49. Indium (In) - Das Touchscreen-Element

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0:23 Heute wenden wir uns einem Element zuster, das die meisten Menschen noch nie bewusst wahrgenommen haben und das sie doch jeden Tag mit ihren Fingerspitzen berühren. Es ist ein stilles, fast unsichtbares Metall, das in keiner spektakulären Mine im großen Stil gefördert wird, das in keinem Schmuckstück glänzt und das in keinem berühmten Bauwerk verbaut ist. Und doch ist es zur unverzichtbaren Grundlage einer Technik geworden, die unser Leben tiefgreifend verändert hat.

0:58 Jedes Mal, wenn du über den Bildschirm deines Smartphones streichst. Wenn du ein Bild auf einem Tablet vergrößerst oder an einem Fahrkartenautomaten ein Ziel Auswählst, kommt dieses Element ins Spiel, die Rede ist von Indium, die. Dem Element mit der Ordnungszahl 49, jenem weichen, silbrig glänzenden Metall, das in einer hauchdünnen, durchsichtigen Schicht auf nahezu jedem Berührungsbildschirm der Welt liegt.

1:28 Indium ist ein Paradebeispiel dafür, wie ein scheinbar unbedeutendes, seltenes Element zur tragenden Säule der modernen Technik werden kann. Und seine Geschichte führt uns von einem Labor im Sachsen des 19 Jahrhunderts bis in die Hochtechnologie der Gegenwart. Die Entdeckung des Indiums fällt in das Jahr 1863 und ist eng mit einer der großen methodischen Revolutionen der Chemie verbunden, der Spektralanalyse.

2:02 Diese Methode beruht auf der Beobachtung, dass jedes chemische Element, wenn man es in einer Flamme erhitzt oder zum Glühen bringt, Licht in ganz bestimmten, für es charakteristischen Farben aussendet. Zerlegt man dieses Licht mit einem Prisma in sein Spektrum, so erscheinen scharfe farbige Linien an genau festgelegten Positionen, gleichsam ein Fingerabdruck des Elements.

2:30 Diese Technik, die von Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff in Heidelberg entwickelt worden war, ermöglichte es, Elemente noch in winzigsten Mengen anhand ihres Lichts zu erkennen. An der Bergakademie im sächsischen Freiberg machten sich 2 Forscher diese Methode zunutze. Der Chemiker Ferdinand Reich, der die Untersuchungen leitete, und sein jüngerer Assistent Hieronymus Theodor Richter wollten in einer örtlichen Zinkblende nach dem damals neu entdeckten Element Tallium suchen.

3:04 Reich war farbenblind und konnte die Spektrallinien selbst nicht beurteilen, weshalb er Richter bat, durch das Spektroskop zu schauen. Statt der erwarteten grünen Linie des Talliums entdeckte Richter eine leuchtend indigoblaue Linie, eine Farbe, die zu keinem bekannten Element passte. Diese tiefblaue Linie gab dem neuen Element seinen Namen, denn Indium leitet sich von Indigo ab, jenem tiefen Blau, das einst aus der Indigopflanze gewonnen wurde. So trägt das Element der Berührungsbildschirme den Namen einer Farbe, die es in keiner seiner alltäglichen Anwendungen jemals zeigt.

3:50 Die Zusammenarbeit von Reich und Richter ist auch ein menschlich interessantes Kapitel, denn sie endete in einem Zerwürfnis, Richter beanspruchte später einen größeren Anteil am Ruhm der Entdeckung als Reich für angemessen hielt. Und so trübte sich die Beziehung der beiden Männer, die gemeinsam eines der seltensten Elemente der Erde ans Licht gebracht hatten. Es ist eine jener kleinen menschlichen Geschichten, die hinter den nüchternen Daten der Wissenschaftsgeschichte oft verborgen bleiben und uns daran erinnern, dass auch die Entdeckung der Elemente das Werk von Menschen mit ihren Eitelkeiten und Empfindlichkeiten war. Betrachten wir nun die Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Metalls.

4:38 Indium steht im Periodensystem in der 13 Gruppe gemeinsam mit dem Aluminium, dem Gallium und dem Tallium, und es teilt mit dem Gallium eine besonders bemerkenswerte Eigenschaft. Die Weichheit Indium ist so weich, dass man es mit dem Fingernagel eindrücken und mit dem Messer mühelos schneiden kann, es ist sogar weicher als Blei.

5:02 Ein eigentümliches Merkmal ist sein sogenannter Zinnschrei, ein leises, knisterndes Geräusch, das das Metall von sich gibt, wenn man einen Stab davon verbiegt. Dieses Knistern entsteht, weil sich die Kristallstrukturen im Inneren des Metalls gegeneinander verschieben, und es teilt diese Eigenschaft mit seinem Nachbarn, dem Zinn.

5:25 Indium besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt von nur etwa 156 Grad Celsius. Schmilzt also schon weit unter der Temperatur, bei der Wasser in einem Drucktopf siedet. Sein Siedepunkt hingegen liegt außerordentlich hoch bei über 2000 grad, so dass das Metall über einen sehr großen Temperaturbereich flüssig bleibt.

5:49 Eine weitere faszinierende Eigenschaft ist, dass Indium auch bei sehr tiefen Temperaturen weich und verformbar bleibt, während die meisten Metalle dann spröde werden. Aus diesem Grund wird es in der Tieftemperaturtechnik als Dichtungsmaterial verwendet, etwa um Apparaturen abzudichten, die nahe am absoluten Nullpunkt arbeiten. Indium besitzt zudem die seltene Fähigkeit, an Glas zu haften, und es benetzt zahlreiche Oberflächen, an denen andere Metalle abperlen würden, in.

6:25 Chemisch tritt Indium am häufigsten in der Oxidationsstufe Plus 3 auf, kann aber auch die ungewöhnlichere Stufe plus 1 annehmen. Bemerkenswert ist auch ein Blick auf seine Isotope, denn hier verbirgt sich eine kleine kosmische Kuriosität, das in der Natur weitaus häufigste Indiumisotop das Indium 115. Ist genau genommen gar nicht stabil, sondern schwach radioaktiv.

6:56 Es zerfällt jedoch so unendlich langsam, dass seine Halbwertszeit das Alter des bekannten Universums um viele Größenordnungen übersteigt, sodass es für jeden praktischen Zweck als beständig gelten kann, das eigentlich stabile Isotop, das Indium 113, ist dagegen das seltenere von beiden. Indium ist damit eines der wenigen Elemente, deren häufigste natürliche Form streng genommen ein Zerfallskandidat ist, was die feinen Übergänge zwischen Stabilität und Vergänglichkeit in der Welt der Atomkerne anschaulich macht.

7:37 Wie alle schweren Elemente verdankt dass Indium seine Existenz den gewaltigen Prozessen im Inneren von Sternen. Und in den Explosionen, die ihr Leben beenden, wo unter ungeheurem Druck und bei unvorstellbaren Temperaturen die Bausteine der Materie zusammengefügt wurden, aus denen später unsere Erde und alles auf ihr entstand. In der Natur kommt es so gut wie nie in reiner Form vor und es bildet auch kaum eigene Erze.

8:08 Stattdessen versteckt es sich in winzigen Mengen in den Erzen anderer Metalle, vor allem in der Zinkblende. Indium gehört damit zu jenen Elementen, die man als Begleitmetalle bezeichnet, denn es wird fast ausschließlich als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Zink gewonnen. Wer Zink Verhüttet, fängt aus den Rückständen das darin enthaltene Indium auf, das sonst verloren ginge.

8:37 Diese enge Bindung an die Zinkproduktion hat weitreichende Folgen, denn sie bedeutet, dass die Menge an verfügbarem Indium nicht von der Nachfrage nach Indium selbst, sondern von der Produktion des Zinks abhängt. Indium gehört zu den seltenen Elementen der Erdkruste, seltener als Silber. Und die jährliche weltweite Förderung liegt nur im Bereich von einigen 100 Tonnen. Eine im Vergleich zu anderen Industriemetallen verschwindend geringe Menge.

9:10 Die wichtigsten Förderländer sind China, Südkorea, Japan und Kanada, wobei China den Markt deutlich dominiert. Die Gewinnung des Indiums ist ein aufwendiger Prozess, der die Geduld und das technische Geschick widerspiegelt, die nötig sind, um ein so fein verteiltes Element aus dem Gestein zu lösen. Wenn Zinkerze Verhüttet werden, sammelt sich das darin enthaltene Indium in den Rückständen und Stäuben des Verfahrens an, aus diesen Rückständen wird es in mehreren Schritten herausgelöst.

9:44 Durch Auslaugen mit Säuren. Durch Fällung und durch elektrolytische Verfahren immer weiter angereichert und schließlich zu hochreinem Metall, raffiniert für viele Anwendungen in der Elektronik, wird eine außerordentliche Reinheit verlangt, die nahezu jede Verunreinigung ausschließt, denn schon kleinste fremdatome können die empfindlichen Eigenschaften der Halbleiter und der durchsichtigen Leiterschichten stören. Es ist ein stilles Zeugnis menschlicher Sorgfalt, das aus einem Gestein, das nur wenige Gramm Indium je Tonne enthält, am Ende ein Material entsteht, das rein genug ist, um die feinsten Schaltkreise und Bildschirme der Welt zu ermöglichen.

10:31 Auch die Frage nach der Wirkung des Indiums auf Mensch und Umwelt verdient Beachtung, denn sie ist erst in jüngerer Zeit stärker in den Blick geraten. In den Mengen, in denen wir dem Indium im Alltag begegnen, etwa als festgebundene Schicht in einem Bildschirm, geht von ihm keine Gefahr aus. Anders verhält es sich am Arbeitsplatz, in der Verarbeitung, denn das Einatmen feiner indiumhaltiger Stäube und Dämpfe kann die Lunge schädigen, in Japan und anderen Ländern wurden bei Beschäftigten, die über längere Zeit Indiumzinoxidstaub ausgesetzt waren.

11:09 Ernste Lungenerkrankungen beobachtet, was zu strengeren Schutzmaßnahmen und Grenzwerten in der Industrie geführt hat. Diese Erkenntnisse erinnern daran, dass auch ein scheinbar harmloses, im Endgerät unsichtbares Element bei seiner Gewinnung und Verarbeitung Verantwortung und Vorsicht verlangt und dass der Schutz der Menschen, die diese Werkstoffe herstellen, ein untrennbarer Teil eines achtsamen Umgangs mit der Technik ist. Doch wie wurde aus diesem seltenen Begleitmetall der unsichtbare Held der Bildschirmtechnik? Der Schlüssel liegt in einer ganz besonderen Verbindung, dem Indium Zinnoxid, das in der Fachsprache oft mit seiner englischen Abkürzung bezeichnet wird. Diese Verbindung besitzt eine

11:58 geradezu paradoxe Kombination von Eigenschaften, die sie für die moderne Elektronik unersetzlich Macht. Sie leitet den elektrischen Strom, was normalerweise nur Metalle tun, und sie ist zugleich durchsichtig, was normalerweise nur nichtleiter wie Glas sind. Diese Verbindung von elektrischer Leitfähigkeit und optischer Durchsichtigkeit ist äußerst selten und außerordentlich wertvoll. Trägt man eine hauchdünne, nur wenige Atomlagen starke Schicht aus Indiumzinoxid auf eine Glas oder Kunststoffoberfläche auf, so entsteht eine transparente, elektrisch leitfähige Beschichtung, durch die man hindurch sehen kann und die dennoch elektrische Signale überträgt. Genau diese Eigenschaft macht

12:50 den modernen Berührungsbildschirm möglich. Wenn dein Finger die Oberfläche berührt, verändert sich an dieser Stelle ein winziges elektrisches Feld in der Indiumzinoxidschicht und Sensoren erfassen den Ort der Berührung. Ohne diese transparente Leiterschicht gäbe es die kapazitiven Berührungsbildschirme, die heute Smartphones, Tablets und unzählige andere Geräte steuern, in ihrer jetzigen Form nicht.

13:20 Die Anwendungen des Indium Zinhoxids reichen jedoch weit über den Berührungsbildschirm hinaus. Dieselbe transparente Leiterschicht steckt in den Flüssigkristallbildschirmen und den Leuchtdiodenbildschirmen unserer Fernseher und Computer, wo sie als unsichtbare Elektrode dient, die die einzelnen Bildpunkte ansteuert.

13:43 Sie findet sich in modernen Solarzellen, wo sie das Licht hindurch lässt und zugleich den erzeugten Strom abführt. Sie wird in energiesparende Fensterscheiben eingebaut, die Wärmestrahlung reflektieren und so im Sommer kühl und im Winter warm halten, und sie beschichtet die Frontscheiben von Flugzeugen, wo sie als durchsichtige Heizung dient, um Vereisung zu verhindern. Auch in der Architektur und in vielen optischen Geräten ist das Indium Zinhoxid längst zum unverzichtbaren Werkstoff geworden.

14:17 So begegnen wir dem Indium an den Schnittstellen zwischen Licht und Elektrizität überall dort, wo wir durch etwas hindurchsehen und es zugleich elektrisch steuern wollen, bevor das Indium zum unsichtbaren Helden der Bildschirme aufstieg, führte es lange ein wissenschaftliches Schattendasein. Über Jahrzehnte nach seiner Entdeckung gab es kaum eine ernsthafte Verwendung für das seltene Metall und es blieb eine Kuriosität für die Forschung.

14:49 Erst der Zweite Weltkrieg brachte eine erste größere Anwendung, als man entdeckte. Dass ein dünner Indiumüberzug die Lebensdauer von Lagern in Flugzeugmotoren erheblich verlängerte, weil das Weiche, gut haftende Metall die Reibung verminderte und die Oberflächen vor Korrosion schützte. In den Jahrzehnten danach fand das Indium nach und nach seinen Weg in Lötmittel, in zahnmedizinische Legierungen und in die ersten Halbleiterbauelemente.

15:22 Doch erst mit dem Aufstieg der Flachbildschirme und schließlich der Berührungsbildschirme begann die eigentliche Erfolgsgeschichte und die Nachfrage nach Indium stieg sprunghaft an. Diese rasante Entwicklung schlug sich auch im Preis nieder, der über die Jahre erheblichen Schwankungen unterworfen war und in Phasen großer Nachfrage und knappen Angebots zeitweise stark anstieg, was die strategische Bedeutung des Metalls noch unterstrich.

15:52 Neben dem Indiumzinoxid besitzt das Element noch weitere wichtige Anwendungsfelder. In der Halbleitertechnik spielen Verbindungen wie das Indium Phosphid und das Indium Gallium Arsenid eine bedeutende Rolle, aus ihnen werden Hochfrequenzbauelemente und besonders schnelle Transistoren gefertigt. Aber auch die Leuchtdioden und Laserdioden, die das Licht für die Glasfaserkommunikation erzeugen, wenn Daten als Lichtsignale durch die Glasfaserkabel rund um den Globus rasen, dann werden diese Signale oft von indiumhaltigen Halbleitern erzeugt und empfangen auch in vielen modernen Leuchtdioden, die unsere Wohnungen und Bildschirme erhellen, stecken Indiumverbindungen. Das Metall findet sich überdies

16:45 in besonderen, niedrig schmelzenden Legierungen in Lötmaterialien für empfindliche elektronische Bauteile und in der Reaktortechnik, wo es Teil von Regelstäben sein kann, die Neutronen einfangen. Indium ist somit ein wahres Vielzweckelement der Hochtechnologie, das an vielen Stellen unbemerkt im Hintergrund wirkt.

17:08 Diese Vielseitigkeit und die gleichzeitige Seltenheit des Indiums machen es zu einem wirtschaftlich und strategisch bedeutsamen Rohstoff und damit zu einem Beispiel für eine der großen Herausforderungen unserer technischen Zivilisation. Indium zählt zu den sogenannten kritischen Rohstoffen, also zu jenen Elementen, deren Versorgung als unsicher gilt und die zugleich für Schlüsseltechnologien unverzichtbar sind. Die Europäische Union führt Indium auf ihrer Liste kritischer Rohstoffe.

17:43 Mehrere Faktoren tragen zu dieser Einstufung bei. Da ist zunächst die geringe geologische Verfügbarkeit, denn Indium ist tatsächlich selten, da ist die Abhängigkeit von der Zinkproduktion, die eine gezielte Steigerung der Indium Förderung erschwert. Da ist die starke Konzentration der Förderung und vor allem der Weiterverarbeitung in wenigen Ländern, insbesondere in China, was die Versorgung anfällig für politische und wirtschaftliche Spannungen macht.

18:17 Und schließlich ist da der Umstand, dass das in den Geräten verbaute Indium meist in so winzigen, dünn verteilten Mengen vorliegt, dass seine Rückgewinnung aus Altgeräten technisch aufwendig und oft unwirtschaftlich ist. Schätzungen über die Reichweite der wirtschaftlich gewinnbaren Vorräte schwanken erheblich. Doch es ist klar, dass ein sorgsamer Umgang mit diesem Element geboten ist.

18:44 Hier zeigt sich ein Gedanke, der weit über das Indium Hinausweist und der uns innehalten lässt. Unsere moderne Welt der ständig erneuerten Bildschirme und Geräte beruht auf einer stillen Voraussetzung, nämlich der Annahme, dass die seltenen Elemente, die in ihnen stecken, gleichsam unbegrenzt zur Verfügung stünden. Doch ein Element wie das Indium erinnert uns daran, dass dem nicht so ist.

19:14 Jedes Smartphone, das achtlos in einer Schublade verschwindet oder im Restmüll landet, nimmt eine winzige Menge eines seltenen, kaum ersetzbaren Stoffes mit sich, der über Jahrmilliarden in der Erdkruste entstanden ist. Die Forschung arbeitet daher mit Nachdruck an mehreren Wegen, um diese Abhängigkeit zu mildern. Ein Weg ist das Recycling, also die Rückgewinnung des Indiums aus Produktionsabfällen und Altgeräten, das bei den Abfällen der Bildschirmherstellung bereits in beträchtlichem Umfang gelingt.

19:52 Ein anderer Weg ist die Suche nach ersatzstoffen, Materialien wie bestimmte leitfähige Kunststoffe, hauchdünne Schichten aus silbernano Drähten oder das vielbeachtete Graphen. Ein Material aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen werden erprobt, um das Indium Zinhoxid eines Tages zu ersetzen oder zumindest zu ergänzen. Noch hat keines dieser Materialien das Indium zinhoxid vollständig verdrängt, doch die Forschung schreitet voran, getrieben von der Einsicht, dass kein seltener Rohstoff für immer in beliebiger Menge verfügbar bleibt. Diese Einsicht hat auch eine tiefere, fast philosophische Dimension.

20:39 Das Indium lehrt uns, dass die glänzende, scheinbar schwerelose Welt der digitalen Technik in Wahrheit fest in der materiellen Wirklichkeit unseres Planeten verankert ist. Hinter jeder Berührung eines Bildschirms steht ein Stück Erdgeschichte, steht ein Element. Das in der Glut Sterbender Sterne, geschmiedet in der Erdkruste verteilt und mit großem Aufwand aus dem Gestein gelöst wurde. Die Sorgsamkeit im Umgang mit solchen Rohstoffen ist daher kein bloßes wirtschaftliches Gebot, sondern auch ein Ausdruck der Achtung vor den begrenzten Schätzen, die uns die Erde bereitstellt.

21:20 Eine Gesellschaft, die lernt, die. Ihre Geräte länger zu nutzen, sie zu reparieren, statt sie wegzuwerfen und die wertvollen Stoffe in ihnen im Kreislauf zu führen, geht behutsamer mit diesen Gaben um und bewahrt sie zugleich für kommende Generationen. Es ist ein leiser Aufruf zu Maß und Umsicht, eingeschrieben in ein Element, das wir täglich berühren, ohne es je zu sehen.

21:50 Wenn wir am Ende dieser Folge innehalten und über das Indium nachdenken, dann begegnet uns ein Element von stiller, unscheinbarer Größe. Es drängt sich nicht in den Vordergrund, es glänzt nicht in der Vitrine, und doch ist es zu einem unverzichtbaren Bindeglied zwischen dem Menschen und seinen Maschinen geworden, eine durchsichtige Brücke, über die unsere Berührung in die Welt der elektrischen Signale übergeht.

22:19 In dieser Eigenschaft liegt etwas beinahe sinnbildhaftes, denn das Indium verbindet, was sich sonst ausschließt. Das sehen und das Leiten, das Licht und den Strom, die Hand des Menschen und das Innere der Maschine. Vielleicht können wir aus diesem leisen, seltenen Metall etwas mitnehmen für unseren Umgang mit der Welt, die.

22:43 Nämlich die Erinnerung daran, dass die kostbarsten Dinge oft die Unscheinbarsten sind, dass sie endlich sind und dass es sich lohnt, sie zu achten und zu bewahren. Lass die Bilder dieses durchsichtigen, blau benannten Metalls noch einen Augenblick in dir nachklingen, atme ruhig und gleichmäßig, und wenn du magst, lass dich getragen von dem Wissen um die verborgene Schönheit der Dinge.

23:11 In einen erholsamen Schlaf gleiten Schlaf gut und bis zur nächsten Folge.