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Wie funktioniert Fahrbahnmarkierung?

Dieses Jahr sind all unsere Ferienpläne C-bedingt ins Wasser gefallen. Trotzdem haben wir doch noch ein paar Tage auf der Strasse zugebracht – zwecks Kurz-Roadtrip durch den Alpenraum. Reto, der nicht fährt, kommt dabei oft auf Gedanken, für die ich am Steuer oft gar keine Muddr habe. Zum Beispiel während der Durchfahrt durch die x-te Strassenbaustelle des Tages. Hier in der Schweiz weist dort orange Ersatz-Fahrbahnmarkierung darauf hin, wo es vorübergehend lang geht.

“Aber woraus besteht diese Fahrbahnmarkierung eigentlich”, fragte Reto, “und wie zum Teufel bekommen sie die wieder ab, wenn die Baustelle fertig ist?”

Was da aus dem Mund eines Ingenieurs kommt, hört sich vielleicht nicht wie eine Chemiefrage an. Trotzdem ist es eine – und erst noch eine interessante. Denn immer, wenn es um Materialien, ihre Verarbeitung und Entsorgung geht, sind Chemiker gefragt. Die beschreiben und charakterisieren Stoffe schliesslich nicht nur, sondern erschaffen sie geradewegs nach ihren Wünschen.

Was muss Fahrbahnmarkierung können?

Dies ist die wichtigste Frage, die Chemiker zu beantworten haben, wenn sie einen Stoff für einen bestimmten Zweck auswählen oder erschaffen wollen.

Und gerade an Fahrbahnmarkierungen haben wir ziemlich harte Anforderungen. Sie soll den Autofahrern schliesslich zeigen, wo sie lang sollen – und das zu jeder Tages- und Nachtzeit. Eine Fahrbahnmarkierung muss also stets gut sichtbar sein, im Hellen wie auch bei Dunkelheit, bei trockenen Verhältnissen wie auch bei strömendem Regen.

Ausserdem muss sie für eine lange Zeit sichtbar bleiben – wir wollen ja nicht überall Strassenbaustellen, weil alle paar Wochen alles nachgepinselt werden muss. Und während ihrer langen Lebensdauer fahren abertausende schwere Autos und Lastwagen mit dreckigen Reifen darüber.

Abgenutzte Parkverbot-Markierung in der Schweiz
“Hier ist Parkverbot!” bedeuten gelbe Markierungen in der Schweiz. Diese hier ist hoffentlich schon Jahrzehnte alt – denn eine Erneuerung ist längst fällig.

Eine Fahrbahnmarkierung muss sich somit deutlich von der Strasse abheben. Da der Asphalt meist dunkelgrau bis schwarz ist, sind dauerhafte Markierungen darauf in praktisch allen Ländern weiss. Und dieses Weiss darf weder von den darüberfahrenden Autos abgerieben werden, noch Sonne, Wind und Wetter zu schnell zum Opfer fallen. Folglich ist da ein besonders robustes Material gefragt.

Richtig kniffelig wird es jedoch bei vorübergehenden Markierungen in Baustellen. Für die gilt nämlich im Grossen und Ganzen das Gleiche – und sie sollen nach Abschluss der Bauarbeiten rückstandslos wieder entfernt werden können. Das ist nämlich Vorschrift: Nach dem Entfernen einer temporären Fahrbahnmarkierung dürfen keine Spuren davon zurückbleiben. Einfach überkleben ist – obwohl immer wieder praktiziert – eigentlich nicht erlaubt.

Für Baustellenmarkierungen braucht man also ein Material, das Wind, Wetter und Tausende Autos aushält, sich bei Bedarf aber vollständig wieder entfernen lässt.

Welche Stoffe können das?

Wie so oft haben Chemiker zur Lösung dieses Problems massgeschneiderte Stoffe erschaffen. Mit anderen Worten: Fahrbahnmarkierungen bestehen aus speziell dafür entworfenen Kunststoffen. Die gibt es in mehreren Varianten.

Bei dauerhaften Markierungen steht die Haltbarkeit der Stoffe im Vordergrund. Denn die sollen ja gar nicht von der Strasse verschwinden.

Farbe zum Auftragen

Ganz simple Farbe zum Aufsprühen oder -walzen, im Strassenbau Fahrbahnmarkierung Typ 1 genannt, kommt heutzutage höchstens noch in wenig befahrenen Bereichen, meist innerorts, zum Einsatz oder hat schon etliche Jahre auf dem Buckel. Denn heutzutage kennt man allerlei Tricks und Kniffe, um die Markierungen vor allem bei Regen besser sichtbar zu gestalten.

So streut man für Fahrbahnmarkierung vom Typ 2 Glitzerperlen und Streugut für bessere Griffigkeit (niemand möchte auf Linien und Pfeilen plötzlich ins Rutschen kommen) auf frisch aufgetragene Streifen oder mischt diese Zutaten gleich in die Farbe hinein. Letzteres hat den Vorteil, dass das Streugut nicht einfach von drüberfahrenden Autos von der Oberfläche abgerieben werden kann. Denn das Glitzerzeug ist dann ebenso in den tiefen Schichten wie obenauf.

Eine Maschine spritzt Fahrbahnmarkierung auf und streut Glitzerperlen hinterher. (Summysung / CC BY-SA)

Die Glitzerperlen funkeln deutlich sichtbar in der Sonne oder dem Licht von Strassenlaternen und Autoscheinwerfern. Ausserdem können sie aus einem Wasserfilm herausragen und bleiben so auch bei Regen sichtbar.

Ebenfalls gut bei Regen sichtbar sind Farben, die auf der Fahrbahn ein klumpiges Gitter bilden. Denn diese Gitter ragen nicht nur über der Fahrbahn empor. Die offenen Maschen und Streben erlauben Regenwasser ausserdem, zwischen ihnen hindurch abzufliessen, anstatt sie einfach zu überfluten. Dabei sind die Maschen gerade so dicht, dass sie aus der Sicht der Autofahrer wie eine durchgezogene Linie erscheinen.

Gitterartige Fahrbahnmarkierung
Gitterartige Fahrbahnmarkierung: Hier kann Regen leicht ablaufen (Dantor / CC BY-SA)

Kunststoff-Einlegearbeiten

Die haltbarste Fahrbahnmarkierung erhält man, wenn man Vertiefungen in Form der geplanten Linien und Pfeile in den Asphalt fräst und sie anschliessend mit Kunststoffmasse ausfüllt.

Dazu gibt es Kunststoffe, die “unfertig” verkauft werden: Ihre Zutaten werden in zwei getrennten Portionen geliefert, die jede für sich unfertig aufbewahrt werden können. Mischt man die beiden Portionen (manche muss man zunächst erhitzen, damit sie schmelzen) und lässt sie an der Luft liegen, reagieren sie miteinander zu den Riesenmolekülnetzen, aus denen feste Kunststoffe bestehen. So müssen die Strassenarbeiter nur schnell genug sein und die Mischung in die ausgefrästen Vertiefungen füllen, bevor sie hart wird.

Da Fahrbahnmarkierungen innerhalb eines Landes überall gleich aussehen sollen, kann man Linien, Pfeile und Schriftzeichen aus Kunststoff auch in einer Fabrik fertig herstellen. Dann brauchen die Strassenarbeiter sie nur noch in die vorgesehenen Vertiefungen zu kleben – mit einem superfesten Klebstoff, den Chemiker für genau diesen Zweck geschaffen haben.

Klebefolien

All diese aufwändigen, superhaltbaren Markierungen eignen sich aber schlecht für Baustellen, in denen die Fahrbahnmarkierung nur für eine begrenzte Zeit halten und dann spurlos verschwinden soll. Deshalb gibt es die Pfeile und Linien auch als Aufkleber – komplett mit Farbe und Glitzerperlen beschichtet. So lassen sie sich rasch auf den Asphalt aufkleben, ohne dass viel Zeit fürs Fräsen, Pinseln oder Bestreuen aufgewendet werden muss.

Ausserdem lassen sich Aufkleber relativ leicht wieder von der Strasse abziehen. Das birgt jedoch auch ein Problem, das ich schon oft in Baustellen beobachtet habe: Wenn tausende Autos darüber fahren, lösen sich die Klebestreifen irgendwann ab und werden geknickt oder verschoben wieder auf die Fahrbahn gepresst. Das Ergebnis entspricht sicherlich nicht den gesetzlichen Regeln für Fahrbahnmarkierung, die besonders in Deutschland sehr streng sind. Und im schlimmsten Fall könnte so eine beschädigte Markierung gefährlich werden.

Um der Sicherheit willen gibt es deshalb Fahrbahnmarkierungs-Aufkleber, die mit einem massgeschneiderten Leim zusammen verkauft werden: Ähnlich wie bei den Einlegearbeiten ist auch dieser Klebstoff “unfertig” und in zwei Portionen geteilt. Die eine befindet sich auf der Unterseite des Aufklebers, die andere wird auf den Asphalt aufgetragen. Legt man den Aufkleber auf diese “Grundierung” und drückt ihn fest an, dann mischen sich die beiden Klebstoffe und reagieren zu einem bombenfesten Molekülgefüge.

Damit lösen sich die Baustellenmarkierungen nicht vorzeitig – allerdings bekommt man sie auch nach den Bauarbeiten nicht mehr so einfach von der Strasse. Dementsprechend grobschlächtig muss dazu vorgegangen werden: Entweder fräst man die oberste Asphaltschicht mitsamt der Aufkleber weg, oder man fackelt den Kunststoff mit einer Art Flammenwerfer ab (da Asphalt feuerfest und dunkel ist, leidet er ja nicht darunter).

Schaden diese Kunststoffe der Umwelt?

Wenn Chemiker Stoffe erschaffen und so nah an die Umwelt bringen wie auf Strassen, die mitten durch die “Natur” verlaufen, ist auch dies eine entscheidende Frage. Denn zum Einen entsteht beim Wegfräsen von Fahrbahnmarkierung feiner Staub, und beim Verbrennen entstehen Abgase und Rauch.

Noch viel wichtiger ist aber, dass all die Autoreifen, die über die Markierungen fahren, winzigkleine Mengen davon abreiben. Und wenn tausende oder gar Millionen Autos vorbei kommen, werden diese winzigkleinen Mengen ganz schnell gross. Und Sand und Staub, die durch das Abschmirgeln von Kunststoffen entstehen, kennen die meisten von euch unter dem Begriff “Mikroplastik”. Das ja niemand haben will – und das trotzdem überall zu finden ist.

Das von der Fahrbahnmarkierung abgeriebene Mikroplastik wird vom Wind davongeweht oder vom Regen in den Boden gespült und gelangt mit dem Wasserkreislauf irgendwann in die Meere. Laut der Ergebnisse einer Studie des Dachverbands von Umweltorganisationen und -behörden IUCN machen abgeriebene Fahrbahnmarkierungen 7% des vom Land in die Meere geratenden Mikroplastiks aus. Ausgehend von geschätzten 1,5 Millionen Tonnen Mikroplastik-Eintrag im Jahr entspricht das rund 105 Tonnen Kunststoff-Staub von Fahrbahnmarkierungen (Klingt viel – der Löwenanteil des Mikroplastiks entsteht aber direkt in den Gewässern aus grösserem Plastikabfall: bis rund 10,5 Millionen Tonnen im Jahr!).

Ist Mikroplastik gefährlich?

Kann Mikroplastik unserer Gesundheit oder der von Lebewesen in den Meeren und anderen Lebensräumen gefährlich werden? Das ist eine wirklich schwierige Frage – denn man weiss die Antwort (noch) nicht. Was den menschlichen Körper angeht, geht man zur Zeit davon aus, dass es uns nicht gross schadet. Denn vornehmlich könnte Mikroplastik über den Verdauungstrakt in unsere Körper gelangen – und auf diesem Weg auch gleich wieder hinaus, da der Körper keinen Grund hat, die Kunststoffpartikel aus dem Nahrungsbrei heraus aufzunehmen. Eine andere Möglichkeit ist das Einatmen von Mikroplastik-Stäuben. Was das für Folgen haben kann, ist jedoch – wie so vieles in dem Bereich, noch nicht erforscht.

Was Meereslebewesen betrifft, gibt es Hinweise darauf, dass einzelne Arten unter Mikroplastik-Belastung leiden, besonders dann, wenn bestimmte Umweltbedingungen erschwerend dazukommen. Andere Arten scheinen sich dagegen gar nicht an den Kunststoffpartikeln zu stören. Wie beim Menschen auch gilt hier: Die Auswirkungen von Mikroplastik auf die Umwelt sind grösstenteils noch nicht erforscht.

Schon allein der erzeugten Mengen an Mikroplastik lohnt es sich, in diesen Bereichen weiter zu forschen. Und während die Forscher daran arbeiten, lohnt es sich ebenso, Vorsicht walten zu lassen und nicht unnötig Mikroplastik in die Umwelt gelangen zu lassen. Das gilt auch für die Gestaltung von Fahrbahnmarkierung, die wie so viele Kunststoff-Materialien laufend weiterentwickelt werden.

Chemie machts möglich: Markierungen der Zukunft

Fahrbahnmarkierung, die als Ganzes haltbar, zu Mikroplastik zerrieben aber biologisch abbaubar wäre (sodass kein Mikroplastik übrig bliebe, das in die Meere gelangen könnte), wäre ein Träumchen. Allerdings sind solche recht widersprüchlichen Eigenschaften meist nicht leicht zu realisieren.

Bereits Wirklichkeit ist dagegen eine Entwicklung hin zu noch besserer Sichtbarkeit bei schlechtem Wetter.

Sicher kennt ihr alle “Glow-in-the-dark”-Farbe oder ebensolche Klebesterne und andere Deko fürs Kinderzimmer. Diese Farben und Kunststoffgegenstände lassen sich mit Licht “aufladen” und leuchten später stundenlang im Dunkeln. (Dieser Vorgang heisst Phosphoreszenz – wie er funktioniert erfahrt ihr hier in Keinsteins Kiste!) Der Niederländer Daan Roosegarde hat Fahrbahnmarkierung aus solch einem phosphoreszierenden Kunststoff gemacht: Tagsüber speichert er Sonnen- bzw. Tageslicht, und nachts leuchten die Streifen aus sich selbst heraus! Das sieht nicht nur cool aus, sondern ist für die Autofahrer unabhängig von den Lichtverhältnissen draussen gut sichtbar.

Die Idee mit den selbstleuchtenden Fahrbahnmarkierungen lässt sich sogar noch weiter spinnen: Mit Kunststoffen, die nur in einem bestimmten Temperaturbereich phosphoreszieren, zum Beispiel bei weniger als 4°C, könnte man Glatteis-Warnungen aufbringen, die nur dann leuchten, wenn es kalt genug für Glatteis ist.

Zusammenfassung

Fahrbahnmarkierung muss viel und lange aushalten – und deshalb aus besonders widerstandsfähigen Stoffen bestehen. Chemiker können Kunststoffe mit genau diesen Eigenschaften entwickeln. Vorübergehende Markierungen in Baustellen müssen sowohl widerstandsfähig als auch leicht zu entfernen sein. Solch widersprüchliche Eigenschaften sind für Kunststoffdesigner besonders herausfordernd und nicht selten unlösbar.

Eine weitere Herausforderung ist der Abrieb von Fahrbahnmarkierungen, der als Mikroplastik in die Umwelt gelangt. Das zu vermeiden ist ein lohnendes Ziel der stetigen Weiterentwicklung von künstlichen Werkstoffen wie Fahrbahnmarkierung. Andere Ziele können ganz neuartige Eigenschaften dieser Stoffe sein, wie Phosphoreszenz, die selbstleuchtende Markierungen ermöglicht.

Ein Kunst- bzw. Werkstoff ist somit kaum ein “fertiges” Material, das unverändert bis in alle Ewigkeit weiter verwendet wird. Stattdessen entwickeln Chemiker die Materialien unserer Alltagswelt ständig weiter, um sie nützlicher, weniger gesundheitsschädlich und umweltverträglicher zu machen.

Und welche Arten Fahrbahnmarkierung sind euch schon begegnet? Habt ihr bestimmte Eigenschaften oder Mängel beobachten können? Seid ihr vielleicht sogar schon einmal auf Roosegardes phosphoreszierender Teststrecke in den Niederlanden unterwegs gewesen? Oder habt ihr beruflich mit Fahrbahnmarkierung zu tun?

Kürbis und Kaltes Feuer : Halloween

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

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

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

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

Fluoreszenz

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

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

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

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

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

Was hat Kathi vor?

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

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

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

Was ist Fluoreszenz?

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

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

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

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

Fluoreszenz

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

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

Welche Stoffe können fluoreszieren?

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

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

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

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

Fluoreszenz für dein Halloween:

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

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

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

 Phosphoreszenz

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

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

Halloween einmal feuerfest: phosphoreszierende Kunststoff-Maden

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

Wie funktioniert das?

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

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

Phosphoreszenz

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

Welche Chemikalien/Stoffe phosphoreszieren?

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

Phosphoreszenz für dein Halloween:

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

 Chemolumineszenz

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

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

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

Halloween einmal feuerfest: Kürbis mit Chemolumineszenz

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

Wie will Kathi das denn hinbekommen?

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

Knicklicht_Aufbau

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

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

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

Reaktion_Phosphoreszenz_1

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

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

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

Reaktion_Phosphoreszenz_2

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

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

Chemolumineszenz für dein Halloween:

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

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

Fazit

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

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