13. Aluminium (Al) - Das Metall der Moderne

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0:23 Nun geht's los, Aluminium, Ordnungszahl, 13. Atommasse, 26,982 ein silbrig weißes Metall, leicht wie eine Feder, stark wie Stahl, in seinen Legierungen, allgegenwärtig in unserem modernen Leben und doch erst seit knapp 200 Jahren bekannt. Ein Element, das die Welt veränderte, das Flugzeuge fliegen ließ, das Stete formte, das in deiner Hand liegt, wenn du dein Smartphone hältst.

0:55 Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff und Silizium. Es macht etwa 8% der Krustensmasse aus. Trotzdem kannte die Menschheit Jahrtausendelang kein metallisches Aluminium, der Grund ist einfach, Aluminium ist so reaktiv, dass es in der Natur niemals elementar vorkommt. Es bindet sich sofort an Sauerstoff, an Silicium, an andere Elemente jeder Tonziegel, jeder Lehmklumpen, jeder Rubin und Saphir enthält Aluminium, aber niemand konnte es extrahieren.

1:37 Die Alchemisten des Mittelalters arbeiteten mit Alaun, einem Aluminiumsalz, das zum Färben und Gerben verwendet wurde. Das Wort Alaun stammt vom lateinischen alumen. Doch das Metall selbst blieb verborgen. Im 18 Jahrhundert vermuteten Chemiker, dass in Tonerde Aluminiumoxid ein unbekanntes Metall stecken müsse.

2:03 Der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Markgraf identifizierte 1754 Aluminiumoxid als eigenständige Substanz, unterschiedlich von Kalk und Magnesia. Der französische Chemiker Louis Bernard Guiton de Morvaux schlug 1782 den Namen Alumine für das vermutete Metall vor. Der britische Chemiker Sir Humphrey Davy versuchte ab 1807 vergeblich, es durch Elektrolyse zu isolieren.

2:36 Er nannte das hypothetische Element Aluminum in seiner frühen Arbeit. Änderte es später zu Aluminium, um es phonetisch an andere Elemente wie Natrium, Kalium und Magnesium anzupassen. Interessanterweise verwendet die amerikanische Chemie bis heute Aluminium, während der Rest der Welt Aluminium bevorzugt. Der dänische Physiker Hans Christian Örstet gelangen 1825 der erste Durchbruch.

3:08 Er reduzierte Wasserfreies Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam und erhielt winzige Kügelchen eines neuen Metalls. Die Menge war mikroskopisch, aber es war Aluminium. Der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler verbesserte 1827 das Verfahren, er verwendete metallisches Kalium statt Amalgam und gewann größere Mengen. Wöhler beschrieb die Eigenschaften leicht silbrig, nicht rostend er bestimmte die Dichte zu etwa 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter.

3:45 Nur ein Drittel der Dichte von Eisen. Doch die Produktion blieb extrem teuer, Kalium war kostbar, das Verfahren aufwendig, Aluminium war wertvoller als Gold Kaiser Napoleon III. Von Frankreich ließ sich angeblich Aluminiumbesteck anfertigen, das er bei besonderen Anlässen den wichtigsten Gästen vorbehielt, während gewöhnliche Gäste mit Goldbesteck vorliebnehmen mussten. Die Spitze des Washington Monument in Washington DC 1884 vollendet, besteht aus einem 2,8 Kilogramm schweren Aluminiumblock, damals das größte gegossene Aluminiumstück der Welt.

4:32 Kostbarer als die gesamte bronzene Statue, darunter die Wende, kam 1886 2 junge Männer unabhängig voneinander auf verschiedenen Kontinenten, entdeckten gleichzeitig das gleiche revolutionäre Verfahren. Charles Martin Hall in den USA war 22 Jahre alt, ein frischgebackener Absolvent des Oberlin College Pol Erulde. In Frankreich war ebenfalls 22, ein Student der Bergbauschule. Beide entwickelten die Elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid, gelöst in geschmolzenem Kryolith, einem seltenen Mineral aus Grönland.

5:16 Das Hall erult Verfahren funktioniert so, Aluminiumoxid wird in geschmolzenem Kryolith bei etwa 960 Grad Celsius aufgelöst. Elektrischer Strom fließt durch die Schmelze an der Kathode, dem negativen Pol, wird Aluminium reduziert und sammelt sich als geschmolzenes Metall am Boden an der Anode, dem positiven Pol aus Kohlenstoff, entsteht Kohlendioxid, das Verfahren ist energieintensiv, benötigt etwa 15 Kilowattstunden pro Kilogramm Aluminium, aber es funktioniert kontinuierlich und in großem Maßstab.

5:57 Hall und Erul starben beide 1914 im gleichen Alter von 51 Jahren. Ihr Verfahren wird noch heute fast unverändert weltweit angewendet, es senkte den Preis von Aluminium dramatisch, was 1886 etwa $12 pro Pfund kostete, mehr als Silber. Fiel bis 1890 auf etwa $2, bis 1900 auf 0,33€. Aluminium wurde erschwinglich gleichzeitig entwickelte der österreichische Chemiker Karl Josef Bayer 1888 ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxit, dem häufigsten aluminiumhaltigen Erz.

6:47 Barcit ist ein verwittertes Gestein, benannt nach dem Ort Le Beau in Südfrankreich, wo es 1821 entdeckt wurde. Es besteht hauptsächlich aus Aluminiumhydroxiden und Oxiden. Das Bayer aff Verfahren löst das Aluminiumhydroxid in heißer Natronlauge, trennt es von Eisenoxid und anderen Verunreinigungen und fällt es als reines Aluminiumhydroxid aus, das dann zu Aluminiumoxid kalziniert wird.

7:20 Die Kombination von Bayer und halerylt Verfahren ermöglichte die moderne Aluminiumindustrie, die Weltproduktion stieg exponentiell. Im Jahr 1900 wurden etwa 8000 Tonnen produziert, 1920 waren es 128000 Tonnen 1940 bereits 2,7 Millionen Tonnen. Heute überschreitet die jährliche Produktion 65000000 Tonnen.

7:42 Diese Zahlen erzählen die Geschichte der moderne Aluminium ermöglichte den Flugverkehr. Die Gebrüder Wright verwendeten 1903, einen Aluminiumblock für das Kurbelgehäuse ihres Motors. Im ersten motorisierten Flug. Aluminium war leicht genug, dass der Motor nicht zu schwer wurde, ohne Aluminium wären die frühen Flugzeuge nie abgehoben, im Ersten Weltkrieg wurden die ersten Ganzmetallflugzeuge aus Aluminium gebaut, doch der wahre Durchbruch. Kam in den 1920er und 1930er Jahren die deutsche Junkers F 13 1919 erstmals geflogen, war das erste Ganzmetallverkehrsflugzeug die amerikanische Douglas DC 3 erstmals 1935 geflogen, revolutionierte die kommerzielle Luftfahrt. Ihre Aluminiumkonstruktion war

8:55 leicht, stark, dauerhaft. Die DC 3 konnte 21 Passagiere befördern, hatte eine Reichweite von 2400 Kilometern, flog mit 270 Stundenkilometern über 16000 wurden gebaut, viele Fliegen noch heute, im Zweiten Weltkrieg wurden 10 tausende Kampfflugzeuge, Bomber, Transportmaschinen aus Aluminium gefertigt. Die Nachfrage trieb die Aluminiumproduktion auf Rekordniveaus.

9:29 Nach dem Krieg wurde dieses Produktionskapazität für zivile Zwecke umgewidmet. Passagierflugzeuge, die Millionen Menschen über die Ozeane trugen, bestanden aus Aluminium, die Boeing 707, die Boeing 747, der Airbus a 380. Alle nutzen Aluminiumlegierungen für Rumpf, Flügel, strukturteile. Doch Aluminium veränderte nicht nur die Luftfahrt, es veränderte die Architektur, das Empire State Building in New York, 1931 fertiggestellt, verwendete Aluminium für fassadenelemente, Fensterrahmen, Dekorationsteile, die glänzende Spitze, die nachts erleuchtet ist aus Aluminium.

10:19 Das Chrysler Building, ebenfalls in New York, hat eine ikonische Krone aus rostfreiem Stahl, aber viele Innenelemente aus Aluminium. In den 1900 50er und 1900 60er Jahren wurden Aluminiumfassaden populär, Wolkenkratzer, Einkaufszentren, Bürogebäude glänzten silbrig. Aluminium rostet nicht wie Eisen, es bildet eine schützende Oxidschicht, die weitere Korrosion verhindert.

10:51 Diese Schicht ist transparent, unsichtbar, aber stark, sie erneuert sich selbst, wenn sie beschädigt wird, Eloxieren eine elektrochemische Behandlung, verdickt diese Schicht und kann sie einfärben. Eloxiertes Aluminium ist extrem langlebig, behält seine Farbe jahrzehntelang. Die Raumfahrt wäre ohne Aluminium undenkbar.

11:17 Die Saturn 5 Rakete, die Apollo Astronauten zum Mond brachte, bestand größtenteils aus Aluminiumlegierungen, die Internationale Raumstation Is ISIS. Die mit 28000 Stundenkilometern die Erde umkreist, ist aus Aluminium und anderen Leichtmetallen gebaut. Jedes Gramm zählt beim Start in den Orbit, Aluminium bietet das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, die Automobilindustrie entdeckte Aluminium als Möglichkeit, Fahrzeuge leichter zu machen, der Audi A 8.

11:55 Seit 1994 mit Aluminium Karosserie produziert, war einer der Vorreiter. Heute verwenden fast alle Hersteller Aluminiumteile für motorblöcke, Räder, karosseriestrukturen ein leichteres Auto verbraucht weniger Kraftstoff, emittiert weniger Kohlendioxid, die Umstellung von Stahl auf Aluminium kann das Fahrzeuggewicht um 40% reduzieren.

12:23 Doch Aluminium ist mehr als nur ein Konstruktionsmaterial es ist allgegenwärtig im Alltag. Getränkedosen aus Aluminium sind das am häufigsten recycelte Verpackungsmaterial der Welt, die erste Aluminium Getränkedose wurde 1958 eingeführt, heute werden jährlich über 300 Milliarden Aluminiumdosen produziert. Eine recycelte Dose kann innerhalb von 60 Tagen als neue Dose wieder im Regal stehen.

12:57 Das Recycling von Aluminium spart 95% der Energie, die für die Primärproduktion benötigt wird, Aluminiumoxid aus Bauxit zu reduzieren, kostet etwa 15 Kilowattstunden pro Kilogramm Aluminium Einzuschmelzen kostet nur etwa 0,7 Kilowattstunden. Diese Energieersparnis ist enorm, etwa 75% des jemals produzierten Aluminiums sind heute noch in Verwendung, wurden mehrfach recycelt, Aluminium hat 13, Protonen, 14, Neutronen, im häufigsten Isotop und 13 Elektronen, die Elektronenkonfiguration ist 283 mit 3 Elektronen in der äußersten Schale. Diese 3 Elektronen gibt Aluminium leicht ab, um ein dreifach positiv geladenes Ion Al 3 plus zu bilden. In Aluminiumoxid al 2 o 3 sind aluminiumionen in einem Kristallgitter mit

14:04 Sauerstoffionen gebunden. Diese Bindung ist so stark, dass Aluminiumoxid einen Schmelzpunkt von 2077 Grad Celsius hat. Einer der höchsten unteroxidischen Verbindungen korund, die kristalline Form von Aluminiumoxid ist extrem hart. 9 auf der Moosskala nur übertroffen von Diamant Verunreinigungen färben Korund Spuren von Chrom ergeben Roten Rubin, Eisen und Titan ergeben blauen Saphir.

14:38 Diese Edelsteine sind seit Jahrtausenden geschätzt. Niemand ahnte, dass sie hauptsächlich aus dem gleichen Metall bestehen, das heute Getränkedosen bildet, die Reaktivität von Aluminium ist paradox, es ist sehr reaktiv, sollte an der Luft schnell oxidieren wie Eisen rostet doch die Oxidschicht, die sich sofort bildet, ist so dicht, dass sie das darunterliegende Metall perfekt abschirmt.

15:08 Diese Schicht ist nur wenige Nanometer dick, aber absolut Wasser und luftdicht. Sie macht Aluminium praktisch korrosionsfrei in normaler Umgebung in konzentrierter Salzsäure oder Natronlauge löst sich Aluminium jedoch auf, die Oxidschicht wird angegriffen, das Metall freigelegt. Diese Eigenschaft wird in der Ätzung genutzt.

15:33 Künstler, Drucker, Halbleiterhersteller nutzen Geätzte Aluminiumoberflächen für komplexe Muster Thermit, eine Mischung aus Aluminiumpulver und Eisenoxid, reagiert bei Entzündung explosionsartig Aluminium entreißt dem Eisenoxid den Sauerstoff die Reaktion setzt enorme Hitze frei über 2500 Grad Celsius. Geschmolzenes Eisen tropft heraus diese Reaktion wird zum Schweißen von Eisenbahnschienen verwendet. An Ort und Stelle, ohne externe Energiequelle werden schienen verbunden, die Züge über Kontinente tragen, Aluminium reflektiert Licht und Wärme, effizient poliertes Aluminium reflektiert über 90% des sichtbaren Lichts. Teleskope, Scheinwerfer, Solarkollektoren nutzen Aluminiumspiegel die riesigen

16:33 Parabolspiegel von Radioteleskopen sind oft aus Aluminium. Das Arrecibo Observatorium in Puerto Rico. Bis zu seinem Einsturz 2020, hatte einen 305 Meter durchmessenden Reflektor aus Perforierten Aluminiumpanelen. In der Elektronik ist Aluminium Standardmaterial für Leiterbahnen in integrierten Schaltkreisen. Der Prozessor in deinem Computer enthält Milliarden mikroskopische Aluminiumdrähte, die Transistoren verbinden, jeder Draht ist Nanometerbreit dünner als ein Virus, zusammen ermöglichen sie die Berechnungen, die unsere digitale Welt antreiben.

17:18 Aluminiumfolien hauchdünn nur 6 bis 20 Mikrometer dick verpacken. Lebensmittel schützen vor Licht, Sauerstoff, Feuchtigkeit die jährliche Produktion von Aluminiumfolie überschreitet 1000000 Tonnen jede Haushaltsrolle, jede Schokoladenverpackung, jeder Joghurtdeckel trägt dieses erstaunliche Material.

17:41 Die biologische Rolle von Aluminium ist ambivalent. Es ist nicht essentiell für das Leben. Kein bekannter Organismus benötigt Aluminium für biochemische Prozesse, im Gegenteil, in hohen Konzentrationen ist es toxisch. Aluminium bindet an Phosphatgruppen, stört enzymatische Reaktionen, kann Zellen schädigen, bei Pflanzen in sauren Böden, wo Aluminium löslich wird, hemmt es Wurzelwachstum, verursacht Toxizität. Für Menschen ist die Exposition normalerweise gering und unproblematisch.

18:20 Wir nehmen täglich etwa 1 bis 10 Milligramm Aluminium über Nahrung und Wasser auf, die Bioverfügbarkeit ist niedrig, weniger als 1% wird absorbiert, der Rest ausgeschieden. Doch bei Menschen mit Nierenproblemen, die Aluminium nicht effizient ausscheiden können, kann es sich anreichern. Dies führte in den 1900 70er und 1900 80er Jahren Zufällen von Dialyse, assoziierter Enzephalopathie, einer neurologischen Erkrankung. Seitdem werden Dialyselösungen streng auf Aluminiumgehalt kontrolliert.

19:02 Die Hypothese, das Aluminium Alzheimer Krankheit verursacht, wurde in den 1900 60er Jahren aufgestellt, basierend auf Experimenten, die zeigten, dass Aluminium im Gehirn von Alzheimer Patienten erhöht war. Jahrzehntelange Forschung konnte jedoch keinen kausalen Zusammenhang bestätigen, die erhöhten Aluminiumwerte sind wahrscheinlich eine Folge, nicht die Ursache der Krankheit. Dennoch bleibt das Thema umstritten und Vorsicht ist angebracht.

19:34 Aluminiumsalze werden in Antitranspirantien verwendet, um Schweißdrüsen zu verengen, die Sicherheit dieser Anwendung wurde untersucht, große epidemiologische Studien fanden keinen Zusammenhang mit Brustkrebs oder anderen Krankheiten. Die europäischen und amerikanischen Gesundheitsbehörden bewerten diese Anwendung als sicher. Bei normaler Nutzung.

20:02 Die Umweltauswirkungen der Aluminiumproduktion sind erheblich, Bauxit wird in Tagebauen abgebaut, hauptsächlich in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, der Abbau zerstört Landschaften, Wälder, beeinträchtigt Ökosysteme. Für jede Tonne Aluminiumoxid entstehen etwa eine bis 1,5 Tonnen Rotschlamm.

20:27 Ein stark alkalischer Rückstand der Eisenoxid, Siliziumdioxid, Titanoxid, Natriumhydroxid enthält. Dieser Rotschlamm wird in riesigen Rückhaltebecken gelagert, im Jahr 2010 brach in Ungarn ein Rückhaltebecken. 1000000 Kubikmeter Rotschlamm ergossen sich über 10 Ortschaften, töteten 10 Menschen, verseuchten Flüsse.

20:56 Die Katastrophe zeigte die Risiken unzureichender Sicherheitsstandards, weltweit lagern Milliarden Tonnen Rotschlamm eine tickende ökologische Zeitbombe, wenn nicht ordnungsgemäß verwaltet, die elektrolytische Reduktion verbraucht enorme Mengen Elektrizität. Die globale Aluminiumproduktion verbraucht jährlich etwa 1000 Terawattstunden, etwa 3% der weltweiten Stromproduktion.

21:29 Wenn dieser Strom aus fossilen Brennstoffen stammt, trägt die Aluminiumindustrie erheblich zu Treibhausgasemissionen bei Island, Norwegen, Kanada produzieren Aluminium mit Wasserkraft, reduzieren den Kohlenstoff, Fußabdruck China. Größter Produzent mit über 50% der Weltproduktion nutzt hauptsächlich Kohlekraft. Die Fluorremissionen aus dem halherult Prozess sind ein weiteres Problem.

22:01 Kryolith und Aluminiumoxid setzen Fluoride frei, die giftig für Pflanzen und Tiere sind moderne Aluminiumhütten verwenden Abgasreinigungssysteme fangen über 99% der Fluoride ab. Dennoch bleibt die lokale Luftverschmutzung in manchen Regionen problematisch. Das Recycling ist der Schlüssel zur Nachhaltigkeit wie erwähnt, spart es 95% Energie, die Recyclingrate für Aluminium Dosen liegt in einigen Ländern über 90% in Deutschland, Norwegen, Schweiz werden fast alle Dosen recycelt, in den USA liegt die Rate bei etwa 50%.

22:45 Es gibt Verbesserungspotenzial. Die Kreislaufwirtschaft für Aluminium ist technisch machbar. Aluminium verliert beim Einschmelzen keine Qualität, kann unbegrenzt oft recycelt werden. Die Herausforderung ist die Sammlung, Sortierung, Trennung von Legierungen, unterschiedliche Legierungen für Autos, Flugzeuge, Verpackungen müssen getrennt werden, um optimale Qualität zu gewährleisten. Innovative Technologien könnten die Primärproduktion revolutionieren.

23:21 Die Inerte Anode, entwickelt von Apple und Alcor, ersetzt Kohlenstoffanoden durch keramische Materialien. Statt Kohlendioxid entsteht reiner Sauerstoff. Dies würde die Treibhausgasemissionen der Aluminiumproduktion eliminieren. Kommerzielle Anwendung beginnt gerade könnte die Industrie transformieren.

23:47 Aluminiumluft Batterien sind eine weitere Forschungsrichtung. Aluminium reagiert mit Sauerstoff aus der Luft, erzeugt Elektrizität. Theoretisch haben solche Batterien eine sehr hohe Energiedichte, könnten Elektrofahrzeuge über 1000 Kilometer weit antreiben. Technische Herausforderungen bleiben, aber das Potenzial ist enorm. Die Geschichte des Aluminiums ist die Geschichte menschlichen Erfindungsreichtums von einem seltenen, kostbaren Metall zu einem allgegenwärtigen Material in nur einem Jahrhundert. Es ermöglichte Technologien, die die Welt schrumpfen ließen, die den Himmel eroberten, die unseren Alltag formten. Doch diese Geschichte erinnert uns auch an unsere Verantwortung.

24:39 Jede Technologie hat Kosten, die Landschaften, die wir abtragen, die Energie, die wir verbrauchen, die Abfälle, die wir hinterlassen, sind real. Die Erde, die uns das Aluminium schenkt, verdient Respekt, Schutz, nachhaltige Nutzung, wenn du das nächste Mal eine Getränkedose in der Hand hältst. Denke an die Jahrmilliarden, die diese Aluminiumatome durchlaufen haben. Geboren in den Kernen sterbender Sterne, kondensiert in der Urwolke des Sonnensystems, eingebunden in Gestein, freigesetzt durch menschliche Ingenieurskunst, geformt zu einem nützlichen Objekt und nach deinem Gebrauch hoffentlich recycelt, eingeschmolzen, Neugeboren als etwas anderes. Ein Kreislauf, der nachhaltig sein kann, wenn wir es wollen. Die Leichtigkeit des Aluminiums

25:39 steht symbolisch für die Leichtigkeit, mit der wir durch die moderne Navigieren. Flugzeuge tragen uns mühelos über Kontinente, Smartphones verbinden uns sofort mit der Welt, doch diese Leichtigkeit ruht auf schweren Fundamenten, Bergbau, Energie, Infrastruktur. Wenn wir diese Fundamente nachhaltig gestalten, wenn wir erneuerbare Energie nutzen, wenn wir konsequent recyceln, wenn wir die Umweltauswirkungen minimieren, dann kann Aluminium weiterhin seinen Beitrag leisten, ohne die Erde zu belasten.

26:19 Schließe nun die Augen, lass die Gedanken an dieses erstaunliche Element mit dir sein, silbrig, leicht. Allgegenwärtig ein Metall der Moderne, das Vergangenheit und Zukunft verbindet, erkenne die Vernetzung aller Dinge, die Abhängigkeit unserer Zivilisation von den Ressourcen der Erde, die Notwendigkeit, Weise zu handeln.

26:49 Die Erde ist unser einziges Zuhause, der einzige Planet im Universum, von dem wir wissen, dass Erleben trägt. Jedes Element, das sie birgt, ist Geschenk und Verantwortung zugleich. Trage diese Erkenntnis mit in den Schlaf und wenn du erwächst in dein Handeln, gute Nacht.