davon lösen, gefriert und schmilzt das Wasser ständig – aber die Menge des Eises (und des flüssigen Wassers) ändert sich nicht!

Kochsalz übt einen Zwang auf das System aus

Bringt man nun Kochsalz (oder einen anderen Stoff mit “Auftauwirkung”) in ein solches Eiswasser-System, dann wird ein erheblicher Teil Moleküle des flüssigen Wassers mit der Bildung von Hydrat-Hüllen um die Ionen “beschäftigt”. Diese Moleküle “fehlen” dem Eiswasser-System damit regelrecht. Und gemäss dem Gesetz von Le Châtelier ist das System umgehend darum bemüht, diesen Verlust auszugleichen.

Das Fehlen der flüssigen Wassermoleküle führt also dazu, dass sich mehr Moleküle aus dem Eis lösen, um die Fehlenden zu ersetzen. Das sind mitunter so viel mehr Moleküle, dass insgesamt mehr Wasser flüssig wird als gefriert – obwohl ohne Salz mehr Wasser gefroren wäre! So kann die Gegenwart von Streusalz selbst bei Temperaturen unter 0°C Eis zum Schmelzen bringen.

Wie kommt man bei Frost zum dynamischen System?

Wenn ihr gut aufgepasst habt, werdet ihr jetzt vielleicht einwenden, dass das Auftauen nur funktionieren kann, wenn Eis und flüssiges Wasser vorhanden sind. Und letzteres gibt es bei Frost naturgemäss nicht!

Guter Einwand. Aber die Verwender von Streusalz wissen das natürlich auch. Deshalb streuen sie das Salz gleich mit flüssigem Wasser – als pflotschigen Salz-Matsch oder gar als mehr oder weniger flüssige Salzlösung – also als “Sole” wie die Fachleute so etwas nennen.

Ausprobieren könnt ihr das Ganze hingegen mit trockenem Salz – in eurer warmen Wohnung. Da beginnt Eis nämlich von selbst zu schmelzen und bekommt so eine feuchte Oberfläche. Wie könnt ihr das nutzen? Das zeige ich euch in dieser ganz herzigen Experimentier-Anleitung.

Wie schadet Streusalz der Umwelt?

So nützlich Auftausalz auch ist, bringt es doch eine ganze Reihe von Problemen für die Umwelt, in die es ausgebracht wird, mit sich.

Beeinträchtigung von Gewässern

Die grossen Mengen an Salzen, die auf Strassen und Wege gestreut werden, lösen sich äussert gut in Wasser. Das sollen sie ja auch, denn sonst würde das Ganze nicht funktionieren. Die Salzlösung, die aus Schneematsch und tauendem Eis entsteht, kann jedoch ebenso leicht wie ablaufendes Wasser in umliegende Gewässer geraten. Und Salzwasser hat eine höhere Dichte als das normalerweise dort vorhandene Süsswasser: Ein Volumen an Salzwasser ist schwerer als das gleiche Volumen Süsswasser!

Ein natürliches Gewässer, das aus mehreren Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur und Dichte besteht (die Dichteanomalie des Wassers führt dazu, dass reines Wasser bei rund 4°C die grösste Dichte hat), kann durch den Zufluss von Salzwasser von gestreuten Strassen eine oder mehrere neue Schicht/en erhalten. Solche neuen oder veränderten alten Schichten bringen die natürliche, temperaturgesteuerte Umwälzung der Wassermassen im Gewässer durcheinander, was die Verteilung von Sauerstoff und Nährstoffen beeinträchtigt und damit die Lebewesen im Gewässer gefährdet.

Schädigung von Bäumen und anderen Pflanzen

Die Gewächse im Binnenland und in Süssgewässern sind daran angepasst, dass sie Süsswasser “trinken” und ihre Nährstoffe daraus beziehen können. Das heisst, der Austausch von Wasser und darin gelösten Stoffen zwischen Wurzeln oder Blättern und ihrer Umgebung, der auf Osmose beruht (die ihr hiermit genauer erforschen könnt) ist fein auf einen geringen Salzgehalt abgestimmt.

Kurz gesagt nehmen viele Pflanzen- (und andere) Zellen um so mehr Wasser auf, je mehr Salze sie enthalten – und geben Wasser ab, wenn draussen mehr Salze sind als in ihrem Inneren. Das gilt jedoch nicht für Wurzeln, die Wasser mitsamt der darin enthaltenen Mineralstoffe (die nichts anderes als Salz-Ionen sind) aufnehmen sollen, von welchen die Pflanze sich ernährt.

Geraten diese Pflanzen nun unverhofft an Salzwasser von gestreuten Strassen, “trinken” sie das Wasser mitsamt dem vielen Salz. Das wiederum wird in die verschiedenen Pflanzenzellen verteilt und zieht weiteres Wasser nach sich: Die Zellen schwellen an und funktionieren nicht mehr richtig. In Folge dessen kränkeln die Pflanzen und gehen im schlimmsten Fall ein.

Tiere bekommen wunde Pfoten

Wer schon einmal mit einem Kratzer in der Haut im Meer gebadet hat, wird es selbst erfahren haben: Salzlösung tut weh! Sie kann die Haut reizen, besonders an empfindlichen vorgeschädigten Stellen. Wie zum Beispiel in den Zehenzwischenräumen von Säugetieren. Wenn es uns Menschen juckt oder zwickt, dann kratzen wir – die Tiere hingegen lecken solche wunden Stellen mit der Zunge. Im Speichel der Tiere wiederum lauern Keime, die so an die wunden Stellen geraten und Infektionen hervorrufen können, welche zu stärkeren Entzündungserscheinungen führen. Und mehr Salz in diesen Wunden tut wiederum weh, sodass mehr geleckt wird…

Mit dem Haushund oder der Katze können wir zum Tierarzt gehen, Salben auftragen und eine Halskrause anlegen, um das Lecken zu unterbinden – begeistert werden die Haustiere davon aber nicht sein. Und Wildtiere wie Füchse können in der Regel nicht einmal auf diese Hilfe zählen.

Korrosion von Metall- und Betonbauteilen

Vielleicht ist euch ja auch schon einmal aufgefallen, dass man in Häfen oder allgemein an der Meeresküste besonders viel Rost antrifft – tatsächlich rostet Eisen, das Kontakt mit Salzwasser hat, deutlich schneller als Eisen fernab vom Meer.

Das rührt daher, dass Wasser mit darin gelösten Salz-Ionen wesentlich besser elektrischen Strom leitet als Süsswasser oder gar reines Wasser. Und elektrische Leitfähigkeit ist für das Rosten und ähnliche Prozesse, die die Chemiker als “Korrosion” zusammenfassen, unverzichtbar. Korrosion ist nämliche eine Folge chemischer Reaktionen, bei welchen zwischen den Reaktionspartnern Elektronen ausgetauscht werden. Und Elektronen (oder andere geladene Teilchen) auf Wanderschaft sind…elektrischer Strom.

So können durch salzhaltiges Wasser Elektronen vom Eisen direkt zu dessen Reaktionspartnern wandern, was die Korrosion – das Rosten – besonders einfach macht. Was genau dabei geschieht, könnt ihr übrigens hier in meiner Rostparade nachlesen.

Autos, die über gesalzene Strassen fahren, rosten also ebenso schneller wie Brücken und andere Bauwerke aus Eisen, Stahl oder Stahlbeton, die rund um solche Strassen stehen.

Gibt es Alternativen zum Streusalz?

Da die Probleme, welche das Streuen mit Salz mit sich bringt, den Winterdiensten wohlbekannt sind, gibt es verschiedene Alternativen, die jedoch alle ihren eigenen Haken haben:

Harnstoff oder Ammoniumsulfat

Diese beiden Verbindungen haben eine ähnliche auftauende Wirkung wie Kochsalz und seine schwereren Verwandten. Allerdings enthalten sie Stickstoff (Harnstoff ist CO(NH2)2,Ammoniumsulfat ist (NH4)2SO4 !) in Verbindungen, die für viele Pflanzen sehr nahrhaft sind. Massenweise auf Strassen ausgebracht und im umliegenden Boden versickert können sie daher zu Überdüngung führen. Ausserdem ist auch Ammoniumsulfat eine Ionenverbindung und bringt die gleichen Probleme mit sich wie alle anderen Salze auch.

Abstumpfendes Streugut: Split, Sand, Blähton und ähnliches

Solche Streugüter sind im Prinzip nichts anderes als zerkleinerte Steine – weitgehend wasserunlöslich und unreaktiv. Damit gefährden sie zwar nicht den Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren, müssen nach der Verwendung aber wieder eingesammelt und entsorgt werden. Würde man das nicht tun, würden Sand und Steinsplitter irgendwann Rinnsteine und Abflüsse verstopfen.

Und die Entsorgung oder gar Wiederaufbereitung von Streugut ist alles andere als einfach. Nachdem nämlich unzählige Autos darüber gefahren sind, ist das Streugut von Reifenabrieb und anderem Schmutz verunreinigt. Der müsste erst vom Streugut abgeschwaschen und dann seinerseits umweltschonend entsorgt werden.

Was ihr tun könnt, wenn euer Gehweg überfriert

Wenn ihr in Deutschland oder Österreich wohnt, werdet ihr keine grosse Wahl haben. Hier ist nämlich der Einsatz von Streusalz für Privatpersonen verboten (die Winterdienste der Kommunen streuen hingegen bei extremen Wetterbedingungen Salz auf den Strassen).

In der Schweiz gibt es dagegen kein generelles Verbot, sodass ihr hierzulande selbst entscheiden könnt, ob und womit ihr eure Gehwege streut.

Auf eurem privaten Garten- oder Fussweg, fernab von zahllosen Gummireifen, ist abstumpfendes Streugut eine gute Wahl für Pflanzen und Tiere. Ihr werdet es bloss immer wieder nachstreuen und schliesslich wieder einsammeln müssen, sobald Schnee und Eis geschmolzen sind.

Die beste Massnahme gegen Eisglätte auf Wegen und Strassen ist letztendlich das Schneeschippen. Denn was einmal geräumt ist, kann nicht mehr überfrieren und schmilzt im Frühjahr rückstandslos weg. Einzig bei überfrierendem Regen hilft das Schaufeln auch nicht weiter. Aber meiner Erfahrung nach ist das selbst hier in der Schweiz eine Ausnahme-Wettererscheinung.

Bevor ihr irgendetwas streut, empfehle ich euch, erst einmal zu schaufeln was das Zeug hält. Denn ganz ohne den Einsatz von Streugut wird es im heutigen Strassenverkehr kaum mehr gehen. Aber die Menge des dabei verwendeten Streusalzes kann so gering wie möglich gehalten werden. Und dabei könnt ihr alle mitmachen!

Und wie geht ihr gegen Schnee- und Eisglätte vor?