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Wie funktionieren Glasreiniger – Streifenfrei mit Alkohol und Ammoniak?

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Glasreiniger - Streifenfrei auch ohne Ammoniak

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

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

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

Was im Glasreiniger drin ist

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

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

Alkohole sind umweltfreundlicher als Seifen

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

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

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

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

Warum Duftstoffe bedenklich sind

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

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

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

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

Ammoniak – Warum dieser Inhaltsstoff die Geister scheidet

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

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

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

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

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

Eine Base als Reinigungsmittel

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

Das Problem: Ammoniak ist giftig

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

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

Wie du dem Ammoniak aus dem Weg gehen kannst

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

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

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

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

Wenn du einen neuen Glasreiniger kaufen möchtest:

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

 

Glas reinigen mit Hausmitteln

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

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

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

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

 

Wie ich meine Scheiben praktisch streifenfrei sauber bekomme

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

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

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

Was ist Javel-Wasser? Nutzen und Gefahren des Reinigungsmittels

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Javel-Wasser : Chlorbleiche!

Was ist Javel-Wasser?

Javel-Wasser oder Eau de Javel ist der volkstümliche Name für eine Lösung des Salzes Kaliumhypochlorit (KClO) oder Natriumhypochlorit (NaClO) in Wasser. Benannt ist die Lösung nach ihrem ersten Herstellungsort Javel (früher Javelle) bei Paris in Frankreich. Ein anderer volkstümlicher Name für die gleiche Lösung ist Eau de Labarraque – nach ihrem Erfinder. Der chemische Name sowie der stechende Geruch der Lösung lassen es schon vermuten: Das Element, das dem Javel-Wasser seinen Charakter gibt, ist Chlor.

Natriumhypochlorit und Kaliumhypochlorit werden in Wasser in ihre Einzelionen zerlegt:

Welche Metall-Ionen – Natrium oder Kalium – enthalten sind, macht hinsichtlich der chemischen Eigenschaften und damit der Gefährlichkeit der Lösung keinen Unterschied. Auf das Hypochlorit-Ion  kommt es an: Es ist eine merklich starke Base, d.h. es kann ein -Ion aus einem anderen Teilchen aufnehmen – zum Beispiel aus Wasser:

Die dabei entstehende hypochlorige Säure HClO ist ein Oxidationsmittel, das mit vielen anderen Verbindungen reagiert, indem es ihnen Elektronen “wegnimmt”.

 

Was kann man damit machen?

Fette und Proteine (“Eiweisse”) sind grosse, sperrige Moleküle, die sich zu oft wasserunlöslichen Flecken zusammenrotten. Wenn sie allerdings mit Basen in Berührung kommen, werden sie leicht gespalten und können in Bruchstücken ausgewaschen werden. Die zerstörerische Wirkung auf Proteine trägt ausserdem dazu bei, dass Javel-Wasser desinfizierend wirkt: Es macht Bakterien, Viren und Pilzen effektiv den Garaus.

Das nutzen nicht nur Schwimmbad- und Pool-Besitzer, die in Natriumhypochlorit einen zahmeren Ersatz für das giftige Chlor-Gas zur Desinfektion ihrer Becken gefunden haben, sondern auch der Zahnarzt, der im Zuge einer Wurzelbehandlung gerne Hypochlorit-Lösung als Bakterienkiller in den ausgeräumten Wurzelkanal gibt, wie mein Zahn 16 aus eigener Erfahrung weiss.

Zudem verlieren viele organische Stoffe ihre Farbe, wenn sie oxidiert werden, sodass Oxidationsmittel als Bleichmittel eingesetzt werden können.

Da ist es kein Wunder, dass ein basisches, bleichendes und desinfizierendes Reinigungsmittel sich grosser Beliebtheit erfreut. In Schweizer Supermärkten findet man Javel-Wasser für wenig Geld in fast jedem Reinigungsmittelregal.

 

Schadet Javel-Wasser der Gesundheit?

Bei falscher Anwendung ja – wie eigentlich alle Stoffe, die wir kennen. Darüber hinaus haben alle reaktionsfreudigen Stoffe wie Hypochlorit den Haken, dass sie nicht wählerisch sind. Das heisst, Basen können alle Fette und Proteine zerlegen – auch diejenigen, aus welchen unsere Körper bestehen – und Oxidationsmittel oxidieren alles, was ihnen in die Quere kommt und sich oxidieren lässt – auch uns. Ebenso wenig macht es vor den nützlichen Mikroorganismen halt, die sich auf unserer Haut tummeln.

Mit anderen Worten: Javel-Wasser wirkt ätzend. Deshalb sind Behälter mit der Lösung mit dem Hinweis “Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.” beschriftet.

Wenn ihr mit Javel-Wasser umgehen müsst, tragt dabei unbedingt Putzhandschuhe und bestenfalls eine (Schutz-)Brille – und gebt acht, dass ihr die Dämpfe nicht einatmet! Auch und gerade die Schleimhäute der Atemwege sind anfällig für Reizungen und gefährliche Verätzungen!

Wenn ihr trotz aller Vorsicht etwas Javel-Wasser auf die Haut bekommt, spült es gründlich – ruhige mehrere Minuten lang – unter fliessendem Wasser ab. Einen Spritzer in die Augen spült noch gründlicher aus – mindestens 10 Minuten lang sagen die Labor-Sicherheitsexperten – und geht danach sicherheitshalber gleich zum Augenarzt. Das gleiche gilt, wenn ihr nach dem Einatmen der Dämpfe Beschwerden habt: Sprecht mit eurem Arzt oder der Giftnotrufzentrale (Schweiz: 145, Deutschland: Ortsvorwahl + 19240, Österreich: 01 / 406 43 43).

 

Schadet es der Umwelt?

Wie schon erwähnt sind Oxidationsmittel auch als Mikrobenkiller nicht wählerisch. So sind Kalium- und Natriumhypochlorit je nach Konzentration sehr giftig für Wasserorganismen. Das Javel-Wasser aus dem Putzmittel-Regal im hiesigen Supermarkt enthält weniger als 5% Hypochlorit (“Chlorbleiche”), womit es nicht mit dem GHS-Symbol für “umweltgefährlich” gekennzeichnet werden muss, sondern mit dem allgemeinen Gefahrensymbol auskommt.

Nichts desto trotz bin ich nachdenklich geworden, als ich auf der Verpackung Toilettenreinigung und Maschinenwäsche als mögliche Anwendungsbereiche aufgeführt gefunden habe. Denn wenn zahllose Menschen kleine Mengen solcher Substanzen in den Wasserkreislauf befördern, kommt letztlich einiges zusammen, welche Klein- und Kleinstlebewesen uns sicher nicht danken werden. Ich kann mir die Zulassung als Reinigungsmittel nur so erklären, dass Abwässer aus Toiletten und Waschmaschinen hierzulande praktisch immer durch ein Klärwerk gehen, das mit Chlorverbindungen aufräumt, bevor es irgendwo anders hingeleitet wird.

Trotzdem: Gebt grössere Mengen Javel-Wasser oder andere Produkte, die Hypochlorit enthalten (zum Beispiel solche zur Poolreinigung) nicht in den Ausguss oder Abfall, sondern bringt sie zur Sondermüll-Entsorgung!

Das Wichtigste aber:

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Gebt niemals Javel-Wasser mit Säuren (z.B. Essig oder Zitronensäure) oder anderen Oxidationsmitteln (z.B. Wasserstoffperoxid) zusammen oder verwendet beide miteinander![/red_box]

Dabei kann nämlich aus der enthaltenen hypchlorigen Säure giftiges Chlor-Gas () entstehen, das lebensgefährliche Verätzungen nicht nur unserer Atemwege verursachen kann, sondern auch für praktisch alle anderen Lebewesen giftig ist.

Das Javel-Wasser aus dem Supermarkt enthält deshalb in der Regel einen Puffer, d.h. einen Stoff, der eine gewisse Menge Säure sofort unschädlich machen kann und die Lösung damit basisch hält. So müsst ihr nicht fürchten, dass euch eure Putzmittel eines verspritzten Tropfens wegen sofort vergiften. Da ihr aber nicht wissen könnt, wie viel Puffer in eurem Javel-Wasser vorhanden bzw. bereits verbraucht ist (der Puffer-Gehalt ist auf der Flasche nicht unbedingt angegeben!), verlasst euch nicht darauf!

 

Was nützt mehr? Javel-Wasser oder Essig?

Javel-Wasser ist eine oxidierende Base, Essig eine nicht-oxidierende Säure. Damit sind diese beiden eigentlich gar nicht miteinander zu vergleichen.

Ihr könnt Essig zum Lösen von Kalk verwenden, der mit der Säure zu wasserlöslichen Ionen und gasförmigem Kohlenstoffdioxid () reagiert.

Javel-Wasser spaltet und oxidiert hingegen organischen Schmutz, während Kalk in basischer Umgebung fest bleibt. Es eignet sich ausserdem zur Behandlung von Schimmelflecken.

Verwendet trotz der sich ergänzenden Wirkungen aber niemals Essig und Javel-Wasser miteinander!

Persönlich habe ich grossen Respekt vor der oft gefährlichen Chlor-Chemie und habe kein Javel-Wasser im Putzschrank stehen. Wenn es um Fett und anderen organischen Schmutz geht, ziehe ich Seife und Wasser als Reinigungsmittel vor. Wie die Seife zu ihrer Super-Waschkraft ganz ohne oxidierende Wirkung kommt, könnt ihr übrigens hier genauer nachlesen.

Seife und andere Superhelden – Was sind eigentlich Tenside?

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Tenside – von dieser Stoffklasse hat bestimmt jeder schon einmal irgendwo gehört – aber weiss denn auch jeder, was Tenside eigentlich sind?

Auf meinen Rundgang durch den Haushalt entdecke ich sie überall: Auf der Packung meines Universal-Waschmittels heisst es “enthält 5 – 15% anionische Tenside sowie < 5% nichtionische Tenside. In meinem Handgeschirrspülmittel sind es sogar 15 bis 30% anionische Tenside und < 5% nichtionische und amphotere Tenside.

Aber Tenside finden sich auch andernorts, zum Beispiel in Lebensmitteln wie Kakaopulver für Trinkschokolade oder in Unkrautvernichtern, die auch den berüchtigten Wirkstoff Glyphosat enthalten.

Was hinter der Bezeichnung “Tensid” jedoch steckt, mag überraschen: Sie steht für eine Gruppe von Chemie-Produkten, die schon seit rund 5000 Jahren von Menschen genutzt werden! Wie der Chemische Reporter berichtet, haben die Sumerer nämlich vor ebenso langer Zeit schon Seife hergestellt und verwendet. Und Seife ist ein Stoff, wenn nicht der Stoff, der aus Tensiden besteht.

 

Wie man Seife macht

Die Ursprünglichsten der Tenside lassen sich vergleichsweise einfach herstellen – nämlich aus pflanzlichen Fetten. Bei Fetten – unter Chemikern auch Triglyzeride genannt – handelt es sich nämlich um Ester des Glyzerins mit verschiedenen Fettsäuren. Und Verbindungen der Gruppe der Ester können ziemlich einfach zerlegt werden, zum Beispiel durch Zugabe einer Base.

Eine Base ist ein Stoff, der -Ionen aufnehmen kann, die er zum Beispiel Wassermolekülen “entwenden” kann. Das führt dazu, dass Basen in Wasser häufig -Ionen erzeugen, falls sie solche nicht selbst schon mitbringen:

Calciumoxid – besser: Das Oxid-Anion – ist eine Base und reagiert mit Wasser zu zwei Hydroxid-Ionen. Das Calcium-Ion bleibt dabei in Wasser gelöst zurück.

Calciumoxid und weitere wasserlösliche Oxide der Alkali- und Erdalkalimetalle finden sich in Pflanzenasche, sodass die Asche basisch reagiert. Und das haben schon die findigen Sumerer zu nutzen gewusst (obwohl die noch nicht wussten was Basen sind), indem sie Asche zu warmen Pflanzenfetten gaben und eine weiche, aber formfeste Masse mit erstaunlichen Eigenschaften erzeugten: Seife. Heutzutage wird Seife noch genauso hergestellt – nur verwendet man anstelle der Asche Natriumhydroxid (NaOH), ein Salz, das mit Wasser die stark basische Natronlauge bildet.

 

Reaktionsschema zur Seifenherstellung : Wie Tenside seit 5000 Jahren gemacht werden

Seifenherstellung: Reaktion von Fetten mit einer Base zu Glyzerin und Fettsäure-Anionen

 

Wer Seife selbst herstellen möchte, findet hier ein Rezept dafür. Natriumhydroxid und Natronlauge sind jedoch stark ätzende Substanzen, die mit gebührender Vorsicht verwendet werden sollten!

Einfache Seife ist also ein Gemisch aus Glyzerin und den Anionen der verschiedenen Fettsäuren (eine gute Seife enthält praktisch keine Hydroxid-Ionen mehr, was erreicht wird, indem die Base bei der Herstellung etwas unterdosiert zum Einsatz kommt, sodass sie während der “Reifezeit” der Seife von mehreren Wochen praktisch vollständig aufgebraucht wird). Und diese Fettsäure-Anionen sind ganz besondere Moleküle: Sie wechselwirken nämlich auf zweierlei Art mit ihrer Umgebung!

 

Mischung oder Trennung: Alles eine Frage der Anziehung

Die Art und Weise, wie ein Molekül mit anderen Molekülen in seiner Nachbarschaft wechselwirkt, hängt von der Verteilung der Elektronenladung im Molekül ab. Wenn diese nämlich ungleichmässig ausfällt, können Anhäufungen von negativer und positiver Ladungen in verschiedenen Molekülen einander anziehen. Und solche Anhäufungen gibt es, weil verschiedene Atomsorten ihre Elektronen (einschliesslich derer, die an Elektronenpaar-Bindungen beteiligt sind) unterschiedlich stark zu sich hinziehen. So entstehen polare, d.h. unsymmetrische Bindungen. Wie das im Einzelnen vor sich geht und welche Folgen das hat, könnt ihr in der Geschichte um die 13 Vitamine nachlesen.

Festzuhalten ist: Wenn in einem Molekül räumlich getrennte Anhäufungen von Elektronenladung entstehen (man spricht dann von einem Dipol-Molekül), können sich diese Anhäufungen und Bereiche mit einem Mangel an Elektronenladung gegenseitig anziehen. Und wenn Moleküle einander anziehen, lassen die Stoffe, welche aus ihnen bestehen, sich mischen.

Wasser ist der vielleicht bekannteste Stoff, der aus Dipol-Molekülen besteht. Und Stoffe, die sich mit Wasser mischen lassen, die also ebenfalls aus Dipol-Molekülen bestehen, nennt man hydrophil (griechisch für “wasserliebend”).

Auch in vielen organischen Molekülen gibt es solch unregelmässige Ladungsverteilung. Dazu zählen die sogenannten Carbonsäuren – solche Moleküle, die eine Carboxyl-Gruppe beinhalten.

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Essigsäure, eine einfache Carbonsäure, mit Anhäufungen von Ladung

Essigsäure ist eine einfache Carbonsäure. Die Carboxyl-Gruppe enthält Kohlenstoff- und Sauerstoff-Atome, auf welche die Elektronenladung nicht gleichmässig verteilt ist. So können die Essigsäure-Moleküle einander, aber auch andere Moleküle mit ungleichmässiger Ladungsverteilung anziehen: Essigsäure ist deshalb sehr gut mit Wasser mischbar!

Moleküle aus ähnlich “starken” Atomen, deren Elektronenladung weitgehend gleichmässig verteilt ist, können keine Dipole sein. Und trotzdem ziehen sie einander an – auf eine andere Weise, die sich massgeblich von der Anziehung zwischen Dipolen unterscheidet. Moleküle mit gleichmässiger Ladungsverteilung lassen sich deshalb gut miteinander mischen, jedoch nicht Molekülen, welche die Anziehung zwischen Dipolen bevorzugen!

Da die Fette zu den “gleichmässigen” Molekülen zählen, nennt man Stoffe aus solchen Molekülen lipophil (griechisch “fettliebend”).

 

Ein einfaches Modell für ein vielseitiges Molekül

Das Besondere an Fettsäure-Anionen ist: Sie sind sowohl hydrophil als auch lipophil! Das heisst allerdings nicht, dass sie sich gleichermassen gut mit Wasser und mit Fetten mischen lassen. Es sind vielmehr unterschiedliche Abschnitte der Moleküle, die entweder hydrophil oder lipophil sind.

So heissen Fettsäuren wie sie heissen, weil sie Carbonsäuren sind. Das heisst, ein Fettsäuremolekül enthält eine Carboxylgruppe, die ein -Ion abgeben und zur Carboxylat-Gruppe werden kann, dank welcher die Fettsäure zum Fettsäure-Anion wird. Und ein Anion enthält eine Extremform der Anhäufung von Elektronenladung: Diese Anhäufung ist so gross, dass ihre elektrische Ladung derer eines oder mehrerer ganzer Elektronen entspricht (Die Ladungs-Anhäufungen in Dipol-Molekülen sind stets kleiner als die Ladung eines Elektrons!).

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Und Carboxylgruppen sind (wie Carboxylat-Gruppen auch) hydrophil.

Allerdings befindet sich die Carboxylgruppe einer Fettsäure am Ende einer langen Atom-Kette aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen. Und die sind in Sachen Elektronen-Anziehen nahezu gleich stark. Deshalb sind solche Kohlenwasserstoff-Ketten lipophil.

Während die Carboxylatgruppe eines Fettsäure-Anions also mit Wasser mischbar ist, ist seine Kohlenwasserstoff-Kette mit Fett (und nicht mit Wasser) mischbar. Und beide sind fest miteinander verbunden! Solch ein Molekül gleicht damit einer Schlange: Der Kopf beisst, und der Schwanz kann sich um einen Ast winden. Beide zusammen ergeben ein Tier, das in Bäumen Beute jagen kann.

Oder noch einfacher: Die Carboxylatgruppe sei wie der Kopf eines Streichholzes, der sich an einer Reibefläche entzünden lässt, während die Kohlenwasserstoff-Kette den Schaft zum Festhalten der Flamme bildet.

Streichholzmodell für Tenside

Carboxylat-Anion als “Streichholz”: Der rote Kopf ist wasserliebend, der blaue Schaft ist fettliebend.

 

Damit brauchen wir uns nicht länger mit Atomen, Atomgruppen und ungleichmässig verteilter Elektronenladung herum zu schlagen. Es genügt zu wissen: Die Streichholz-Köpfe mischen sich mit Wasser, die Streichholzschäfte mit Fett und anderen lipophilen Stoffen. Deshalb heissen solche “Streichholz”-Teilchen amphiphil – beides liebend – oder auch “Tensid”.

Die Fettsäure-Anionen, deren “Köpfe” also eine negative Ladung tragen, gehören zu den “anionischen” Tensiden. Doch auch Fettsäuren, welche ihr -Ion nicht abgegeben haben, sind amphiphil. Sie gehören mangels einer ganzen elektrischen Ladung zu den nichtionischen Tensiden. Ebenso gibt es kationische Tenside mit einer positiven ganzen Ladung am Kopf, und schliesslich amphotere Tenside, die sowohl eine positive als auch eine negative Ladung am Kopf tragen.

 

Wie Seife funktioniert: Streichholz-Tenside und Grenzflächen

Stellt man ein Gefäss mit Wasser an der Luft, hat man zwei Stoffe oder Stoffgemische direkt nebeneinander, die unterschiedlich wechselwirken: Wasser ist hydrophil, während die meisten Luftmoleküle (Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff,  und Sauerstoff, ) lipophil sind. Folglich wollen beide nicht viel miteinander zu tun haben und bilden ihre eigenen Cliquen. Wassermoleküle halten sogar so stur zusammen, dass sie die meisten Luft-Moleküle strikt draussen halten.

Teilchen, die aus der Luft ins Wasser oder umgekehrt passieren möchten, müssen damit Auflagen erfüllen und Mühen auf sich nehmen wie wir mancherorts, wenn wir eine Landesgrenze überschreiten wollen. Dementsprechend wird solch eine trennende Fläche zwischen Luft und Wasser (aber auch zwischen anderen Stoffen) Grenzfläche genannt.

Das Bollwerk, das die zusammenhaltenden Wassermoleküle an der Wasseroberfläche bilden zeigt sich uns als “Oberflächenspannung”: Es ist so fest, dass kleine Tiere wie Wasserläufer darauf laufen können!

Wenn man Seife (Tenside) ins Wasser gibt, sortieren die sich in der bequemsten Ausrichtung – an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, sodass die hydrophilen Köpfe ins Wasser und die lipophilen Schwänze in die Luft weisen! Damit stören sie den Zusammenhalt der Wassermoleküle an der Oberfläche so empfindlich, dass jeder Wasserläufer auf Seifenwasser umgehend untergehen würde.

Streichholzmodell: Tenside an einer Grenzfläche

Das könnt ihr ganz einfach ausprobieren – aber bitte nicht mit Tieren! Als Ersatz für einen Wasserläufer schwimmt auch eine eiserne Büroklammer (seiner Dichte wegen sollte Eisen sofort sinken!) auf Wasser, wenn man sie vorsichtig darauf legt. Sobald man jedoch Seife in eine Schale Wasser gibt, auf welchem eine Büroklammer schwimmt, wird diese umgehend untergehen.

Die Oberfläche des Wassers in einem Behälter hat jedoch eine begrenzte Grösse. Wenn man genügend Seife hineingibt, wird sie irgendwann gänzlich von Tensiden besetzt sein, sodass die Übrigen keinen Platz mehr finden werden. Diesen ausgegrenzten Molekülen bleibt nichts anderes übrig, als Zuflucht in “Selbsthilfegruppen” zu suchen: Sie lagern ihre Schwänze so zu einer Kugel zusammen, dass alle Schwanzenden auf deren Zentrum weisen. Damit befinden sich alle Köpfe aussen – dem Wasser zugewandt – sodass sich diese Tensid-Kugeln wunderbar mit dem Wasser mischen können, während ihr lipophiler Anteil in ihrem Inneren verborgen bleibt. Solche Kugeln oder ähnlich abgeschlossenen Tensid-Gebilde werden von Chemikern auch Mizellen genannt.

Streichholzmodell: Tenside bilden eine Mizelle

 

Das Geheimnis der Superwaschkraft

Die Fähigkeit zur Bildung von Mizellen ist auch das Geheimnis der Waschkraft von Seife. Jeder, der schon einmal versucht hat, eine fettige Pfanne bloss mit Wasser zu reinigen, wird festgestellt haben, dass das Fett sich von Wasser reichlich wenig beeindruckt zeigt und kaum von der Stelle weicht. Taucht man die Pfanne samt Fett jedoch in seifenhaltiges Wasser, eröffnen sich für die Tenside darin ganz neue Möglichkeiten:

Jetzt können sich die lipophilen Schäfte nämlich an die Oberfläche der Fettpartikel anlagern und diese dicht an dicht besetzen. So verschaffen die Tenside den Fetten eine mit Wasser mischbare Oberfläche aus “Streichholzköpfen”. Das Ganze geht sogar so weit, dass die Tenside sich regelrecht zwischen Fettpartikel und Pfannenoberfläche drängen, sodass die Partikel bald abgelöst werden und als vollständig geschlossene “Mizellen mit was drin” durch das Wasser treiben und weggespült werden können!

Streichholzmodell : Die Super - Fettlösekraft der Tenside

 

Tenside als Spielzeug

Nicht nur für die Waschkraft von Seife zeichnen Tenside verantwortlich, sondern auch für ein seit Generationen beliebtes Spielzeug: Seifenblasen. Wenn man die kauft, erhält man meist einen handlichen Kunststoffzylinder mit einer Seifenlösung und einem kleinen Ring am Stab zum Hineintauchen. Wenn man den Ring aus der Lösung nimmt, spannt sich darin ein dünner Film aus Seife, der sich, sobald man sanft hineinbläst, zu einer Blase ausdehnt, abschnürt und in schillernden Regenbogenfarben langsam durch die Luft davontreibt.

Aber woraus bestehen die ätherischen, fast gewichtslos wirkenden Seifenblasen eigentlich?

Hauptsächlich aus Tensiden, die eine besonders trickreiche Anordnung einnehmen! Ausserhalb und innerhalb einer Seifenblase befindet sich nämlich Luft, sodass es sich anbietet, an der Innen- und Aussenfläche einer Seifenblase Schwänze zu haben. Tatsächlich ordnen sich die Tenside dicht an dicht zu einer doppelten Schicht, wobei alle Schäfte der inneren Schicht nach innen und jene der äusseren Schicht nach aussen weisen. Folglich weisen alle Streichholzköpfe in die Mitte zwischen den Schichten. Und da bietet es sich an, gleich noch eine sehr dünne Schicht Wassermoleküle zwischendrin einzuschliessen, damit es zwischen einzelnen Ladungen der gegenüberliegenden Köpfe nicht zu Abstossung kommt.

Streichholzmodell: Tenside formen eine Seifenblase

Seifenblase, dargestellt als Streichholzmodell (Nach: “Schaumbläschen” by Roland.chem [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons)

Die Anziehung zwischen den geordneten Tensiden ist damit so gross, dass sie selbst in bewegter Luft zu einem hauchdünnen, aber sichtbaren Film zusammenhalten und die eingeschlossene Wasser-Schicht tragen können….fast zumindest. Denn wer Seifenblasen genau beobachtet, wird feststellen, dass sie in der Regel zerplatzen bevor sie ganz zu Boden gleiten oder auf ein Hindernis treffen. Und wer besonders grosse Seifenblasen macht und noch genauer hinschaut (oder eine Zeitlupenkamera sein Eigen nennt), mag bemerken, dass die Blasen zuerst oben aufreissen, ehe sie ganz zerfallen.

Das zeigt uns, dass die Schwerkraft am Ende doch gewinnt. Früher oder später werden die Wassermoleküle der Zwischenschicht nämlich doch zu schwer und in der Seifenblassen-Hülle nach unten gezogen. Dort sammeln sie sich an, während die Blase im oberen Bereich zunehmend trocken fällt – bis sich die Tensid-Köpfe schliesslich berühren und abstossen. So gerät die geniale Streichholz-Doppelschicht gänzlich aus den Fugen und reisst auseinander. Die einstmals schillernde Blase wird wieder zu einem schlichten, ungeordneten Tropfen Seifenlösung, der eben dort landet, wo die Seifenblase ihr kurzes Dasein beendet hat.

 

Tenside als Bausteine des Lebens

Auch in und um Lebewesen gibt es zahlreiche mehr oder minder überwindbare Grenzflächen wie jener zwischen Luft und Wasser. So atmen Landsäugetiere wie wir Menschen Sauerstoff-Moleküle, indem wir ihnen ermöglichen, in unseren Lungenbläschen aus der Luft hinaus und in unsere wasserhaltige Blutbahn einzutreten. Wasserlebewesen bewerkstelligen das Gleiche in ihren Kiemen, die dafür geschaffen sind, im Wasser gelösten Sauerstoff in den Körper hinein zu lassen.

Um mit solchen und vielen anderen Grenzflächen umzugehen, hat sogar das Leben seine ganz eigenen Tenside geschaffen! Diese Moleküle unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von Seife, können jedoch ebenfalls in einen hydrophilen Kopf und einen lipophilen Schwanz gegliedert werden. Aus solchen Tensiden besteht zum Beispiel die Aussenhülle von Körperzellen: Dabei handelt es sich um eine doppelte Schicht aus dicht gepackten “Streichhölzern”, deren Schäfte allesamt nach innen und die Köpfe nach aussen weisen – also quasi um eine umgekehrte Seifenblase.  Das ist praktisch, weil sowohl das Innere der Zelle mit Wasser (und vielem anderen) gefüllt ist, als auch Wasser die Zellen im Körper umgibt. Da die Hülle der Zellen jedoch innendrin lipophil sind (dort befinden sich die Tensid-Schäfte!), können sich das Wasser draussen und das Wasser drinnen nicht einfach vermischen! Was hydrophil ist und in die Zelle hinein- oder aus ihr hinaus soll, muss durch speziell dafür vorgesehene “Fenster-” oder “Tunnel-“Moleküle hindurch.

 

Wann Tenside zum Problem werden

Der Umstand, dass viele Lebewesen sich hervorragend mit den Grenzflächen zwischen ihnen selbst und ihrem Lebensraum “draussen” arrangiert und allerlei Tricks entwickelt haben, um ihrer Umgebung Nahrung und Sauerstoff zu entnehmen, führt dazu, dass viele Tenside, die wir erfunden haben um ebensolche Grenzflächen zu zerstören (um zum Beispiel Fettreste mit Wasser lösen zu können), für solche Lebewesen giftig sind. Das gilt besonders für Wasserlebewesen, welche die dichten Grenzflächen ihres Lebensraums in vielerlei Hinsicht zum Leben brauchen.

Deshalb müssen die Seifen und anderen Tenside, die wir tagtäglich verwenden, erst abgebaut werden, bevor sie in die Umwelt gelangen dürfen! Das besorgt zum Beispiel ein Klärwerk, in dem Bakterien für genau diesen Job “angeheuert” werden. Diese Bakterien, die sich im Klärbecken über Tenside hermachen, haben zum Beispiel die zwei folgenden Möglichkeiten, die “Streichholz”-Moleküle unschädlich zu machen:

  1. Sie trennen den Streichholzkopf vom Schaft. Damit bleiben zwei Teilmoleküle, eines wasser- eines fettliebend, die jedes für sich ihre Lieblingsumgebung suchen und keinen Schaden mehr anrichten können.
  2. Sie verpassen dem Schaftende einen zweiten Kopf. So entsteht ein zweiköpfiges “Streichholz”, das nach beiden Enden wasserliebend ist und somit für das Zusammenspiel der Tenside nicht mehr brauchbar ist.

Wer also ein nützliches Tensid “erfinden” möchte, tut gut daran, nicht nur über die mögliche Giftigkeit des Tensids nachzudenken. Wenn nämlich dessen Abbauprodukte, welche die Bakterien im Klärwerk daraus herstellen, für sich aus irgendeinem Grund ebenso giftig sind, würde die Entsorgung der Tenside damit ihres Sinnes beraubt.

So sind die Seifen unseres täglichen Gebrauchs wohl für viele Wasserlebewesen gefährlich, aber auch für den Abbau im Klärwerk geschaffen. Aus diesem Grund gehört Seifenwasser unbedingt in einen Haushaltsabfluss entsorgt, der an ein Abwassersystem und damit möglichst direkt an eine Kläranlage angeschlossen ist.

Innerhalb eines Gebäudes ist das hierzulande kein Problem. Ein Auto passt jedoch in den seltensten Fällen ins Haus, und das Seifenwasser samt Öl- und anderen Resten beim Autowaschen einfach in die Gegend laufen zu lassen erachten viele wichtige Lebewesen in Wasser und Boden als ganz schlechte Idee (und ist je nach Art des vorhandenen Entwässerungssystems sogar verboten!). Deshalb verdient jedes Auto, das nach einer Wäsche mit Seife verlangt, eine Fahrt durch eine Autowaschanlage, die eine umweltschonende Entsorgung ihrer Abwässer übernimmt.

Richtig problematisch wird es damit erst, wenn Tenside zum Einsatz kommen, um Unmischbares zu mischen, das dazu bestimmt ist, in der Landschaft verteilt zu werden. So stecken in Pflanzenschutzmitteln, die (nicht nur) den berüchtigten Wirkstoff Glyphosat enthalten, in der Regel auch Tenside. Und die gelangen beim Spritzen von Pflanzen auf Äckern und in Gärten ungehindert in die Umwelt, was, wie Sebastian auf Nullius in Verba schreibt der Abschnitt über die Tenside findet sich am Schluss des Beitrags) , die Problematik des eigentlichen Glyphosats, letztlich in den Schatten stellt!

 

Fazit

Tenside gehöhren in Form von Seife zu den am längsten von Menschen genutzten Chemikalien der Welt. Ihre Fähigkeit auf zweierlei Weise mit ihrer Umgebung zu wechselwirken und Grenzflächen durchlässig zu machen macht sie zu starken und vielseitigen Helfern im Alltag. Wo Grenzflächen allerdings lebensnotwendig sind, werden Tenside schnell zur Gefahr. So nützlich ihre Superwasch- und mischkraft auch ist, setzt Seife und andere Tenside mit Bedacht ein und geniesst ihren Nutzen ohne bitteren Beigeschmack!

Und wo begegnen euch Tenside in eurem Alltag?

Licht- und Schattenseiten von Feuerwerk – Kontroverses zum 1. August

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Feuerwerk - Tradition oder Umweltsünde?

Der Legende nach gründeten Vertreter der drei Ur-Kantone Schwyz, Uri und Unterwalden am 1. August 1291 die Eidgenossenschaft, aus welcher sich die heutige Schweiz entwickelt hat. Deshalb wird der “Geburtstag der Schweiz” jedes Jahr mit einem Nationalfeiertag voller Bräuche und Traditionen begangen.

Eine dieser Traditionen scheidet jedoch selbst in der Schweiz, ebenso wie an Silvester in Deutschland, Österreich und anderen Ländern, die Geister: Das Feuerwerk. Ähnlich wie zum Jahreswechsel in den Nachbarländern (aber auch in der Schweiz selbst), brennen die Schweizer am Abend ihres Nationalfeiertags traditionell im privaten Rahmen Feuerwerk ab. Im Unterschied zu Silvester jedoch nicht vornehmlich innerhalb von 15 bis 30 Minuten nach Mitternacht, sondern über den ganzen Abend verteilt.

Umso mehr Zündstoff liefert dieses Geburtstagsfeuerwerk auch Tierbesitzern, Lärmempfindlichen oder Atemwegserkrankten, für welche Tage wie diese nicht selten zur Belastung werden. Um den Bedürfnissen sowohl der Anhänger der Tradition als auch der Belasteten gerecht zu werden, hat das Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) reichlich Zahlen und Studien rund um Feuerwerk und seine Auswirkungen auf die Umwelt gesammelt, die auch Grundlage für diese Geschichte um die Chemie in Feuerwerkskörpern und ihre Bedeutung für die Umwelt sind.

 

Eine Schweizer Tradition: Zahlen zum Feuerwerk – nicht nur am Nationalfeiertag

Das BAFU schätzt, dass in der Schweiz in jüngeren Jahren (2009 bis 2013) jährlich rund 2000 Tonnen Feuerwerkskörper zum Einsatz kommen – der Löwenanteil davon am 1. August und an Silvester. Dabei besteht solch ein Feuerwerkskörper jedoch zu rund 75% aus Hüllenmaterial, also Pappe, Papier, Ton oder Kunststoff, sodass tatsächlich “nur” 500 Tonnen eigentliches Feuerwerksmaterial (pyrotechnische Sätze) abgebrannt werden.

Die Hälfte davon, also rund 250 Tonnen, machen Treibladungen aus Schwarzpulver aus, die andere Hälfte sogenannte Effekt-Ladungen, welche unter anderem verschiedene Metalle zur Erzeugung farbenfroher Leuchterscheinungen enthalten.

 

Wie funktioniert ein Feuerwerkskörper/eine Rakete?

Feuerwerks-Rakete

Die klassische zylindrische Feuerwerks-Rakete ist “zweistufig” aufgebaut: Die untere Stufe enthält Schwarzpulver als Treibladung sowie die Anzündung (“Lunte”).

Schwarzpulver ist ein Gemisch, in der Regel aus 75% Kaliumnitrat (), 15% Holzkohlepulver (Kohlenstoff) und 10% Schwefel. Bei Zündung zersetzt sich das Kaliumnitrat und liefert in der von der Aussenluft abgeschlossenen Treiberhülse reichlich Sauerstoff für die Verbrennung der übrigen Komponenten. Dabei entstehen rasch grosse Mengen verschiedener Gase, die durch die Düse gebündelt nach unten austreten und die Rakete mittels Rückstoss in die Luft befördern. Der Leitstab sorgt dabei für eine ruhige Flugbahn der Rakete.

Schwarzpulver in “natürlicher” Umgebung enthält immer etwas Feuchtigkeit (Wasser, ). Beim Entzünden des Gemischs entstehen aus einer kleinen, kompakten Menge von Feststoffen eine grosse Menge von Gasteilchen (Stickstoff – , Kohlenstoffdioxid – , Kohlenstoffmonoxid –  – reagiert mit Sauerstoff weiter zu , Methan – , Schwefelwasserstoff – , Wasserstoff –  – reagiert mit Sauerstoff weiter zu Wasserdampf, ), die von Natur aus Platz einnehmend und mit hoher Bewegungsenergie (entspricht Wärme!) auseinanderstreben.

Der wesentlich kleinere Anteil der Reaktionsprodukte sind feste Salze (Kaliumcarbonat – , Kaliumsulfat – , Kaliumsulfit – , Kaliumsulfid – , Kaliumthiocyanat oder -rhodanid –  (im Übrigen wie alle anderen genannten Feststoffe ungefährlich), Ammoniumcarbonat – , und Reste von Kohle –  und Schwefel – , die zur Entstehung von Rauch beitragen.

Die schnelle Freisetzung von Gasen verleiht Sprengstoffen wie dem Schwarzpulver ihre Sprengkraft. Triebkraft des Ganzen ist jedoch das Streben der beteiligten Stoffe nach Redox-Reaktionen, also dem Austausch von Elektronen: Bestandteile des Schwarzpulvers wie Kohlenstoff und Schwefel werden oxidiert – sie geben Elektronen an Sauerstoff ab, welcher mit der Aufnahme dieser Elektronen reduziert wird. Vergleichbares geschieht beim Rosten von Eisen und ist in der Geschichte zur Rostparade genauer beschrieben – nur um vieles gemächlicher als bei einer Sprengstoff-Explosion.

 

Während des Flugs verhindert die Trennladung eine vorzeitige Zündung der zweiten Stufe durch das verbrennende Schwarzpulver. Erst die Überzündung im oberen Teil der Treiberhülse ermöglicht nach dem Ausbrennen der Treibladung die Zündung der Zerlegerladung, welche die zweite Stufe der Rakete – die Effekthülle samt Effektladung – auseinander sprengt. Die dabei gezündete Effektladung leuchtet, während sie auseinandergerissen wird, farbig auf und erscheint uns für wenige Sekunden als bunte Sternenkaskade am Himmel.

Damit das funktioniert, enthält die Effektladung ihrerseits sauerstoffliefernde Stoffe, also Nitrate (wie Kaliumnitrat – ) oder/und Perchlorate (wie Kaliumperchlorat – ), und Metalle, die sehr hell und sehr heiss verbrennen – also Magnesium oder Aluminium, oder beide als Legierung “Magnalium”.

Die Verbrennung dieser Metalle geht mit Temperaturen bis 2000°C (!) einher. In einem solchen Inferno können chlorhaltige organische Verbindungen, wie der bekannte Kunststoff Polyvinylchlorid (PVC), Chlor-Atome abgeben, die mit den farbgebenden Metallen neue Verbindungen bilden, welche angeregt von der in den explosionsartigen Reaktionen freigesetzten Energie farbig  am Himmel leuchten (wie das Leuchten vor sich geht, erzählt die Geschichte um Farben, Licht und Glanz).

Dabei gibt zum Beispiel Barium grünes Licht, Strontium rotes, Kupfer blaues und Natrium orangegelbes Licht. Und ebenso entstehen im Feuer der Raketen-Explosion zahlreiche Nebenprodukte.

 

Welche Gefahren gehen von Feuerwerkskörpern aus?

Für Menschen:

Unfall-/Verbrennungsgefahr

Feuerwerkskörper brennen sehr, sehr heiss (wie bereits erwähnt mit bis zu 2000°C – während selbst ein guter Pizzaofen gerade einmal etwa 400°C zustande bringt): Das ist notwendig, um die gewünschten Leuchteffekte zu erzeugen. Deshalb gibt es zu Feuerwerkskörpern, die den Vorgaben der EU entsprechen, stets eine Bedienungsanleitung, die ausweist, wie sie zu handhaben sind, damit man sich verbrennt oder schlimmere Verletzungen erleidet. Deshalb gehören Feuerwerkskörper, vor allem solche mit Leuchteffekt, ebenso wenig in die Hände von (unbeaufsichtigten) Kindern wie in vollbesetzte Fussballstadien – denn auch die als “Pyros” berüchtigten bengalischen Feuer erreichen derart hohe Temperaturen, bei denen nahezu alles zerstört wird, was man in einem Station finden kann: Menschen, Kleidung, Kunststoffe und vieles mehr. So stellen  Feuerwerkskörper gerade im dichten Gedränge eine erhebliche Verletzungsgefahr dar!

Gehörschädigungen

Feuerwerkskörper sollen laut sein – die Bedienungsanleitung gibt an, wie sie zu verwenden sind, damit sie nicht zu laut werden (Abstand einhalten!): Trotzdem können schnell Grenzwerte überschritten werden – wie Messungen zeigen auch bei Grossfeuerwerken von professionellen Feuerwerkern. Gehörschutz ist daher für Feuerwerker – professionelle wie private dringend, für ihre Zuschauer aber ebenfalls empfohlen. Ich selbst trage bei Grossfeuerwerken, die ich im Freien beobachte, auch wenn sie scheinbar weit entfernt auf Booten auf dem Zürichsee gezündet werden, stets Ohrstöpsel.

Belastung durch Chemikalien: Feinstaub!

Die aus der Sicht des BAFU einzig beachtenswerte Belastung mit Chemikalien aus Feuerwerkskörpern ist die kurzfristige Erzeugung von Feinstaub beim Abbrennen: Aus den 500 Tonnen jährlich verfeuerter pyrotechnischer Sätze werden schätzungsweise rund 360 Tonnen der Sorte Feinstaub, die in unsere Lungen gelangen kann (PM10 genannt) , freigesetzt (bis in unsere Lungenbläschen gelangt davon wiederum ein Bruchteil). Das klingt nach viel, erscheint aber weitaus nebensächlicher, wenn man die Menge dieses Feinstaubs dagegen stellt, die während eines Jahres insgesamt in der Schweiz durch Strassenverkehr und andere Quellen erzeugt wird: 19’000 Tonnen! Der eher kleine feuerwerksbedingte Anteil daran wird jedoch vornehmlich in zwei Nächten freigesetzt: Am Abend des 1. Augusts und in der Silvesternacht. So wird es nicht verwundern, dass in den 24 Stunden rund um ebendiese Nächte in besiedelten Gebieten die vorgeschriebenen Grenzwerte für den Feinstaubgehalt der Luft überschritten werden. Das wiederum kommt allerdings auch an anderen Tagen ziemlich häufig vor – in allen Gebieten der Schweiz bis auf das sehr dünn besiedelte Hochgebirge mindestens 5, in städtischen Gebieten bis zu 30 mal im Jahr.

So stellt der Feuerwerks-Feinstaub denn auch für gesunde Menschen keine nachweisbare Belastung der Atemwege dar. Anders sieht das bei Menschen mit bereits bestehenden Atemwegs- (zum Beispiel Asthma!) oder auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen aus: Unter solchen wurden in und unmittelbar nach Feuerwerksnächten (zusätzliche) Beeinträchtigungen der Lungenfunktion nachgewiesen und Fälle von akuten Beschwerden nach Umgang mit Feuerwerkskörpern registriert. Das BAFU empfiehlt daher Menschen mit solchen Erkrankungen, die direkte Begegnung mit Feuerwerksrauch zu vermeiden.

 

Was die Vielzahl von chemischen Verbindungen betrifft, die bei einem Feuerwerk freigesetzt werden (dazu zählen neben den Salzen verschiedener Schwermetalle diverse Verbrennungsgase sowie organische Verbindungen – die bedenklichen unter diesen werden von Umweltchemikern gern als “VOC”, “volatile organic compounds” zusammengefasst):

Die allermeisten dieser Stoffe gelangen aus anderen Quellen in unserer technisierten Welt in wesentlich grösserem Umfang als durch Feuerwerk in unsere Umgebung, sodass eine Feuerwerksnacht in Sachen Belastung damit kaum ins Gewicht fällt. Überdies dürfen die hier verwendeten Feuerwerkskörper besonders giftige Schwermetalle – Blei, Arsen, Quecksilber, aber auch Cadmium – gar nicht enthalten (man findet sie darin auch nur in Spuren, wenn überhaupt, die als Verunreinigungen geduldet werden). Dementsprechend sind Quellen für die Belastung von Menschen mit Schwermetallen und anderen Stoffen wohl anderswo zu  suchen als im Feuerwerk.

 

Für Tiere:

Ein Feuerwerk hat jedoch nicht nur Auswirkungen auf Menschen – die Tiere in seiner Umgebung sind mindestens ebenso davon betroffen:

Gehörschädigungen

Die meisten Wirbeltiere haben einen Hörsinn, das heisst Ohren, wie wir Menschen, auch wenn man diese – wie bei Vögeln – nicht immer sieht. Und dieser Hörsinn kann ebenso Schaden nehmen wie der unsere. Zudem ist der Hörsinn vieler Tiere – auch unserer Haustiere – um Vieles empfindlicher als menschliche Ohren.

Folgen von Schreckreaktionen

So können unsere Tiere nicht nur ebenso wie wir Hörschäden in Form von Ohrgeräuschen oder Taubheit erleiden, sondern auch durch die knallenden Geräusche eines Feuerwerks erschrecken oder gar in Panik geraten und blindlinks flüchten – im schlimmsten Fall direkt vor ein fahrendes Auto oder in einen Abgrund. Haustierbesitzern wird daher empfohlen, ihre Tiere vor und während Feuerwerks-Nächten im Haus zu behalten und ihnen eine schallgeschützte Zuflucht zu bieten.

Wildtiere, zum Beispiel Wasservögel, die keine menschliche Behausung als Zuflucht haben, werden nicht selten von Feuerwerk vertrieben und lassen sich erst Wochen nach dem Ereignis wieder an ihren angestammten Plätzen blicken. Daher empfiehlt das BAFU, bei der Planung von Feuerwerk im Rahmen von Veranstaltungen stets auch einen Tierschutz-Experten mit einzubeziehen.

 

Welche Feuerwerkskörper sind in der Schweiz (bzw. in der EU) zugelassen?

  • Das Schweizerische Sprengstoffgesetz und die Sprengstoffverordnung, welche Anweisungen zur Umsetzung dieses Gesetzes enthält, sind der EU-Richtlinie 2007/23/EG angepasst, sodass in den EU-Staaten, unter anderem Deutschland und Österreich, vergleichbare Regeln gelten werden: Feuerwerkskörper dürfen in Verkehr gebracht werden, wenn sie den Sicherheitsvorgaben der EU-Richtlinie entsprechen, einer der 4 Kategorien zugeordnet werden können und den Regeln entsprechend gekennzeichnet sind (Bedienungsanleitung!).
  • Die hochgiftigen Schwermetalle Blei, Arsen und Quecksilber und ihre Verbindungen sowie der organische Chlorlieferant Hexachlorbenzol (HCB) sind als Inhaltsstoffe verboten. Ausserdem dürfen Feuerwerkskörper keine Stoffe enthalten, die gemäss dem Chemikaliengesetz verboten sind.
  • Knallkörper am Boden sind verboten (ausgenommen ist Kleinfeuerwerk der Kategorie 1).
  • Die Kantone können weitere Bedingungen stellen und den Verkauf bzw. Gebrauch von Feuerwerk auf bestimmte Anlässe/Tage limitieren
  • Die 4 Kategorien sind:
    • 1: Feuerwerkskörper, die eine sehr geringe Gefahr darstellen und vernachlässigbar laut sind: z.B. Knallteufel, “Frauenfürze” (Ladycrackers), Tischfeuerwerk. Die Abgabe ist an Personen ab 12 Jahren erlaubt.
    • 2: Feuerwerkskörper, die eine geringe Gefahr darstellen, wenig laut sind und in eingegrenzten Bereichen draussen abzubrennen sind: Vulkane bis 250g Nettoexplosivmasse (NEM), Raketen bis 75g NEM, Römische Fackeln bis 50g NEM. Die Abgabe ist an Personen ab 16 Jahren erlaubt.
    • 3: Feuerwerkskörper, die eine mittlere Gefahr darstellen, draussen im Freien abgebrannt werden müssen, und deren Lärm bei sachgemässer Verwendung nicht gefährlich ist:  Raketen bis 500g NEM, Batterien bis 1000g NEM, Vulkane bis 750g NEM. Die Abgabe ist an Personen ab 18 Jahren erlaubt.
    • 4: Feuerwerkskörper, die eine grosse Gefahr darstellen und daher nur von Inhabern eines Verwendungsausweises ab 18 Jahren – also Profi-Feuerwerkern – verwendet werden dürfen. Solche Feuerwerkskörper sind nicht im freien Handel erhältlich und können nur von Inhabern eines Erwerbsscheins oder einer Abbrandbewilligung bezogen werden: Darunter fällt alles, was die Beschränkungen für Kategorie 3 übersteigt.

(Quelle: Kantonspolizei St.Gallen)

 

Fazit:

Feuerwerkskörper enthalten eine wahrhaft explosive Mischung der verschiedensten Stoffe, die gemeinsam zu wunderschönem – aber geräuschvollem Farbenspiel am Himmel und am Boden führen können. Wie bei vielen unserer technisierten Vergnügungen scheiden sich auch beim Feuerwerk die Geister: Tradition und bestaunenswerter Lichterzauber stehen gegenüber Belästigung oder gar Belastung durch Lärm, Rauch und Chemikalien.

Ich persönlich liebe das Spiel von Licht und Farben am Himmel, kann jedoch auf die Knallerei gut und gern verzichten. So kann ich die Argumente von Traditionsanhängern und Lärmemfindlichen oder Tierbesitzern gleichermassen nachvollziehen. Definierte Abbrandzeiten (bei Grossfeuerwerken und an Silvester weitgehend gegeben) und eine rechtzeitige Vorbereitung (Haustiere einsperren, Gehörschutz zur Hand haben) sollten in meinen Augen einen für beide Seiten vertretbaren Kompromiss ermöglichen.

Jene Kommentare von Tierbesitzern und -freunden auf sozialen Medien oder im Schnellzug, die ich unmittelbar nach dem eben erst begangenen 1.August 2016 zu lesen und zu hören bekam, lassen jedoch vermuten, dass die mir eigentlich sympathische und kompromissförderliche Gesetzgebung der Schweiz in Sachen Feuerwerk leider reichlich Beugung oder gar Umgehung erfährt.

Dabei gefährden jene, die Feuerwerkskörper unsachgemäss verwenden oder gar illegale, ungeprüfte “Polen-Böller” aus Osteuropa oder anderen Quellen abbrennen, nicht nur ihre Umgebung, sondern vor allem sich selbst. Denn die Energiemengen, die bei der Explosion von Feuerwerkskörpern in Form von Hitze und Schall freigesetzt werden, sind enorm. Und enorme Energiemengen können enormen, nicht wieder gut zu machenden Schaden anrichten.

Was die Chemikalien betrifft, die in Feuerwerk Verwendung finden oder beim Abbrennen entstehen, weckt nicht das Feuerwerk als solches meine Bedenken, sondern der Umstand, dass einige jener Inhaltsstoffe und Produkte des Feuerwerks, die wir nicht gern in unserer Umwelt wissen, so reichlich aus anderen menschlichen Quellen eben da hineingetragen werden, dass der Beitrag durch privates Feuerwerk dazu in den meisten Fällen nicht mehr sonderlich ins Gewicht fällt.

Alles in allem plädiere ich für Kompromissbereitschaft und gegenseitige Rücksichtnahme, ob am 1. August oder in der Silvesternacht – denn nur so können wir alle einen entspannten Feiertag verbringen.

Und wie steht ihr zum Feuerwerk? Brennt ihr selbst welches ab? Beobachtet ihr lieber, oder seid ihr mit euren Tieren beschäftigt? Habt ihr auch das Gefühl, dass das Feuerwerk sich hin zur Knallerei verändert? Ich freue mich über eure Kommentare!

Photovoltaik: Nicht nur Peter Lustig nutzt die Sonnenkraft

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Photovoltaik : Solarpanel im Detail

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

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

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

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

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

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

Wie entsteht in Solarzellen Strom?

Elektrischer Strom im Bändermodell

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

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

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

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

Bändermodell : Leiter und Nichtleiter

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

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

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

Wie aus Licht Strom entstehen kann

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

Halbleiter : Bändermodell

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

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

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

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

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

Halbleiter: n-Dotierung vs. p-Dotierung

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

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

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

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

 

Welche Stoffe können das: Woraus bestehen Solarzellen?

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

Halbmetalle

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

 

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

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

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

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

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

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

 

Wie effektiv ist die Stromgewinnung mit Solarzellen?

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

Deswegen werden Solarzellen in verschiedenen Bauweisen entwickelt und hergestellt:

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

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

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

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

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

 

Inwiefern belastet die Herstellung  von Solarmodulen die Umwelt?

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

Entstehung_TCS

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

Abbau_TCS

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

Lohnt sich dieser Energieaufwand?

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

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

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

 

Wie giftig ist die ganze Chemie dahinter?

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

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

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

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

Was wir tun können: Recycling

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

Welche Rolle spielen Photovoltaik bzw. Solarzellen in eurem Alltag?

 

 

Jahresrückblick 2015: Danke allen Fans und Lesern!

Mit diesem Post möchte ich allen Lesern, Fans und Förderern von Keinsteins Kiste danken. Ohne euch gäbe es diese Seite nicht! Und obwohl die Kiste erst ein halbes Jahr alt ist, habe ich 2015 viele tolle Menschen und Mitblogger kennen lernen und wunderbare Erfolge feiern dürfen.

 

Aber die Geschichte dahinter beginnt vor mehr als einem halben Jahr: Durch Verzögerungen beim Studium zur Untätigkeit verdammt fühlte ich mich im Frühling 2015 wie eine überreife Pflaume: Heiss darauf zu verwerten, was ich in langen Studien- und Lebensjahren gelernt hatte, aber – scheinbar – ohne Möglichkeit dazu.

So las ich in einer völlig themenfremden Facebook-Gruppe von einem Medium, das ich bis anhin bloss mit Mode, Kosmetik und der Generation nach mir verbunden hatte: Von einem Blog. Dani Wolf von Glucke und So ist jedoch gestandene Mama in meinem Alter und schreibt einen Familienblog. Damit war meine Neugier geweckt. Beim Stöbern auf Danis Seite habe ich ganz schnell Blut geleckt – und meine erwähnte Überreife trug mich über alle Bedenken angesichts der Flut von Eindrücken und Funktionen hinweg: Ich bin zwar nicht Mutter, aber das kann ich doch auch!

Darauf folgten zwei Tage intensiven Stöberns und Lesens – wie baut man eigentlich einen Blog auf? – und dabei war besonders eine Seite ganz zentral: Der Affenblog von Vladislav Melnik. So kontrovers der Affenblog und sein Schöpfer in manchen Communities auch diskutiert werden mag: Ich habe bei der gründlichen Lektüre – insbesondere als Blog-Anfängerin – sehr viel mehr gelernt als einen Schreibstil zum Kopieren (welchen ich – so denke ich – nicht brauche). Die wichtigste Lektion, die ich von Vladislav lernte, ist wohl: Nicht lange grübeln und planen, mach einfach dein Ding und schau, was passiert – und zwar auf dem eigenen Webspace!

Also habe ich gemacht: Nachdem ich mir in zwei bis drei Wochen die Handhabe von WordPress und die Gestaltung eines Blogs auf dem XAMPP-Heimserver selbst angeeignet hatte, ging Keinsteins Kiste am 14. Juni mit dem ersten Post um das Chemische Gleichgewicht mit Le Chatelier und den Ferienfliegern online. Und was war ich stolz!

 

Beim Ausloten meiner Nische – Naturwissenschaft im Allgemeinen und Chemie im Besonderen – stiess ich schnell auf zwei grosse Portale mit Blogs zu wissenschaftlichen Themen – und konnte durch Kommentieren, unter anderem auf scienceblogs.de sehr schnell die ersten Stammleser gewinnen.

Zwei Leser dieser ersten Stunde sind Christian Thiele von Thieles Tierwelt und der Drachenkater, die mir seit den ersten Tagen der Kiste das wertvolle Gefühl geben, nicht ins Leere zu schreiben. Ebenso lieb und teuer ist mir die überschwängliche Begeisterung, mit welcher Ubuntu-Fan und -blogger Andre Nitschke alias Gnude jeden meiner Artikel quittiert – und das, obwohl ich konsequent MS Windows nutze!

Besonders danken möchte ich Normann Sötje alias Pyramideneule, der aus seiner Begeisterung für meine Texte heraus das Theme gestiftet hat, welches Keinsteins Kiste seit Ende August ihr heutiges Aussehen verleiht. Für 2016 haben wir eine kleine interdisziplinäre Kooperation ins Auge gefasst: Es wird um Insekten mit “Chemie-Waffen” gehen.

 

Nach den Sommerferien-Pause ermöglichte Florian Freistätter von Astrodicticum Simplex mir und der Kiste den Erfolg des Jahres: Die Teilnahme an dem von ihm organisierten Blog-Schreibwettbewerb 2015 auf scienceblogs.de. Neben einem Gastpost mit dem Wettbewerbsbeitrag “Wahrheiten über die Energie” auf einem beliebten Scienceblogs.de-Blog brachte mir das nämlich einen 5. Preis und eine grosse Menge neugieriger Besucher ein! Keine Frage: Da bin ich bei der Neuauflage 2016 natürlich wieder mit dabei.

Seither pflege ich mit meiner Mitbewerberin Emmygunde von emmygundespatzeküken.de regelmässigen Kontakt und lese mit Begeisterung jede ihrer herzerwärmenden Geschichten, die sich häufig um ihr aufgewecktes und wissenschaftsbegeistertes Kind drehen. Als “persönlicher Expertenmensch” des “Küken” genannten Kindes durfte ich auch hier schon in einem Kooperationspost Emmygunde und Herr Alias das Rätsel um geisterhafte Filmaufnahmen lösen.

Zudem stellte ich fest, dass meine Nische rund um die Chemie doch nicht ganz so leer war wie ich glaubte. So begegnete ich in der virtuellen Wissenschafts-Welt dem “Chemischen Reporter Marco Körner, und Ole von Banana-Bond, die sich einem ganz ähnlichen Ziel verschrieben haben wie ich: Die Chemie des Alltags – aber auch der modernen Forschung – allen Neugierigen nahe zu bringen.

Solche Neugierigen wie auch eine weitere Nischen-“Mitbewohnerin” fanden sich in dem Ende September neu gegründeten Forum auf meinbloggerforum.de, mit welchem Tenzi von Realitätswunder.de und ihre Moderatoren eine wunderbare Anlaufstelle für Blogger aus allen Sparten geschaffen haben.

Dort lernte ich nämlich auch die bloggende Chemie-Studentin Maike alias Missdeclare kennen, die sich unter anderem sehr dafür interessiert, was in all den Dingen und Produkten, die unseren Alltag füllen, enthalten ist. Und schliesslich durfte ich auf ihrem Blog am 12. Dezember meinen ersten “regulären” Gastbeitrag über die spannenden Stoffe und  Vorgänge in der Zahnarztpraxis veröffentlichen.

 

Als eine wunderbare Gelegenheit zum “Gelesen-Werden” haben sich Blogtouren und -paraden erwiesen: Nachdem ich im Rahmen einer Blogtour zum Thema Umweltschutz, organisiert im Forum blogger-treff.de, über kompostierbare Kunststoffe geschrieben hatte, fand mein Artikel zur Halloween-Blogparade “Kürbis und Flammen” von Arne Kerlin und Sarah von Flaneurin richtig grossen Anklang: Wie man einen Kürbis mit geisterhaftem kaltem Feuer erstrahlen lässt, und wie das funktioniert, erwies sich augenscheinlich als überaus spannend. Wenn die beruflichen Umstände es erlauben, ist für die Wiederholung zu Halloween 2016 ein Kürbis mit Thermit-Reaktion bereits eingeplant.

Zum guten Schluss: Guter Content ist ein ganz wichtiger Faktor für eine gute Reichweite – das predigt jeder, der etwas über das “Wie” beim Bloggen zu sagen hat. Und den Aufruf-Zahlen zufolge haben die berauschende Hochzeitsfeier meiner Schwester und die zeitgleich anlaufende Oktoberfest-Saison mich Ende September zu meinem beliebtesten Content neben dem Wettbewerbs-Beitrag inspiriert: “Biochemischer Katzenjammer” beschreibt, was bei reichlichem Alkohol-Konsum im menschlichen Körper geschieht und wie es zu den spürbaren Symptomen des “Katers” kommt.

Nachdem alle Neujahrs-Kater hoffentlich inzwischen verflogen sind, wünsche ich euch – allen treuen und neuen Lesern und Mitbloggern – ein tolles und erfolgreiches Jahr 2016 voller neuer, spannender Geschichten!

 

Eure Kathi Keinstein

 

NOx, CO2 und der VW-Skandal: Was macht eigentlich ein Abgas-Katalysator?

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

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

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

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

Aber fangen wir am Anfang an:

Verbrennungsvorgänge im Motor und was dabei entsteht

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

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

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

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

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

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

 

Warum diese Abgase giftig sind

Das Stickstoffmonoxid () ist nicht sehr beständig – es reagiert schon bei “normalen” Temperaturen mit weiterem Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid () weiter. Stickstoffdioxid  ist ein braunes Gas, das unangenehm chlorähnlich riecht. Und dieses Gas hat es in sich. Es löst sich nämlich in Wasser, um dann sofort mit diesem zu Salpetersäure bzw. salpetriger Säure zu reagieren:

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

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

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

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

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

 

Wie man die Freisetzung giftiger Abgase vermeidet

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

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

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

 

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

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

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

Katalysator im Auto

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

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

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

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

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

Otto_Kat_Aufbau

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

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

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

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

 

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

 

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

 

Für den besten Umsatz: Vom ungeregelten zum Regel-KAT

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

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

 

Und für Dieselmotoren: DeNOx-Systeme

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

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

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

DeNOx-System

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

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

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

 

Entstickung mit Harnstoff

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

Das Nebenprodukt Isocyansäure () reagiert mit anwesendem Wasserdampf weiter:

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

AdBlue

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

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

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

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

 

Und worin besteht nun der Abgas-Skandal?

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

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

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

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

 

Fazit

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

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

 

Und welche Sorte Katalysator nutzt ihr?

 

 

Begegnung mit Polylactid – Kompost statt Müllberg dank abbaubarem Bio-Kunststoff?

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Polylactid - Werkstoff mit Potential in Sachen Umweltschutz

Kürzlich haben Reto und ich im Urlaub eine spannende Entdeckung gemacht. An einem heissen Tag im den Denver Botanic Gardens im US-Bundesstaat Colorado trieb uns der Durst in die dortige Freilicht-Cafeteria. Wir erstanden dort handgebrauten Eistee in grossen, durchsichtigen Plastikbechern – und diese Becher waren das Spannende – besonders für Chemiker, Science-Begeisterte und Umweltfreunde. Sie trugen nämlich eine aufgedruckte grüne Banderole mit der grossen Aufschrift “100% compostable – please discard in marked containers” – also “100% kompostierbar – bitte in vorgesehene (beschriftete) Abfallbehälter entsorgen”.

Kompostierbarer Kunststoff als Mittel gegen Müllberg und Erdöl-Krise?

Ein kompostierbarer Plastikbecher? Der sich zudem noch wie ein ganz normaler Plastikbecher anfühlt und zu verhalten scheint? Meine wissenschaftliche Neugier war sofort geweckt. Als der Eistee seiner Bestimmung zugeführt worden war, entdeckte ich auf dem Boden des Bechers ein vertrautes Symbol: Ein Dreieck aus drei umlaufenden Pfeilen mit der Ziffer 7 in der Mitte. Und den drei Buchstaben “PLA”.

Das Pfeildreieck ist heutzutage auf praktisch allen Kunststoff-Verpackungen zu finden und gibt Auskunft über die Art des Kunststoffs, und in welchen Recyclingweg er einfliessen soll. Dafür wird den verbreitetsten Kunststoff-Typen je eine Ziffer zugeordnet. Die Ziffer 7 steht dabei für “sonstige Kunststoffe” – eben jene, die noch nicht so verbreitet sind. Die Buchstaben darunter geben die genaue Kunststoffsorte an. “PLA” steht für Polymilchsäure (engl. Poly Lactic Acid), oder auch Polylactid. Beide Namen stehen für den gleichen Stoff und beziehen sich auf zwei verschiedene Herstellungswege.

Bei Milchsäure klingeln bei Biochemikern und Medizinern, aber auch bei Molkereimitarbeitern die Glocken: Das (oder besser das Anion der Milchsäure, Lactat) ist ein Stoff, der im Stoffwechsel fast jedes Lebewesens produziert wird und dort häufig als “Abfall” anfällt. Und aus diesem Naturstoff hat jemand ein Polymer gemacht und Plastikbecher hergestellt, die sich wieder zu Naturstoffen kompostieren lassen? Lässt sich mit solch einem Biokunststoff etwa das immer rarer werdende Erdöl als Rohstoff für herkömmliche Kunststoffe ersetzen? Könnten damit unsere stetig wachsenden Müllberge bald der Vergangenheit angehören?

Aber fangen wir am Anfang an:

Was ist ein Polymer?

Die Vorsilbe “Poly” ist aus dem Altgriechischen abgeleitet und steht für “viel”. Und Polymere sind in der Tat Moleküle mit viel drin: nämlich mit vielen Atomen. Im Chemieunterricht in der Schule bekommt man es häufig mit sehr kleinen Molekülen mit zwei bis zehn Atomen zu tun. Für die organischen Chemiker sind diese Moleküle geradezu winzig. Sie bezeichnen nämlich auch noch Moleküle wie unsere Vitamine mit (ca. 50) Atomen als klein. Dahingegen sind Polymere wahre Riesenmoleküle mit tausenden von Atomen, die lange Ketten und manchmal richtige Netzwerke bilden.

Das Besondere dabei ist, dass diese Ketten aus sich immer wiederholenden Kettengliedern bestehen. Es gibt nämlich bestimmte sehr kleine Moleküle, die unter den richtigen Umständen miteinander reagieren und sich wie Glieder zu einer Kette verbinden können. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Gas Ethen – auch als Ethylen bekannt. Das kann man in Gasflaschen füllen und herumtransportieren und bei Bedarf verbrennen – es ist nämlich sehr reaktionsfreudig. Wenn man allerdings ein Ethylen-Molekül auf die richtige Weise reaktiv macht, d.h. “aktiviert”, kann es ein anderes Ethylen-Molekül angreifen, sich mit diesem verbinden und es wiederum aktivieren. So entsteht Glied für Glied ein lange Kettenmoleküle, aus denen ein fester, reaktionsträger Kunststoff hergestellt werden kann: Polyethylen.

Ein Polymer ist also Stoff, der aus kettenartigen Riesenmolekülen besteht, die wiederum aus miteinander verbundenen kleinen Molekülen aufgebaut sind. Diese kleinen Moleküle werden vor der Reaktion zur Kette Monomere genannt.

Und eine solche Polymerisationsreaktion, oder kurz Polymerisation kann man auch mit Milchsäure machen. Das Schöne daran ist: Milchsäure kann man billig in einem weit verbreiteten Verfahren herstellen. Oder besser, man lässt sie herstellen.

Milchsäureherstellung mittels Fermentierung

Fast jedes Lebewesen kann Glucose – Traubenzucker – zu Milchsäure (bzw. ihrem Anion Lactat) abbauen. Damit können diese Lebewesen Energie gewinnen. Im Zuge das Abbaus wird chemische Energie aus dem Zucker frei, welche in einem sehr vielseitigen Molekül, genannt ATP (Adenosintriphosphat), zwischengespeichert wird. ATP wiederum dient als “Kraftstoff” für vielerlei Reaktionen und Prozesse in einem Organismus, die Energie benötigen.

Milchsäuregärung


Schema für die Milchsäuregärung: Der Abbau von Glucose zu Pyruvat ist eine Redox-Reaktion. Das hierfür benötigte Oxidationsmittel NAD+ wird im Zuge der Weiterreaktion des Pyruvats zu Lactat (dem Anion der Milchsäure) zurückgewonnen.

Der Abbau von Glucose zu Lactat zwecks ATP-Erzeugung wird von verschiedenen Enzymen katalysiert. Der gesamte Prozess wird Fermentierung oder auch Milchsäure-Gärung genannt. Es gibt eine ganze Reihe von Bakterienstämmen, deren Lebensinhalt darin besteht Zucker zu Milchsäure (und nichts anderem) zu vergären. Diese Bakterien der Gattung Lactobacillus werden seit je her zur Herstellung von Milchprodukten wie Käse, Joghurt oder Kefir eingesetzt. So liegt nahe, dass diese Bakterien für den Menschen nicht gefährlich sind. Im Gegenteil: Bestimmte Lactobacillus-Arten besiedeln unsere Schleimhäute und sorgen dafür, dass Krankheitserreger dort keinen Platz finden um sich zu vermehren.

Und eben diese Bakterien werden genutzt, um Milchsäure als Rohstoff für Polylactid-Kunststoff zu gewinnen. Dazu muss man die Bakterien mit Glucose füttern. Und Glucose findet man reichlich in Pflanzen, zum Beispiel in Stärke (Stärke ist nämlich nichts anderes als ein Polymer aus Zuckermolekülen). Deshalb wird in den USA Mais angebaut um Bakterienfutter für die Milchsäuregärung zu gewinnen (andere Pflanzen tun es aber mindestens genauso, wie z.B. Zuckerrohr). Aktuell wird sogar daran geforscht, Pflanzenabfälle, die beim Ackerbau entstehen, als Bakterienfutter zu verwenden (Assoziation Ökologischer Lebensmittelhersteller (AÖL), 2014).

Von der Milchsäure zum Plastik

Die fertig gegorene Milchsäure kann auf zwei Wegen zu dem Polylactid genannten Kunststoff verarbeitet werden.

Zum einen kann Polymilchsäure (chemisch dasselbe wie Polylactid) durch eine Polykondensation von Milchsäure-Monomeren hergestellt werden. Wer die drei organischen Reaktionstypen an unserer Grillparty kennengelernt hat, weiss, dass bei der chemischen Reaktion namens Kondensation zwei Moleküle (bei der Polykondensation sind das die angefangene Kette und das jeweils nächste Monomer) zu einem grösseren Molekül reagieren und stets ein neues, kleines Molekül übrig bleibt. Bei der Polykondensation von Milchsäure ist dies ein Wassermolekül für jedes angehängte Monomer. Und all diese Wassermoleküle müssen irgendwo hin.

Polykondensation von Milchsäure


Polykondensation von Milchsäure: Der grüne Rahmen markiert ein Milchsäure-Kettenglied, die roten Rahmen markieren die Atome, die als Wassermolekül übrig bleiben. Anfang und Ende der Kette aus n Milchsäure-Molekülen entstehen aus einem weiteren (n + 1) Milchsäure-Molekül.

Deshalb muss die Polykondensation von Milchsäure in einem Lösungsmittel durchgeführt werden, in welchem sich das Wasser löst. Und dieses Lösungsmittel muss anschliessend vom Kunststoff getrennt und bestenfalls aufbereitet und wiederverwendet werden. Das ist im industriellen Massstab aufwändig und relativ teuer.

So geht man bevorzugt den zweiten Weg.

Polylactid kann nämlich zum anderen durch eine ringöffnende Polymerisation von Lactid-Monomeren gewonnen werden. Ein Lactid-Molekül besteht aus zwei Milchsäure-Molekülen, die miteinander zu einem Ring aus sechs Atomen verbunden sind. Solch ein Lactid-Ring kann eine Komplexreaktion mit bestimmten metallorganischen Verbindungen (also organischen Molekülen, die mindestens ein Metall-Atom enthalten) eingehen und im Zuge dessen geöffnet werden. Das so aktivierte Lactid kann einen weiteren Lactid-Ring öffnen und ihn zwischen sich und dem Metall-Atom einfügen (wie das genau vor sich geht ist noch nicht ganz geklärt). Dabei bleibt, anders als bei der Polykondensation, kein kleines Molekül übrig.

Ringöffnungspolymerisation zur Herstellung von Polylactid


Ringöffnungs-Polymerisation von Dilactid: Die metallorganische Verbindung XiM-OR (M steht für ein Metallatom, Xi für i weitere daran gebundene Atome, R für einen organischen Rest) bildet mit Dilactid einen Komplex. Anschliessend binden das Metall und der organische Rest in noch ungeklärter Weise an die markierten Atome und nehmen den geöffneten Ring in die Mitte. Das C-Atom rechts oben steht in der zweiten Zeile ganz links neben dem RO, und die Atome des Rings gegen den Urzeigersinn gelesen finden sich von links nach rechts in der unteren Zeile wieder. So werden n weitere Ringe (n LA) geöffnet und in die Kette eingefügt, ehe das Metall-Atom am Kettenende gegen ein Wasserstoff-Atom ausgetauscht wird.

So kann die ringöffnende Polymerisation ohne Lösungsmittel durchgeführt werden. Allerdings muss die metallorganische Verbindung in kleinen Mengen als Katalysator dazugegeben werden. Zudem neigen die Polylactid-Ketten dazu miteinander zu reagieren, sodass man weitere Stoffe (Radikalfänger) beimengt, um eben dies zu verhindern.

Alles in allem können zur industriellen Herstellung von Polylactid auf diesem Weg lange, schraubenartige Reaktoren, sogenannte Extruder, eingesetzt werden, an deren einem Ende die Monomere samt Katalysator und Zusätzen hineingegeben werden, während am anderen Ende das Polymer in Form von Kunststoff-Fäden oder -Folie hinauskommt. Die Polymerisation findet während des Durchlaufs durch die Maschine statt.

Wofür kann man PLA benutzen?

In der Medizintechnik ist Polylactid schon lange als Werkstoff beliebt. Da der menschliche Körper selbst Lactat erzeugt, werden Polylactid und seine Abbauprodukte (letztlich Lactat) vom Organismus nicht als Fremdstoffe wahrgenommen. Darüber hinaus kann Polylactid im menschlichen Körper abgebaut werden. So werden schon seit 1966 bei Operationen Nähfäden aus Polylactid verwendet, die nach ein paar Wochen im Körper zersetzt sind und somit nicht gezogen werden müssen. Eine andere Anwendung in dieser Richtung ist die Herstellung von Knochenprothesen, die aufgrund ihrer Abbaubarkeit mit der Zeit durch nachwachsendes Knochengewebe ersetzt werden können.

Im Botanischen Garten in Denver haben wir das Polylactid jedoch in einer viel alltäglicheren Anwendung kennengelernt: Als Einweggeschirr bzw. Verpackungsmaterial (denn nicht nur die Becher, auch Trinkhalme, Plastik-Teller und -besteck – eigentlich alles, was in der Cafeteria ausgegeben wurde, war mit dem Hinweis auf Kompostierbarkeit versehen).

Bei der Verwendung eines Kunststoffs ist man jedoch gut beraten, auf seine besonderen Eigenschaften zu achten. Reines Polylactid nämlich wird schon ab 50-60 °C sehr weich und verformt sich. Deshalb muss es mit Zusatzstoffen hitzebeständig gemacht werden, bevor man heisse Speisen und Getränke darin servieren kann.

Kunststoff auf dem Komposthaufen?

Die Aufschrift “100% compostable” verleitet in der Tat dazu anzunehmen, wir könnten unsere Becher nun einfach auf den Komposthaufen werfen und warten, bis sie von selbst verrotten. Mit bestimmten anderen Biokunststoffen klappt das wirklich, aber mit Polylactid ist das leider nicht ganz so einfach.

Um Polylactid zu kompostieren muss man es nämlich in industriellen Anlagen in 95% Luftfeuchtigkeit auf 60°C warm halten und passende Mikroorganismen dazugeben, die bei solch hohen Temperaturen leben können (AÖL, 2014). Kompostierung ist nämlich der von Enzymen katalysierte Abbau von organischem Material – idealerweise zu nährstoffreichem Humus. Und Enzyme werden von Lebewesen bereitgestellt und genutzt. Für den Abbau von Polylactid übernehmen das thermophile, also wärmeliebende Bakterien.

Es ist also keine gute Idee Polylactid-Verpackungen einfach in die Landschaft zu werfen. Dort werden sie nicht von selbst verrotten. Deshalb hatte der Betreiber des Botanischen Gartens rund um die Cafeteria Abfalleimer mit dem Hinweis “nur für kompostierbare Kunststoffabfälle” aufgestellt um das gebrauchte Geschirr zu sammeln und in seine eigene oder eine externe Kompostieranlage zu schaffen.

Wie umweltfreundlich ist das Ganze?

Wenn man bestimmen möchte, wie umweltfreundlich ein Kunststoff tatsächlich ist, gibt es eine ganze Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, die von der Erzeugung und Verwendung bis hin zur Entsorgung des Kunststoffs eine Rolle spielen. Wichtige solche Faktoren sind:

Landnutzung und Nahrungsmittelkonkurrenz

Zur Herstellung von Milchsäure, dem Ausgangstoff für die Erzeugung von Polylactid, müssen (zumindest heute) Pflanzen angebaut werden, um daraus Bakterienfutter zu gewinnen. Die dazu nötige Ackerfläche nimmt Platz ein, und der Mais oder andere Pflanzen, die als Bakterienfutter dienen, können nicht als Nahrungsmittel für Menschen genutzt werden.

Im Augenblick wird noch so wenig PLA produziert, dass der Platzbedarf verschwindend ist und der Ackerbau zwecks Erzeugung von Biogas und Biosprit eine vielfach grössere Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau darstellt. Für die Zukunft stehen für einen vollständigen Ersatz unserer Kunststoffe durch Biokunststoffe Schätzungen von 1 bis 12% der weltweit verfügbaren Ackerfläche für den dafür notwendigen Rohstoffanbau im Raum (AÖL, 2007).

Umweltverträglichkeit des Rohstoff-Anbaus

Bei jeder Art von Ackerbau ist kritisch abzuwägen, inwieweit Monokulturen und der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln sich schädlich auswirken und minimiert werden können. Zudem werfen gentechnisch veränderte Nutzpflanzen (der in den USA zur PLA-Herstellung angebaute Mais ist in der Regel gentechnisch verändert) immer wieder heftige Diskussionen auf.

Sozialverträglichkeit

Werden die Rohstoffe für die PLA-Herstellung unter “fairen” Bedingungen angebaut und verarbeitet? Wie bei allen Ackerbau- und anderen Produkten ist hier oft massgeblich, in welchen Ländern mit welcher Gesetzgebung die Rohstoffe angebaut werden.

Umweltverträglichkeit von Zusatzstoffen

Nicht nur der Katalysator, der zur Herstellung des Polylactids erforderlich ist, bleibt ein Teil des entstehenden Kunststoffs. Auch zur Vermeidung von unerwünschten Quervernetzungen, zur Erhöhung der Biegsamkeit (reines PLA ist relativ spröde) und der Wärmebeständigkeit werden Zusätze verwendet, deren Auswirkungen auf die Umwelt in die Bewertung des fertigen Kunststoffprodukts mit einfliessen. Denn wieviel nützt ein vollständig kompostierbares Polymer, wenn der Hitzeschutz-Stoff darin am Ende übrig bleibt und auch noch Schwierigkeiten bereitet?

Sicherheit

Neben der Sicherheit beziehungsweise der Schonung unserer Umwelt legen wir mindestens genauso viel Wert auf unsere eigene, gesundheitliche Sicherheit. Da PLA aus Milchsäure, einem in unserem Organismus allgegenwärtigen Stoff, aufgebaut ist, gilt es als gesundheitlich unbedenklich. Aber wie sieht das mit den Zusatzstoffen aus?

Recycling/Kompostierung

PLA lässt sich industriell herstellen und vielseitig anwenden…aber wohin damit, wenn man es nicht mehr braucht? Der Kunststoff ist kompostierbar, allerdings nur in speziellen industriellen Anlagen. Die müssen zuerst gebaut und dann unterhalten werden, zumal eine gemeinsame Entsorgung mit vergleichbaren herkömmlichen Kunststoffen wie PET nicht möglich ist. Denn die von PET abweichenden Eigenschaften des Polylactids würden in auf PET ausgerichteten Maschinen zu erheblichen technischen Problemen führen (AÖL, 2014).

Ökobilanz

Anbau und Transport von Rohstoffen, Herstellung und Entsorgung von Produkten gehen mit der Entstehung von teils umweltbelastenden Abfallstoffen einher. Da Pflanzen ihre Glucose und andere Kohlenstoffverbindungen letztlich mittels Fotosynthese aus Kohlendioxid () gewinnen, welches sie der Atmosphäre entnehmen, kann bei der Entsorgung (Kompostierung, Verbrennung,…) von Pflanzen und reinen Pflanzenprodukten nicht mehr  entstehen, als sie zuvor aufgenommen haben.

Das deutsche Bundesumweltamt äussert in einer Broschüre aus dem Jahr 2009, dass durch die Nutzung von Biokunststoffen wie PLA anstelle von herkömmlichen Kunststoffen, die aus Erdöl hergestellt werden, fossile Rohstoffvorkommen geschont werden, da diese durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden. Darüber hinaus kann der -Ausstoss dank der oben beschriebenen -Bilanz verringert werden.

Die Gesamt-Umweltbelastung, die die Nutzung von PLA-Bechern wie unseren im Botanischen Garten mit sich bringt, entspreche jedoch jener, die PET-Becher mit sich bringen. Das bedeutet, Mehrweg-Becher seien in ökologischer Hinsicht auch kompostierbaren Kunststoffen deutlich überlegen.

Fazit

Polylactid, kurz PLA, zählt zu den Biokunststoffen und ist – unter industriell herstellbaren speziellen Bedingungen – biologisch abbaubar. Da PLA aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, trägt seine Verwendung zur Schonung begrenzter fossiler Rohstoffe wie Erdöl bei und mindert den -Ausstoss.

Allerdings sind PLA laut dem Bundesumweltamt ganzheitlich (also unter Berücksichtigung aller genannter Faktoren) betrachtet (noch) nicht umweltfreundlicher als der gängige Kunststoff PET. Ein System mit Mehrweg-Getränkebehältern ist also immer noch um Längen schonender.

In einem Betrieb wie dem Botanischen Garten Denver, der seinen PLA-Abfall zentral sammelt und kompostiert oder recycelt, finde ich diesen und andere Biokunststoffe nichts desto trotz spannend. Zumal gerade ein Gartenbetrieb den anfallenden Kompost wiederum weiterverwenden kann. Und wenn die Forschung bezüglich der Vergärung von Pflanzenabfällen zu Ergebnissen führt, tut sich hier womöglich ein attraktiver Ersatz für unsere Kunststoffe aus Erdöl auf. Die Zukunft wird es zeigen.

Und wo hattet ihr schonmal mit kompostierbaren oder anderen Biokunststoffen zu tun?

Der Blogtour Fahrplan

07.09. pyramideneulehttp://welt.pyramideneule.de Thema: Wildvögel füttern
08.09. Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/ Thema: Kompostierbare Kunststoffe
09.09. MrAndroid http://www.mrmrs-android.de/ Thema: Jedes Jahr ein neues da – Wieso du dein Smartphone behalten solltest
10.09. Zaxumohttp://zaxumo.blogspot.de/ Thema: Umweltfreundliche Kosmetik

12.09. Lilyanahttp://www.buecherfunke.de/ Thema: Ebooks
13.09. Lebensloungehttp://www.lebenslounge.com/ Thema: Recycling im Haushalt

 

Ozon: Ein Stoff mit zwei Gesichtern – Teil 2: Wie das Ozonloch uns das Leben rettete

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Ozon als LEbensretter

Das vielseitige Gas Ozon ist ebenso begehrt wie es ungeliebt ist. Im ersten Teil dieses Artikels erfährst du, was Ozon eigentlich ist und warum es in unserer Atemluft in grösseren Mengen nichts zu suchen hat. Dieser Teil beschäftigt sich mit Ozon, ohne welches wir nicht leben könnten und mit den Möglichkeiten dieses Gases uns zu heilen.

Wann und wo ist Ozon für uns lebenswichtig?

Im Jahre 1985 versetzte die Entdeckung eines wachsenden Ozonlochs über der Antarktis, der südlichsten Region der Erde, die Menschheit in Aufruhr. Denn schon damals wusste man, dass Ozon in der Stratosphäre für uns lebenswichtig ist, und Wissenschaftler (z.B. Crutzen und Molina&Rowland) hatten bereits seit 15 Jahren eine Ausdünnung der Ozonschicht aufgrund von menschlichen “Hinterlassenschaften” vorausgesagt. Mit einem Loch hatte hingegen niemand gerechnet. Aber wie kann eine Luftschicht, noch dazu in einer mittleren Schicht der Atmosphäre, ein Loch haben?

Für die Antwort müssen wir uns in grosse Höhe begeben: In der etwa 500km dicken Erdatmosphäre nimmt die Stratosphäre den Bereich von etwa 15 bis 50 Kilometern Höhe ein. Direkt darunter liegt die Troposphäre, jene Luftschicht, die wir atmen. Beide Schichten sind aus physikalischen Gründen relativ scharf voneinander getrennt, d.h. Inhaltsstoffe einer Schicht können nur unter erschwerten Bedingungen in die andere Schicht gelangen.

Die Schichten oberhalb der Stratosphäre sind so dünn, dass energiereiche UV-C-Strahlung (etwas über UV-Strahlung und ihre Einteilung findest du in diesem Artikel) hindurchdringt und in der Stratosphäre Ozon erzeugt. UV-C-Strahlung kann nämlich Sauerstoff-Moleküle spalten:

Aus dem ersten Teil weisst du ja bereits, dass Sauerstoff-Atome nicht lange allein bleiben, sondern sich schnellstens etwas zum Reagieren suchen:

Genauso kann Ozon durch UV-B-Strahlung, die in der Stratosphäre auch reichlich vorhanden ist, gespalten werden:

Die Energie der UV-Strahlung wird dabei teilweise für die Umgruppierung der Atome verwendet, teilweise durch Anschubsen eines beliebigen dritten Moleküls als Wärme weitergegeben. So führt allein das Vorhandensein von Sauerstoff () zum Spalten in der Stratosphäre dazu, dass die UV-C-Strahlung die Erdoberfläche gar nicht erreicht, während das Ozon den entscheidenden Teil der UV-B-Strahlung aufhält. Nur deshalb können wir uns an der Erdoberfläche bewegen, ohne innerhalb kürzester Zeit einen Sonnenbrand zu bekommen oder schlimmere Hautschäden zu erleiden.

Zwischen der Entstehung und dem Abbau von Ozon stellt sich bei UV-Lichteinfall ein Gleichgewicht ein. In der mittleren Stratosphäre gibt es noch genug UV-C-Strahlung, die Ozon entstehen lässt, während ein Teil der UV-B-Strahlung bereits vom Ozon darüber aufgehalten worden ist. So liegt hier das Gleichgewicht am weitesten auf der Seite des Ozons: Die Ozon-Konzentration ist in der mittleren Stratosphäre am höchsten.

Können wir die Ozonschicht in der Stratosphäre direkt wahrnehmen?

Manchmal können wir das Ozon in der Stratosphäre sogar sehen. Bei Tag ist der klare Himmel blau, weil das einfallende Sonnenlicht vom Luftsauerstoff  so gestreut wird, dass hauptsächlich blaues Licht bei uns ankommt. Morgens vor Sonnenaufgang und abends nach Sonnenuntergang, wenn kein direkt einfallendes Licht mehr gestreut wird, zeigt sich, dass Ozon auch sichtbares Licht, vornehmlich im gelben, orangen und roten Bereich, absorbiert. Das blaue Licht bleibt übrig und beschert uns regelmässig im ersten und letzten Licht des Tages eine “blaue Stunde”.

Neben zahlreichen Poeten hat sich der Geophysiker Edward O. Hulburt, der diesen Zusammenhang 1952 erstmals erkannte, voll Staunen geäussert:

„Der nichtsahnende Beobachter, der während des Sonnenuntergangs auf dem Rücken liegend in den klaren Himmel schaut, sieht nur, dass der Himmel über ihm, der vor dem Sonnenuntergang blau war, dasselbe leuchtende Blau beibehält, während die Sonne untergeht und es anschließend während der Dämmerung immer dunkler wird. Er ist sich nicht bewusst, dass die Natur, um dieses anscheinend so selbstverständliche und naheliegende Ergebnis zu produzieren, recht großzügig ganz tief in die optische Trickkiste gegriffen hat.“

 

Warum hat die Ozonschicht ein Loch?

Sauerstoff gibt es in der Stratosphäre stets genug, sodass wir uns hier unten in der Troposphäre wegen UV-C-Strahlung keine Sorgen machen müssen. UV-B-Strahlung wird hingegen nur absorbiert, wenn es auch Ozon hat! Deshalb wird die Dicke – oder besser Dichte – der Ozonschicht in der Stratosphäre seit einigen Jahrzehnten vermessen und genau überwacht.

Die Dicke der Ozonschicht wird in Dobson-Units (DU) gemessen, einer Einheit, die nach Gordon Dobson, dem Erfinder des zur Messung der Schichtdicke verwendeten Spektralphotometers, benannt ist. 100 DU entsprechen dabei einer 1 mm dicken Schicht aus reinem Ozon auf Meereshöhe, die sich in Wirklichkeit aber auf die ganze Stratosphäre verteilt [1]. Das “Loch” in der Ozonschicht ist somit auch kein Loch im eigentlichen Sinne, sondern vielmehr ein Bereich, in dem weniger Ozon in der ganzen Stratosphäre zu finden ist. Die durchschnittliche “gesunde” Ozonschicht der Erde hat übrigens eine Dichte in der Grössenordnung von 300 – 500 DU.

Die Ozonschicht ist aber weder gleichmässig noch gleichbleibend dick.
Da Ozon erst durch (UV-)Licht entsteht, ist die Ozonschicht immer da, wo die Sonne ist. Und die scheint am intensivsten am Äquator, sodass dort am meisten Ozon gebildet wird. Von da aus wird das Ozon in Richtung der Pole verteilt: Im Frühling auf der Nordhalbkugel vornehmlich in Richtung Nordpol, im Herbst der Nordhalbkugel, wenn auf der Südhalbkugel Frühling herrscht, dem Licht folgend in Richtung Südpol. So ist absehbar, dass die Ozonschicht nahe der Pole schon von Natur aus dünner ist als über dem Äquator.

Was die Antarktis anfällig für ein Ozonloch macht
Am Südpol bildet sich zudem im Polarwinter ein wirklich sehr kalter Luftwirbel. Dieser Polarwirbel kreist über der Antarktis weitgehend ungestört vor sich hin, sodass seine Temperatur ohne Zustrom wärmerer Luft von aussen auf bis zu -80°C sinken kann. Am Nordpol gibt es einen ähnlichen Wirbel, doch da es rund um die Arktis viele Berge gibt, die die Luftströmung aufmischen und so den Zustrom wärmerer Luft ermöglichen, wird dieser längst nicht so kalt.

Bei den extrem niedrigen Temperaturen im Süd-Polarwirbel können in der Stratosphäre Salpetersäure () und Wasser zu Eiswolken gefrieren (normalerweise ist die Stratosphäre zu trocken für die Entstehung von Wolken). An diesen Wolken sammeln sich Stickstoff- und Chlorverbindungen wie Chlornitrat () und hypochlorige Säure () an. Stickstoff- und Chlorverbindungen, aus welchen diese Stoffe entstehen können, werden in der Natur von aktiven Vulkanen oder Pflanzen freigesetzt (aber das ist eine andere Geschichte). In den Stratosphärenwolken können Chlornitrat und hypochlorige Säure den langen, lichtlosen Polarwinter ohne Reaktion überdauern.

Erst wenn im Süd-Frühling die Sonne aufgeht (und dann geht sie für Monate nicht mehr unter!) und UV-Licht auf die Wolken fällt, werden die darin gelagerten Stoffe schnell gespalten:

Teilchen wie das  nennt man Radikale, und das völlig zu Recht. Der Punkt in der Formel bedeutet ein einsames Elektron in der Elektronenhülle des Teilchens. Und da die Elektronen eines Atoms oder Moleküls sehr viel lieber zweisam sind, sucht sich das Teilchen mit radikalem Eifer etwas zum Reagieren, um ein weiteres Elektron zu erhalten. Und dabei lassen sie nicht selten andere Radikale zurück:

Richtig: Atomarer Sauerstoff ist auch ein Radikal, das z.B. durch Abspaltung von einem -Molekül durch UV-Strahlung (s. Teil 1 dieses Artikels) entsteht.

Die so entstehenden Chlor-Radikale greifen wiederum Ozon an:

Es entsteht ein neues -Radikal, welches wiederum zu einem Chlor-Radikal reagieren und ein neues Ozon-Molekül angreifen kann! Chlor-Radikale reagieren also nicht nur leicht mit Ozon. Zudem können wenige Chlor-Radikale, die immer wieder in den Reaktionen Verwendung finden, viele Ozon-Moleküle abbauen. Chlor-Radikale wirken als Katalysator auf den Ozonabbau!

Die extreme Kälte des Polarwirbels im Polarwinter fördert also die Anreicherung von Stoffen in der Stratosphäre, die bei Einwirkung von Sonnenlicht Radikale bilden, welche als Katalysator auf den Abbau von Ozon wirken. Deshalb ist die Ozonschicht über der Antarktis im Süd-Frühling schon seit Beginn der Messungen etwas dünner als anderswo.

Wie haben wir uns daraus ein Problem geschaffen?

Ab den 1930er Jahren wurden sogenannte FCKW technisch hergestellt und vermehrt als Kältemittel in Kühlschränken und als Treibgas für Sprühdosen eingesetzt. FluorChlorKohlenWasserstoffe, bzw. nach den Spielregeln der Chemiker, die ihre Stoffe in alphabetischer Reihenfolge benennen, CFKW, sind Kohlenwasserstoffe, bei denen einige oder alle Wasserstoff-Atome durch Fluor- bzw. Chloratome ersetzt sind. Solche Verbindungen sind unter normalen Umständen reaktionsträge, weshalb sie damals als ungefährlich galten. Daran, dass solch unreaktive Moleküle in der Luft auch nicht abgebaut werden können und so lange erhalten bleiben, bis sie den beschwerlichen Weg in die Stratosphäre meistern, hat damals noch niemand gedacht.

So geraten die FCKW in der Stratosphäre an UV-C-Strahlung, die selbst Moleküle spaltet, die sonst nicht reagieren, wie zum Beispiel:

Es entstehen also reichlich zusätzliche Cl•-Radikale, die den Ozonabbau beschleunigen. Und so weit gingen die Voraussagen der Wissenschaftler schon in den 1970er Jahren. Nur hat damals niemand darauf gehört. Erst als 1985 bekannt wurde, dass die minimale Dicke der Ozonschicht über der Antarktis, die jeden Süd-Frühling durchlaufen wird, innerhalb von drei Jahrzehnten von rund 300 DU auf unter 100 DU abgesunken war, war das Erschrecken gross. Denn mit einem so schnellen Abbau hatten nicht einmal die Wissenschaftler gerechnet.

So hat die Weltpolitik für einmal phänomenal schnell reagiert und schon 1987 die Verwendung von FCKW mit der Unterzeichnung des Montrealer Protokolls eingeschränkt und in der Londoner Konferenz 1990 bis zum Jahr 2000 ganz verboten. In Folge dessen wird das Ozonloch wieder kleiner – Simulationen sagen voraus, dass die Ozonschicht sich wieder ganz erholen wird, wenn wir uns weiterhin beflissen an die genannten Protokolle halten.

Das Ozon-Loch 1979 bis 2011

Das Ozonloch im Laufe der letzten Jahrzehnte: vor seiner “Entdeckung” (peinlich für die NASA: sie hatten es bereits registriert und bis 1985 für fehlerhafte Messwerte gehalten), zum Zeitpunkt des Montrealer Protokolls, bei seiner maximalen Ausdehnung 2006 und sichtlich kleiner im Jahre 2011 (Bildquelle: NASA)

Damit hat das Schreckgespenst Ozonloch, das erst durch das Zusammenwirken des kalten Polarwirbels mit den von Menschenhand freigesetzten FCKW entstanden ist, uns vor dem eigentlichen Problem bewahrt: Dem weltweiten und längerfristigen Abbau der Ozonschicht durch solche Stoffe.

Gibt es weitere Gefahren für die Ozonschicht?
Nun rückt allerdings eine zweite Einflussmöglichkeit auf die Ozonschicht zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit, nämlich die Freisetzung von Lachgas (). Lachgas entsteht in grösseren Mengen beim Einsatz von stickstoffhaltigen Düngern oder als Abgas von Kraftfahrzeugen und Kraftwerken. Es kann mit atomarem Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid reagieren, welches sich dann am Ozonabbau beteiligen kann:

Im Vergleich zur Wirkung der FCKW ist die ozonabbauende Wirkung von Lachgas aber verschwindend (man erwartet einen Ausdünnung der Ozonschicht von 2,6DU bis Ende des Jahrhunderts durch Lachgas). Viel bedeutender ist, dass Lachgas ein hochwirksames Treibhausgas ist…aber das ist eine andere Geschichte.

Was Ozon noch kann

Ozon in unmittelbarer Nähe ist nicht nur für uns giftig (siehe Teil 1 dieses Artikels), sondern es tötet auch Keime, wirkt entzündungshemmend und sogar durchblutungsfördernd. So findet es vielfältigen Einsatz in der Medizin. Zahnärzte nutzen Ozon zur Karies-Frühbehandlung oder zum Desinfizieren ausgeräumter Wurzelkanäle sowie – in Wasser gelöst – als desinfizierende Mundspülung. In der Komplementärmedizin werden Wunden und andere Hautschäden zur Desinfektion mit Ozon “begast” (in einem Beutel oder unter einer Glocke, damit das Gas dort bleibt, wo es hin soll und nicht eingeatmet wird).

Ausserdem wird Ozon im eigenen, zuvor entnommenen Blut des Patienten gelöst sogar als Infusion gegeben oder gespritzt um Durchblutungsstörungen und ihre Folgen zu behandeln. Allerdings haben auch andere Gase ebenso durchblutungsfördernde Wirkung. Weitere heilsame Wirkungen des Ozons gelten zudem als nicht wissenschaftlich belegt.

Zu guter Letzt findet Ozon oft als Ersatz für das giftigere Chlor-Gas () Verwendung. “Chlorfrei gebleichte” oder anderweitig “chlorfrei” behandelte Produkte, von Papier bis hin zu keimfrei aufbereitetem Trinkwasser sind meist mit Ozon behandelt – denn Chlor wirkt ähnlich wie Ozon oxidierend. Aber das ist eine andere Geschichte.

Fazit: Ozon ist ein Gas mit vielen Gesichtern

Ozon in der Stratosphäre bewahrt uns vor Schaden durch UV-Strahlung, während Ozon in unserer direkten Umgebung giftig für viele Lebewesen ist. Während wir unsere Ozonschicht hüten und mit dem vielgesichtigen Gas gezielt Keime töten, haben wir viel daran zu tun, unsere Atemluft möglichst frei von überschüssigem Ozon zu halten.

Und wo ist dir zuletzt Ozon begegnet?

[1] S.Brönnimann (2002): Ozon in der Atmosphäre. Verlag Paul Haupt, Bern, Stuttgart, Wien.

Ozon : Ein Stoff mit zwei Gesichtern – Teil 1: Luftschadstoff und Sommersmog

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Ozon im Smog: Vom Sauerstoff zum Luftschadstoff

Was ist Ozon? Wie entsteht schädliches Ozon? Wann kann Ozon uns schaden? Wann (und wo) ist Ozon für uns lebenswichtig? Und wann ist Ozon ein Heilmittel?

Von Ozon hat sicher jeder schon gehört, und es wurden haufenweise Bücher darüber geschrieben. Warum also über Ozon schreiben? Während der Recherche für diesen Artikel bin ich in der Zentralbibliothek in Zürich gewesen und habe festgestellt, dass der Recherchecomputer mich auf der Suche nach Ozon fast immer ins Magazin mit den Erscheinungen vor 2010 hinunter schickt. Ist das Thema demnach in den letzten Jahren tatsächlich ins Abseits unseres Gedächtnisse geraten? Dabei sind gerade heute die unangenehmen Auswirkungen von Ozon in unserer Atemluft wieder einmal spürbar.

So dreht sich der erste Teil dieses Doppel-Artikels um Ozon als Luftschadstoff, während der zweite Teil dir die nützlichen und sogar für uns lebenswichtigen Eigenschaften dieses Stoffs mit zwei Gesichtern näherbringen soll.

An einem heissen Tag im Juli…

Es ist der 2.7.2015, die Sonne strahlt ungetrübt auf Mitteleuropa hinab. Heute ist ein Werktag. Die Städte sind belebt, es wird gearbeitet, die Strassen sind voller Autos. Und die Tageshöchsttemperaturen reichen in der Region Zürich bis 34°C. Ich habe das Glück in einem Dorf am Zürichsee zu sitzen und mir die Live-Messdaten für Schadstoffe in der Luft in Zürich und vielen Städten Deutschlands im Netz ansehen zu können. Da muss ich mir wegen dem, was ich da sehe, eigentlich weniger Gedanken machen. Die Leute, die in der Stadt unterwegs sind, aber schon.

In Zürich werden heute um die Mittagszeit Stundenmittelwerte von bis zu 174 μg Ozon pro m³ gemessen. In vielen Städten in West- und Südwestdeutschland sind gestern bereits Spitzenwerte um die 200 μg Ozon pro m³ gemessen worden. In Baden-Baden ganz im Süden Baden-Württembergs ist bei über 240 μg Ozon pro m³ sogar Ozon-Alarm ausgelöst worden!

Wer sich bei solchen Konzentrationen draussen bewegt, kann mit Kratzen und Brennen im Hals, Kopfschmerzen und Augenbrennen zu tun bekommen. Diese Symptome haben nicht unbedingt mit einer Sommergrippe zu tun, sondern mit einer Anreicherung des Gases Ozon in der Luft. Denn wir sind für Ozon-Konzentrationen von nur 40 – 80 μg Ozon pro m³ geschaffen…. Aber von Anfang an:

Was ist Ozon?

Ozon ist eine besondere Form (Chemiker sagen “Allotrop” dazu) des Elements Sauerstoff. Während die üblichen Sauerstoff-Moleküle (), die wir atmen, aus je zwei Sauerstoff-Atomen bestehen, besteht ein Ozon-Molekül aus drei Sauerstoffatomen (). Deshalb wird Ozon manchmal auch “Trisauerstoff” genannt.

Sauerstoff_vs_Ozon


Die Strukturformeln von Luftsauerstoff (links) und Ozon (rechts).
Die wahre Struktur des Ozon-Moleküls liegt in der Mitte zwischen den beiden gezeigten Formeln, d.h. beide Bindungen sehen gleich aus und das Molekül ist symmetrisch! Da man in der Formelsprache aber keine 1,5-fach-Bindungen zeichnen kann, geben die Chemiker solche mesomeren Grenzformeln an und meinen “die Wahrheit ist in der Mitte”.
Das Ozon-Molekül ist zudem elektrisch ungeladen. Die gezeigten Formalladungen ergeben sich aus den chemischen Spielregeln für die Verteilung der Elektronenpaare (Striche) auf die Atome und ergeben beim Ozon in der Summe eine Ladung von Null.
Allerdings deutet das Vorhandensein von Formalladungen in der Strukturformel schon darauf hin, dass wir es mit einem reaktionsfreudigen Molekül zu tun haben.

 

Ozon ist, ähnlich wie der Atem-Sauerstoff, ein farbloses bis bläuliches Gas. Dass Ozon nicht zum Atmen taugt, merkt man bei grösseren Mengen allerdings schnell, denn es hat einen unangenehm stechenden, chlorähnlichen Geruch, wie du ihn vielleicht von älteren Fotokopierern oder Laserdruckern kennst. Dieser Geruch kommt nicht von ungefähr, denn Ozon wirkt stark oxidierend und ist dabei alles andere als wählerisch: Es geht mit vielen Stoffen Redox-Reaktionen ein – auch mit den Bestandteilen von Menschen bzw. ihrer Atemwege. Deshalb wird Ozon von den Gefahrstoffexperten als sehr giftig gekennzeichnet.

Nichts desto trotz ist Ozon ein natürlicher Bestandteil unserer Atemluft. Allerdings kommen in der Troposphäre, genauer der planetaren Grenzschicht, dem untersten Teil der Atmosphäre, den wir atmen, in der Natur nur 40 – 80 μg Ozon pro m³ Luft vor. Das entspricht an einem angenehm warmen Tag 40 bis 80 Millionstel Gramm in rund 1,2 Kilogramm Luft!

An diese kleinen Mengen haben sich unsere Körper im Lauf der Jahrhunderttausende langen Geschichte unserer Entwicklung angepasst. Steigt die Ozon-Konzentration jedoch in kurzer Zeit auf über etwa 100 bis 120 μg/m³, wird es unangenehm, und ab etwa 180 bis 200 µg/m³ über mehrere Stunden zunehmend gesundheitsschädlich. Deshalb können wir Ozon in der Atemluft gar nicht brauchen. Deshalb hat die Schweizer Regierung bestimmt, dass die Ozon-Konzentration in der Atemluft nicht über 120 µg/m³ liegen darf. In den EU-Staaten sind sogar nur 110 µg/m³ erlaubt. Und trotzdem werden diese Grenzwerte immer noch sehr oft überschritten.

Wie entsteht Ozon in der Troposphäre?

Wie es dazu kommt, dass sich Ozon in unserer Atemluft ansammelt? Das haben wir uns selbst zuzuschreiben. Zumindest dann, wenn wir mit einem Auto oder anderen Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor durch die Gegend fahren (oder fliegen), oder unseren Strom mit einem Dieselaggregat herstellen. Denn damit diese Motoren laufen und etwas antreiben können, muss es in ihnen so heiss werden, dass neben dem Treibstoff auch der Stickstoff aus der Luft (und die besteht zu 70% aus Stickstoff!) verbrannt wird. Dabei entsteht aus Stickstoff, der mit Sauerstoff reagiert, das Gas Stickstoffmonoxid ():

Normalerweise ist Stickstoff sehr reaktionsträge, d.h. er reagiert freiwillig gar nicht gerne und brennt deshalb auch nur, wenn man ihm ordentlich einheizt. (Wer sich bereits am Flughafen mit Le Châtelier unterhalten hat, dem kommt das vielleicht bekannt vor: Ja, die Reaktion ist Teil eines Gleichgewichts, das im Kolben eines Motors durch einen Zwang, die hohe Temperatur, auf die rechte Seite verschoben wird!) Entsteht dabei erst einmal Stickstoffmonoxid, dann reagiert dieses Gas auf dem Weg durch den Auspuff nach draussen mit mehr Sauerstoff schnell zu Stickstoffdioxid () weiter.

Das Gas Stickstoffdioxid ist nicht nur seinerseits sehr giftig (das ist eine andere Geschichte…), seine Moleküle sind auch empfindlich gegen Sonnenlicht. So kann ein -Molekül, das von Licht getroffen wird, auseinander fallen:

Wer im Chemie-Unterricht aufgepasst oder sonst Ahnung von Chemie hat, mag jetzt protestieren: Sauerstoff-Atome kommen doch nicht einzeln vor! Deshalb sucht sich dieses Sauerstoff-Atom auch schleunigst ein neues Molekül, mit dem es reagieren kann. Und da Luft zu 78% aus reaktionsträgem Stickstoff und zu gut 20 Prozent aus molekularem Sauerstoff () besteht, ist dieses neue Molekül in der Regel Sauerstoff:

Dies ist der einzige, aber reichlich begangene Weg, auf dem in unserer Atemluft Ozon entsteht. Deshalb steigt die Ozon-Konzentration im Laufe des Vormittags, nachdem sich zahllose Auto- und Lastwagenfahrer auf den Weg zur Arbeit gemacht und reichlich Stickstoffdioxid hinterlassen haben, an sonnigen Tagen schnell an. Und diese Ozon-Ansammlung bleibt uns erhalten, bis die Sonnenstrahlung nachlässt und die Motoren im Feierabendverkehr reichlich neues Stickstoffmonoxid erzeugen, welches statt mit Sauerstoff auch mit dem reaktionsfreudigeren Ozon reagieren kann:

Stickstoffoxide aus Autoabgasen führen zur Entstehung von Ozon


Stickstoffoxide aus Autoabgasen führen zur Entstehung von Ozon:
(1) Kraftfahrzeuge stossen Stickstoffmonoxid aus. Im Berufsverkehr am Morgen und am Abend entsteht besonders viel Stickstoffmonoxid.
(2) Stickstoffmonoxid wird vom Luftsauerstoff oxidiert: Es entsteht Stickstoffdioxid.
(3) Wenn es warm ist, spalten Sonnenstrahlen ein Sauerstoffatom aus dem Stickstoffdioxid ab.
(4) Das Sauerstoffatom reagiert mit Luftsauerstoff zu Ozon.
(5) Wenn Ozon auf Stickstoffmonoxid trifft, reagieren sie miteinander: Es entstehen Sauerstoff und Stickstoffdioxid.

 

Wie du dich vor Ozonbelastung schützen und die Ozonentstehung verhindern kannst

Deshalb empfehlen Umweltbehörden, wie z.B. das Gesundheits- und Umweltdepartement der Stadt Zürich, an Ozon-reichen Tagen erst am späten Nachmittag und Abend Sport zu treiben. Wer darüber hinaus der Ozonbelastung entkommen möchte, sollte sich z.B. im Wald aufhalten: Dort sind meistens wenig bis keine Autos und es ist schattig.

Richtig problematisch wird das Ozon in der Atemluft allerdings, wenn zu allen genannten Umständen eine Inversionswetterlage kommt: Dann liegt eine wärmere Luftschicht über der Schicht, die wir atmen, und hält diese förmlich in Bodennähe fest. Die in den Städten entstehenden Luftschadstoffe – auch das Ozon – können sich nun nicht einmal mehr nach oben hin verteilen. Dieses so angestaute, dunstig-giftige Luftgemisch wird als Sommersmog bezeichnet. Der Begriff kommt aus den USA und setzt sich aus den englischen Wörtern “smoke” (Rauch) und “fog” (Nebel) zusammen. In den 1940er-Jahren, als man noch kaum etwas über Ozon wusste, mussten die Bewohner von Los Angeles als erste dieses Phänomen erleben: Der höchste damals dort gemessene Spitzenwert betrug sage und schreibe 1160 μg Ozon pro m³ !

Um solche gemeingefährlichen Ozon-Konzentrationen erst gar nicht mehr entstehen zu lassen, stattet man heute die Autos mit einem 3-Wege- oder einem Denox-Katalysator aus. In so einem Gerät laufen Reaktionen ab, welche einen grossen Teil der Stickstoffoxide aus dem Abgas entfernen, bevor es nach draussen gelangt und zur Ozonentstehung führen kann (Aber das ist eine andere Geschichte….).

Da jedoch auch solche Katalysatoren niemals perfekt arbeiten, kannst du selbst den wirksamsten Beitrag zur Verminderung der Ozon-Konzentration leisten: Fahre -besonders an warmen Sommertagen- nur wenn unbedingt nötig Auto. Mit den öffentlichen Verkehrsmitteln kommt man im Stadtverkehr ohnehin meist viel entspannter durch.

Warum wir trotz allem nicht ohne Ozon leben können

Wie Ozon in die Stratosphäre kommt und uns vor gefährlicher UV-Strahlung schützt, was das Ozonloch ist, und in welcher Weise Ozon heilsam sein kann, erfährst du im zweiten Teil dieses Doppel-Artikels!

Und was tust du bei oder gegen Ozon-Belastung?

(Titelbild: Bearbeitung von Creator:Fidel Gonzalez (Eigenes Werk) [CC BY-SA 3.0 oder GFDL], via Wikimedia Commons)