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19.07.2024

17.08.2023

Weißt du, wieviel Sternlein stehen...

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Sternenhimmel
Bild: pixabay[CCO]
.... warum sie nachts leuchten und was fliegende Luftballons damit zu tun haben? Zu der ersten Frage gibt es keine abschließende Antwort. Die beiden anderen sind mit Hilfe eines chemischen Elements, das vor 155 Jahren erstmals entdeckt wurde, deutlich einfacher zu erklären: Helium.

Ein neues Element

Während der totalen Sonnenfinsternis am 18. August 1868 untersuchte der französische Astronom Pierre Jules Janssen das Sonnenspektrum mit dem zu Beginn des Jahrhunderts vom deutschen Optiker Joseph von Fraunhofer entwickelten Spektrometer. Mit diesem Gerät kann das sichtbare Licht in seine Regenbogenfarben, die sogenannten Spektralfarben, und verschiedene Linien zerlegt werden.

Da jedes chemische Element bei seiner Verdampfung bestimmte Bereiche des Lichtspektrums absorbiert, kann jedem Element und jeder chemischen Verbindung ein spezielles - mit einem Barcode vergleichbares - Linienmuster im Lichtspektrum zugeordnet werden. So werden auch heute noch Himmelskörper auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht.

Jansen fand bei seinen Beobachtungen eine bislang unbekannte Linie, woraus er schloss, dass es sich um ein neues Element handeln müsse. Nachdem seine Entdeckung nur zwei Monate später vom englischen Astronomen Norman Lockyer bestätigt wurde, bekam das Element auch einen Namen. Aufgrund der Lage der Spektrallinien nahm man an, dass es sich um ein Metall handeln müsse. Und da es auf der Sonne entdeckt wurde, bekam es den Namen "Sonnenmetall" - Helium, abgeleitet aus dem griechischen Wort Helios (Sonne) und er Endung -um für Metalle, in Analogie zu den bereits bekannten Metallen wie Aluminium, Ferrum (Eisen), Aurum (Gold) etc.

Der Mensch, der entdeckte, dass die Sterne Sonnen sind, hatte eine Sternstunde.
Walter Ludin (*1945)
schrieb der Schweizer Journalist Walter Ludin. Wir sehen also nachts eigentlich keine Sterne, sondern weit entfernte Sonnen. Mit dieser Erkenntnis kommen wir weiter in unseren Überlegungen zum nächtlichen Leuchten.

Wie kommt das Helium auf die Sonne?

Bekanntlich ist es auf Sonnen in der Regel ziemlich warm. Die Oberflächentemperatur unserer Sonne beispielsweise beträgt etwa 5.500 °C, im Kern ist es noch deutlich heißer. Der Hauptbestandteil von Sonnen ist das chemische Element Wasserstoff. Durch die hohen Temperaturen bewegen sich die Wasserstoffmoleküle in rasender Geschwindigkeit. Dadurch prallen die Atomkerne so heftig aufeinander, dass sie miteinander verschmelzen. Beim Aufeinanderprallen zweier Wasserstoffkerne entsteht dann ein Heliumatom, dessen Existenz Janssen damals spektroskopisch nachwies. Gleichzeitig wird eine riesige Menge Energie in Form von Licht und Wärme frei. Bei uns auf der Erde nennt man diesen Prozess Kernfusion und versucht seit etlichen Jahren, ihn so zu beherrschen, dass man ihn als Energiequelle nutzbar machen kann - bislang vergeblich.

Auf den Sonnen unseres Universums wird ständig und in unvorstellbar großer Menge Wasserstoff durch Kernfusion in Helium, Licht und Wärme umgewandelt. Dieses Licht ist dann als Sternenleuchten für uns auf der Erde sichtbar, zumindest nachts, wenn es nicht durch das Licht unserer "eigenen" Sonne überstrahlt wird.

Was haben jetzt die fliegenden Luftballons damit zu tun?

Nicht nur im Universum, sondern auch in unserer Erdatmosphäre befindet sich Helium. Das fanden die Chemiker Sir William Ramsay und Per Theodor Cleve beinahe zeitgleich Ende des 19. Jahrhunderts heraus. Allerdings in deutlich geringerer Menge als im Weltall. Und es entsteht auf unserem Planeten nicht durch Kernfusion, sondern durch den natürlichen radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran.

Seit den 1920er Jahren, nachdem man in den USA Erdgasquellen mit hohem Heliumanteil entdeckt hatte, wird Heliumgas auch großtechnisch gewonnen, zunächst als Füllung für große Luftschiffe. Weil sich diese aber nicht gegen Flugzeuge durchsetzen konnten, dient Helium mittlerweile vorwiegend als Kühlmittel, zur Unterstützung der Atmung bei Patienten mit Atemwegsproblemen und in der Analytik als Trägergas bei der Gaschromatographie. Oder eben als Füllung für bunte Luftballons, wie wir sie vom Jahrmarkt, Geburtstagen oder Jubiläen kennen. Da Helium im Vergleich zu Luft eine deutlich geringere Dichte hat, können diese aufsteigen und fliegen.

Helium-Wissen für den nächsten Smalltalk

Vielleicht hat die nüchterne Erklärung zur Entstehung des Lichts am nächtlichen Himmel sternfunkelnde Nächte entzaubert, so dass Sie sie zukünftig als weniger romantisch empfinden. Aber dafür wissen Sie jetzt nicht nur darüber Bescheid, sondern auch, warum ein Helium-Ballon davonfliegt, wenn man ihn nicht richtig festhält. Falls Sie jetzt noch wissen möchten, warum man durch eingeatmetes Heliumgas eine Micky-Maus-Stimme bekommt - ganz einfach: Die Schallwellen, die unsere Stimmbänder beim Sprechen produzieren, sind im Heliumgas deutlich schneller als in Luft. Dadurch haben sie eine höhere Frequenz, was wiederum die Tonhöhe beeinflusst. Für ältere Semester und Vinyl-Liebhaber: Etwa so, als wenn man eine Langspielplatte mit 45 rpm statt mit 33 rpm abspielt.

Im Periodensystem der Elemente finden wir Helium ganz rechts in der VIII. Hauptgruppe bei den Edelgasen Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Denn Helium ist aufgrund seines Aggregatzustandes, seiner Elektronenhülle und Reaktionsträgheit diesen eindeutig zuzuordnen. Obwohl Ramsay diese Einordnung bereits Ende des 19. Jahrhunderts vorgenommen hatte, unterblieb die Umbenennung in Helion, wie es die Analogie vorgegeben hätte, auch wenn es sich bei Helium definitiv nicht, wie ursprünglich angenommen, um ein Metall handelt.

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Autor:  

Anke Fähnrich

Anke Fähnrich


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