Alles wird vergänglicher … (1)

Das ist so ganz kurz zusammengefasst die Entwicklung von Technologien welche die Menschheit entwickelt. Sie mögen das Leben vereinfachen, leistungsfähiger oder einfach besser sein, aber sie werden immer weniger nachhaltig, um ein Buzz-Wort der heutigen Zeit zu benutzen. Kurz: was wir erfinden hält immer weniger lang.

Materialien: Waffen und Werkzeuge

Fangen wir man mit den Materialien an die wir einsetzen. Das älteste Material ist Stein, genauer gesagt ein besonderes Mineral: Obsidian. Jedes Gestein zersplittert, wenn man nur stark genug draufhaut, ich habe das als Kind selbst mit grobem Schotter, den mein Vater im Bauhof hatte, ausprobiert. Dabei bekommt man auch sehr scharfe Kanten. Obsidian ist von der Struktur her ein Glas, eine unterkühlte Schmelze. Er splittert relativ leicht und gut berechenbar ab. Die ältesten Steinwerkzeuge, die bewusst behauen wurden, also wo nicht nur eine scharfe Kante genutzt wurde, sondern das Werkzeug bewusst in eine gewisse Form – die des Faustkeils gebracht wurden, sind bis zu 1 Million Jahre ab.

Sie haben sich bis heute erhalten und viele sind auch noch nach so langer Zeit scharf. Als Gestein, wird Obsidian nur durch die Erosion zerstört und die geschieht langsam, wenn er nicht gerade exponiert ist also z.b. in einem Wildwasserbett landet.

Das nächste Material, das eingesetzt wurde, war Kupfer. Kupfer ist ein Metall, das in der Spannungsreihe relativ weit oben steht. Für den Chemiker sagt die Position etwas aus wie „edel“ ein Metall ist, das heißt wie leicht es durch den allgegenwärtigen Luftsauerstoff oxidiert wird. Kupfer kommt so auch elementar vor, was unter den Metallen eine Ausnahme ist. Zuerst wurde Kupfer, das man elementar fand, wohl gesammelt und mit mechanischem Druck verformt und zu einer homogenen Masse gepresst, später fand man heraus, das man Kupfer aus dem Erz heraus schmelzen kann, wenn man bestimmte Kupferverbindungen hoch erhitzt, „röstet“.

Aus Kupfer wurden dann Werkzeuge hergestellt, die man gießen konnte und so in jede beliebige Form bringen konnte, doch das Metall ist weich und so musste man Werkzeuge dauernd nachschärfen. Beim Bau der Pyramiden, wo Kupfermeisel zum Herausmeiseln der Steinblöcke aus dem Steinbruch genutzt wurden, waren etliche Arbeiter nur mit dem Nachschärfen der Kupfermeisel beschäftigt.

Kupfer ist aber relativ beständig. Als Halbedelmetall reagiert es zwar mit Sauerstoff, aber nur an der Oberfläche. Es bildet sich ein dünner Überzug aus Kupferoxid (braun) oder mit Wasser und Sauerstoff Kupferhydroxid (grün, daher oft auch Grünspan genannt) an der Oberfläche, doch das Metall darunter wird nicht angegriffen. So ist vieles, was der Mensch aus Kupfer herstellte bis heute erhalten, wenn auch andere Grabbeigaben vergangen sind.

Der erste künstliche Werkstoff, den der Mensch herstellte, ist Bronze, eine Legierung aus Zinn und Kupfer. Die ersten Bronzen entstanden natürlich durch Kupfer-Zinn und Kupfer-Zink Mischminerale, die verhüttet wurden. Später wurden Zinn und Kupfererze separat abgebaut und zur Bronzegewinnung genutzt. Zinn ist kein so edles Metall wie Kupfer, aber eine Kupfer-Zinn-Legierung kann – je nach Zinnanteile härter als reines Kupfer sein und vor allem sinkt der Schmelzpunkt ab, sodass die Herstellung sich vereinfacht, weil man keine so hohen Temperaturen erreichen muss.

Trotzdem sind Bronzen relativ beständig. Wie Kupfer oxidieren sie nur an der Oberfläche, allerdings wird im Läufe der Zeit das unedlere Zinn herausgelöst wodurch die Oberfläche porös wird und so weiterem angriff ausgesetzt ist.

Mit dem Eisen begann eine neue Ära, die nicht nur deswegen „Eisenzeit“ benannt wurde, sondern in der Metalle auch viel erschwinglicher wurden. Der Grund ist relativ einfach: Kupfer und Zinn (es wurden auch andere Metalle für Bronzen verwendet, aber Zinn ist oft der dominierende Legierungsbestandteil) sind relativ selten und beide Metalle (Kupfer / Zinn) gibt es nirgendwo auf der Erde gleichzeitig. Heute können Archäologen über Isotopenanalysen von Bronzen feststellen, das beide Metalle oder ihre Erze über den gesamten Mittelmeerraum gehandelt wurden. Eisen ist dagegen eines der häufigsten Elemente der Erdkruste und selbst wenn man nur förderwürdige Vorkommen nimmt, so gibt es diese häufig. Dadurch wurde das Metall viel billiger.

Eisen herzustellen ist allerdings deutlich schwerer. Denn man kann es nicht einfach wie Zinn und Kupfer aus sulfidischen Erzen durch einfaches Erhitzen gewinnen. Eisen muss aktiv mit einem Reduktionsmittel vom Sauerstoff befreit werden, das war Kohle, heute rüstet sich die Branche auf Wasserstoff um. Zudem musste man viel höhere Temperaturen erreichen. Etwa ab 1.100 v. Chr. verdrängte das Eisen die Bronze. Eisen hat viele Vorteile: Es ist leichter in Form bringbar, es ist härter und man kann seine Eigenschaften durch Schmieden oder kleine Zusätze anderer Metalle verbessern.

Aber Eisen ist ein sehr unedles Metall. Es oxidiert relativ schnell an der Luft, bildet Rost. Ist auch noch Wasser im Spiel so bilden sich Eisen-Oxid-Hydroxid-Mischoxide und diese sind wasserlöslich. Eisen zersetzt sich also innerhalb von Jahrzehnten bis Jahrhunderten im Erdboden.

Aluminium als nächstes Metall ist relativ jung. Chemisch ist es noch unbeständiger als Eisen, es steht in der Spannungsreihe weiter unten. So war auch seine Gewinnung sehr aufwendig und ist es bis heute – Aluminium ist immer noch deutlich teurer als Eisen. Napoleon der III hatte Essgeschirr aus Aluminium: es war damals teuer als Silber. Was wertvoll ist, ist das was selten ist. So fand man im Grab von Tut-Anch-Amun neben Unmengen an Gold auch einen kleinen Dolch aus Eisen – der einzige Gegenstand aus Eisen, und wie Analysen zeigten aus einem Eisenmeteoriten hergestellt.

Aluminium ist im Normalfall trotzdem relativ stabil. Das Metall wird von einer dünnen Oxidschicht bedeckt, die man elektrochemisch verstärken kann. Wird diese aber abgetragen oder schmilzt das Metall, was schon bei viel niedrigen Temperaturen als bei Eisen der Fall ist, so verbrennt Aluminium.

Wie das bei modernen Waffen aussieht, darüber muss ich euch die Antwort schuldig bleiben, das ist weniger eine Frage der Chemie als der Technologie. Aber folge ich den Medienberichten so scheint Russland damit zu kämpfen zu haben, dass sie zwar enorme Mengen von Waffen eingelagert haben, die alle vor dem Ende des Kalten Kriegs produziert werden, aber vieles davon nicht mehr funktioniert. Und hier reden wir von Jahrzehnten nicht Jahrhunderten.

Bauwerke

Die ältesten Bauwerke der Menschheit, die heute noch stehen, sind die Pyramiden und Stonehenge. Das ist kein Zufall, denn sie bestehen nur aus Steinen, ohne Bindemittel aufeinander geschichtet. Bauwerke aus Gestein sind potenziell genauso haltbar wie Gebirge. Allerdings spielt auch die Bauweise eine Rolle. Denn aus Gestein bestanden ja auch die vielen Bauwerke, die danach folgten, wie zum Beispiel die anderen sechs Weltwunder, die es heute nicht mehr gibt. Eine Pyramide ist in sich stabil, wenn der Winkel nicht zu steil ist – die Ägypter mussten den maximal möglichen Winkel auch erst bestimmen. Bei der Knickpyramide von Dashur findet man z.B. drei Bauphasen mit Winkeln von 58, 54 und 49 Grad. Nach den Erfahrungen mit dieser Pyramide blieben die Ägypter bei einem Neigungswinkel von etwa 52 Grad. Demgegenüber sind Gebäude aus Säulen oder die ein Dach einschließen viel instabiler.

Später ging man dazu über zuerst Bruchgestein mit Mörtel zu verbinden, der Mörtel ist dabei das schwache Element. Er hält nicht ewig, wobei die Haltbarkeit von der Zusammensetzung abhängig ist. Bei uns wurde vor allem Lehm verwendet, mit wenig gebranntem Kalk, der für die eigentliche Bindung verantwortlich ist. Gebäude aus dem Mittelalter wie Burgen zerfallen so von alleine innerhalb von Jahrhunderten. Der Mörtel bröckelt ab und die Steine werden nicht mehr zusammengehalten. Dagegen ist der Mörtel der Römer, Opus caementitium, relativ beständig. Römische Bauen die ihn verwendeten, sind bis heute erhalten. Der Schlüssel scheint die Verwendung von bestimmter Lava zu sein. Opus caementitium ist nach verschiedenen Tests in einigen Aspekten sogar heutigem Beton überlegen.

Später verwandte man Kunststeine, also Ziegel. Sie sind noch weniger haltbar als echtes Gestein, aber lassen sich eben in jeder Form und vor allem in Massen herstellen. Ziegel sind sehr alt, die Sumerer bauten schon um 3.000 v. Chr. mit Lehmziegeln. Gestein war im Zweistromland selten. Allerdings eben luftgetrockneten Lehmziegeln, die maximal 25 Jahre halten. Entsprechend sind ihre Bauwerke heute längste eingeebnet. Vom Marduk-Tempel in Babylon steht nur das Fundament: neben ihm wurde für die Beerdigung von Alexander dem großen ein großer Scheiterhaufen errichtet und die Hitze brannte die Ziegel. Die Bauwerke mussten damals dauernd renoviert werden.

Heute bauen wir mit mit Stahl verstärktem Beton. Stahl-Beton scheint in vielem allen natürlichen Materialien überlegen zu sein. Das liegt, daran, das die beiden Materialien Beton und Stahl unterschiedlich auf Kräfte reagieren. Stahl ist sehr beständig gegen Zug, aber verträgt nur wenig Druck, bei Beton ist es genau umgekehrt. Mit der Kombination die beide Kräfte aufnahmen kann, kann man viel höhere Bauwerke bauen, als mit allen anderen Materialien und dies noch dazu schneller. Aber auch er ist nicht so beständig. Bei uns muss man nach wenigen Jahrzehnten Brücken sanieren oder neu errichten. Der Anschlag auf das World Trade Center zeigt die Anfälligkeit von Stahl, das das tragende Gerüst bildete: er wird durch die Hitze weich und gibt nach, dann bricht als Kettenreaktion das ganze Gebäude zusammen. Ein Gebäude aus Stein, wie beim Brand der Notre Dame vor fünf Jahren macht ein Brand weniger aus. Das Dach aus einem Holzgerüst stürzte ein, aber nicht die Mauern.

So das war Teil 1, ich werde das, wenn es euch gefällt fortsetzen. Vieles ist sicher für viele von euch nicht neu, aber ich denke jeder hat dazu eine Meinung. Nachdem ihr bei meinen Chemieblogs so schweigsam ward, denke ich sollte ich wieder einen Blog schreiben zu dem jeder etwas beitragen kann.