Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns
einem Element, das unsichtbar. Geruchlos und in der
Erdatmosphäre extrem selten ist und das trotzdem in
Kamerablitzen, autoscheinwerfern, Raumsonden
und sogar in der Suche nach dunkler Materie eine zentrale
Rolle spielt. Lehn dich zurück, schließ die
Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Xenon, dem
Blitzlichtgas Xenon trägt im Periodensystem das Symbol XE und
die Ordnungszahl 54. Es gehört zur Gruppe der
Edelgase, gemeinsam mit Helium, Neon, Argon, Krypton und dem
radioaktiven Radon Edelgase zeichnen sich dadurch aus, dass
ihre äußerste Elektronenschale vollständig gefüllt ist.
Chemiker innen sprechen hier von einer abgeschlossenen
Valenzschale, wodurch diese Elemente unter normalen
Bedingungen kaum Verbindungen mit anderen Elementen eingehen.
Sie gelten deshalb lange Zeit als vollkommen reaktionsträge.
Ein Ruf, der Xenon, wie wir gleich hören werden, nicht ganz
gerecht wird. Entdeckt wurde Xenon im Jahr
1898 von den britischen Chemikern William Ramsey und
Morris Trevers an der University College London.
Die beiden Forscher hatten kurz zuvor bereits Krypton und Neon
isoliert, indem sie flüssige Luft schrittweise verdampfen
ließen und die dabei entstehenden Gasfraktionen genau
untersuchten. Bei der Suche nach weiteren bis
dahin unbekannten Bestandteilen der Luft stießen sie auf einen
letzten, äußerst seltenen Rückstand.
Als sie dieses Gas in einer evakuierten Glasröhre einer
elektrischen Entladung aussetzten, leuchtete es in
einem intensiven, bläulich weißen Licht auf.
Ein Anblick, der die beiden Forscher so beeindruckte, dass
sie das neue Element nach dem griechischen Wort xenos
benannten, was so viel wie der Fremde oder der Unbekannte
bedeutet. Diese Namensgebung setzte die
Tradition fort, die Ramsey und Trevers bereits bei Neon
begonnen hatten, dessen Name sich vom griechischen Wort für
neu ableitet. In der Erdatmosphäre ist Xenon
außerordentlich selten. Auf 1000000 Luftteilchen kommen
im statistischen Mittel nur etwa 0,09 Xenon Atome, was einem
Volumenanteil von rund 0,0000087% entspricht.
Zum Vergleich Argon, das häufigste Edelgas der
Atmosphäre, macht knapp ein Prozent der Luft aus, ist also
mehr als hunderttausend mal häufiger als Xenon.
Aufgrund dieser extremen Seltenheit ist die Gewinnung von
Xenon aufwendig und entsprechend kostspielig.
Industriell wird es als Nebenprodukt der
Luftverflüssigung gewonnen, einem Verfahren, bei dem Luft
zunächst stark abgekühlt und komprimiert wird, bis sie
flüssig wird. Durch fraktionierte Destillation
ein Prozess, bei dem die unterschiedlichen Siedepunkte
der Luftbestandteile genutzt werden, lassen sich die
einzelnen Gase nach und nach voneinander trennen.
Xenon reichert sich dabei in den letzten schwerflüchtigen
Fraktionen anderer Edelgase an und muss anschließend durch
weitere Destillationsschritte von Krypton getrennt werden.
Um nur ein Kilogramm Xenon zu gewinnen, müssen schätzungsweise
mehrere 100000 Kubikmeter Luft verarbeitet werden, weshalb der
Preis für Xenon deutlich über dem vieler anderer technischer
Gase liegt. Interessanterweise gibt Xenon
Wissenschaftler innen bis heute ein kosmochemisches Rätsel auf,
das als fehlendes Xenon Paradoxon bekannt ist.
Vergleicht man die Häufigkeit von Xenon in der Erdatmosphäre
mit der Häufigkeit anderer Edelgase und mit Modellen zur
Entstehung des Sonnensystems, so müsste eigentlich deutlich mehr
Xenon in der Atmosphäre vorhanden sein, als tatsächlich
gemessen wird. Es fehlt gewissermaßen ein
erheblicher Anteil des Xenons, das ursprünglich vorhanden
gewesen sein müsste. Verschiedene Hypothesen
versuchen dieses Rätsel zu erklären.
Eine Theorie geht davon aus, dass Xenon unter den enormen
Druck und Temperaturbedingungen im Erdinneren chemische
Bindungen mit Eisen oder Nickel eingehen und sich dadurch im
Erdkern angereichert haben könnte, wo es der heutigen
Messung entzogen ist. Hochdruckexperimente in Laboren
haben tatsächlich gezeigt, dass Xenon unter extremen Bedingungen
mit Eisen reagieren kann. Was diese Hypothese stützt, auch
wenn die endgültige Klärung des Paradoxons noch aussteht.
Damit sind wir bereits bei einem Aspekt angekommen, der Xenon von
den meisten seiner Verwandten in der Gruppe der Edelgase
unterscheidet. Seiner überraschenden chemischen
Reaktionsfreudigkeit. Lange galt als gesichert, dass
Edelgase grundsätzlich keine chemischen Verbindungen eingehen
können. Diese Annahme wurde im Jahr 1962
durch den kanadischen Chemiker Neil Bartlett widerlegt.
Bartlett hatte zuvor beobachtet, dass die Verbindung
Platinhexafluorid in der Lage ist, molekularem Sauerstoff ein
Elektron zu entziehen, da die Ionisierungsenergie von Xenon,
also die Energie, die nötig ist, um einem Atom ein Elektron zu
entreißen. In einer ähnlichen Größenordnung
liegt wie die von Sauerstoff vermutete Bartlett, dass Platin
Hexafluorid auch mit Xenon reagieren könnte.
Sein Experiment gelang, er stellte die erste bekannte
Verbindung eines Edelgases her, Xenon Hexafluoroplatinat.
Diese Entdeckung war eine kleine wissenschaftliche Sensation,
denn sie zwang Chemiker innen weltweit dazu, das Konzept der
chemischen Reaktionsträgheit von Edelgasen grundlegend zu
überdenken. In den folgenden Jahren gelang
es Forschungsteams, eine ganze Reihe weiterer Xenon
Verbindungen herzustellen, insbesondere mit Fluor und
Sauerstoff, den beiden Elementen mit der höchsten
Elektronegativität im Periodensystem.
Zu den bekanntesten zählen Xenon, Difluorid, Xenon
Tetrafluorid und Xenon Hexafluorid, die durch direkte
Reaktion von Xenon mit Fluorgas unter erhöhtem Druck und
erhöhter Temperatur entstehen. Xenon Tetroxid wiederum ist eine
hochexplosive Verbindung, die sich bereits bei Raumtemperatur
spontan zersetzen kann. Diese Verbindungen sind zwar von
eher akademischem Interesse und finden kaum praktische
Anwendung, doch sie verdeutlichen eindrucksvoll,
dass die Grenze zwischen Reaktionsträgen und
reaktionsfreudigen Elementen im Periodensystem fließender ist,
als es die klassische Einteilung zunächst vermuten lässt.
Wenden wir uns nun den praktischen Anwendungen von
Xenon zu, die dem Element seinen Beinamen als Blitzlichtgas
eingebracht haben. Wird Xenon in einer Glasröhre
unter geringem Druck einer elektrischen Entladung
ausgesetzt, entsteht ein extrem intensives, tageslichtähnliches
Licht, das nahezu das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt.
Diese Eigenschaft macht Xenon zum idealen Füllgas für
sogenannte Xenon Blitzlampen, wie sie seit Jahrzehnten in der
professionellen Fotografie eingesetzt werden.
Auch die klassischen Einwegblitze und viele moderne
Kamerablitze basieren auf diesem physikalischen Prinzip, der
große Vorteil. Gegenüber älteren Techniken,
etwa dem Verbrennen von Magnesiumpulver, wie es in der
frühen Fotografiegeschichte üblich war, liegt in der
Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit eine Xenon
blitzlampe, lässt sich viele 1000 male hintereinander
auslösen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen.
Auch in der Beleuchtungstechnik hat Xenon seine Spuren
hinterlassen, die. Sogenannte Xenon Scheinwerfer,
die seit den 1990er Jahren in vielen Fahrzeugen zum Einsatz
kommen, nutzen eine Gasentladungslampe, in der ein
elektrischer Lichtbogen durch Xenon Gas gezündet wird.
Das Ergebnis ist ein deutlich helleres, weißeres Licht als bei
klassischen Halogenscheinwerfern, das der
Farbtemperatur von Tageslicht sehr nahe kommt und dadurch die
Sehleistung bei Dunkelheit verbessern kann.
Physikalisch handelt es sich bei diesen Lampen genau genommen um
Xenon Gas, Entladungslampen, bei denen das Xenon Gas zunächst für
den charakteristischen Lichtbogen sorgt, während im
Dauerbetrieb zusätzlich enthaltene Metallhalogenide zur
eigentlichen Lichterzeugung beitragen.
In der Filmindustrie wiederum kommen sehr viel größere Xenon
Kurzbogenlampen zum Einsatz. Die in Kinoprojektoren ein
besonders helles und gleichmäßiges Licht erzeugen,
das dem natürlichen Tageslicht in seiner spektralen
Zusammensetzung bemerkenswert nahe kommt.
Ein weiteres bedeutendes Einsatzgebiet von Xenon liegt in
der Raumfahrt, genauer gesagt in sogenannten Äonentriebwerken bei
diesem Antriebsprinzip werden Xenon Atome zunächst ionisiert.
Also elektrisch geladen und anschließend in einem
elektrischen Feld auf sehr hohe Geschwindigkeiten von mehreren
10000 Metern pro Sekunde beschleunigt.
Der dabei entstehende Rückstoß erzeugt einen Schub, der zwar im
Vergleich zu chemischen Raketentriebwerken sehr gering
ist, dafür aber über extrem lange Zeiträume hinweg mit hoher
Effizienz aufrechterhalten werden kann.
Xenon. Eignet sich für dieses Verfahren
besonders gut, weil es chemisch reaktionsträge ist, sich leicht
ionisieren lässt und eine vergleichsweise hohe Atommasse
besitzt, was den erzeugten Schub pro Ion erhöht.
Bekannte Raumfahrtmissionen, die auf Xenon Ionen Triebwerke
setzten, waren etwa die europäische Mondsonde Smart 1
sowie die NASA sonde Dawn. Die zwischen 2007 und 2018, die
beiden größten Objekte des Asteroidengürtels, Vesta und
Ceres, besuchte auch zahlreiche moderne Kommunikationssatelliten
nutzen mittlerweile Xenon Ionentriebwerke, um ihre
Umlaufbahn über Jahre hinweg mit minimalem Treibstoffverbrauch zu
korrigieren. Auch in der Grundlagenphysik
spielt Xenon eine bemerkenswerte Rolle.
Insbesondere in der Suche nach der sogenannten dunklen Materie.
Verschiedene internationale Forschungsprojekte, darunter die
Xenon Experimente, die tief unter der Erde im italienischen
Gran Sasso massiv angesiedelt sind, verwenden große Tanks mit
flüssigem Xenon als Detektormedium.
Die zugrundeliegende Idee ist folgende die.
Sollte dunkle Materie tatsächlich aus sogenannten WMPS
bestehen, also schwach wechselwirkenden massereichen
Teilchen, so könnten diese Teilchen gelegentlich mit den
Atomkernen des Xenons zusammenstoßen und dabei ein
winziges, aber messbares Lichtsignal erzeugen.
Xenon eignet sich für solche Experimente besonders gut, weil
es sich vergleichsweise einfach in großen Mengen hochrein
aufbereiten lässt, weil es dicht genug ist, um Wechselwirkungen
mit hypothetischen Teilchen wahrscheinlicher zu machen und
weil es selbst kaum natürliche Radioaktivität aufweist, die die
empfindlichen Messungen stören könnte.
Bislang konnte die Existenz der dunklen Materie auf diesem Weg
zwar noch nicht direkt nachgewiesen werden, doch die
immer weiter verbesserten Xenon Detektoren liefern
kontinuierlich wichtige Ausschlussgrenzen, die
theoretischen Physiker ihnen helfen, ihre Modelle zu
verfeinern. Auch in der Medizin findet Xenon
Verwendung, wenn auch in vergleichsweise kleinem Rahmen.
Aufgrund seiner narkotisierenden Wirkung wird Xenon gelegentlich
als Inhalationsanästhetikum eingesetzt, bereits in den
1950er Jahren wurde beobachtet, dass das Einatmen von Xenon beim
Menschen eine Bewusstlosigkeit hervorrufen kann, ein Effekt.
Der auf die Wechselwirkung des Elements mit bestimmten
Rezeptoren im zentralen Nervensystem zurückzuführen ist.
Xenon gilt dabei als besonders schonendes Narkosemittel, da es
sich chemisch in Erd verhält, sehr schnell wieder abgeatmet
wird und im Vergleich zu klassischen Narkosegasen ein
günstigeres Nebenwirkungsprofil aufweist, unter anderem eine
geringere Belastung für das Herz Kreislauf System.
Der breiten klinischen Anwendung stehen jedoch die hohen
Herstellungskosten von Xenon entgegen, weshalb es bislang vor
allem in spezialisierten Zentren und im Rahmen wissenschaftlicher
Studien eingesetzt wird, unter anderem zur Untersuchung eines
möglichen neuroprotektiven Effekts nach Schlaganfällen oder
Sauerstoffmangel bei Neugeborenen.
Bemerkenswert ist zudem, dass Xenon aufgrund seiner
leistungssteigernden Wirkung auf den Körper insbesondere durch
eine vermutete Anregung der Produktion des Hormons
Erythropoetin, das die Bildung roter Blutkörperchen fördert,
seit dem Jahr 2014 von der Welt Anti Doping Agentur offiziell
als verbotene Substanz im Spitzensport eingestuft wird.
Zuvor war bekannt geworden, dass Xenon Inhalation im
Ausdauersport, insbesondere im professionellen Wintersport
einiger Länder, gezielt zur Leistungsstätigerung genutzt
worden sein soll, was letztlich zur ausdrücklichen Aufnahme des
Edelgases in die Verbotsliste führte.
Ein ungewöhnliches Kapitel in der Geschichte eines chemischen
Elements. Auch bei der Untersuchung des
menschlichen Körpers selbst spielt Xenon eine Rolle,
allerdings in Form seiner radioaktiven Isotope.
Xenon 133 wird in der Nuklearmedizin als sogenannter
Tracer eingesetzt, um beispielsweise die Durchblutung
der Lunge oder des Gehirns sichtbar zu machen.
Das Isotop wird dabei eingeatmet oder injiziert und sendet beim
radioaktiven Zerfall Gammastrahlung aus, die von
speziellen Kameras erfasst und zu bildgebenden Darstellungen
verarbeitet wird. Da Xenon 133 eine
vergleichsweise kurze Halbwertszeit von rund 5,2 Tagen
besitzt. Klingt die radioaktive Belastung
für Patientinnen und Patienten nach der Untersuchung rasch
wieder ab? Xenon besitzt insgesamt 9
natürlich vorkommende stabile Isotope, eine bemerkenswert hohe
Zahl im Vergleich zu vielen anderen Elementen des
Periodensystems, was Wissenschaftler ihnen
zusätzliche Möglichkeiten eröffnet, Geochemische und
astrophysikalische Prozesse zu untersuchen.
Insbesondere das Verhältnis bestimmter Xenon Isotope
zueinander liefert wertvolle Hinweise auf das Alter von
Gesteinen und Meteoriten, da einige dieser Isotope aus dem
radioaktiven Zerfall anderer Elemente entstehen, etwa aus
Iod, 129 oder aus spontaner Kernspaltung von Uran 238.
Diese sogenannte io de Xenon Datierung erlaubt es
forschenden, die Entstehungsgeschichte des
Sonnensystems mit bemerkenswerter Präzision zu
rekonstruieren und liefert wichtige Anhaltspunkte über
Prozesse, die sich vor mehr als viereinhalb Milliarden Jahren
abspielten. Nicht zuletzt begegnet uns Xenon
in der Alltagstechnik auch dort, wo wir es kaum vermuten würden.
In bestimmten Typen von Plasmabildschirmen, die vor der
breiten Verfügbarkeit moderner LED und OLED Technologien für
hochwertige Fernsehgeräte genutzt wurden.
In diesen Bildschirmen wird eine Mischung aus Xenon und Neon in
winzigen Zellen elektrisch zum Leuchten angeregt, wodurch
ultraviolettes Licht entsteht, das wiederum Leuchtstoffe zum
Erstrahlen bringt. Ähnlich dem Funktionsprinzip
einer Leuchtstoffröhre auch in bestimmten Hochleistungslasern,
den sogenannten Eximer Lasern, wird Xenon in Kombination mit
anderen Gasen genutzt, um kurzwelliges, energiereiches
Licht zu erzeugen, das unter anderem in der
Halbleiterfertigung und in der Refraktiven Augenchirurgie zum
Einsatz kommt. Werfen wir noch einen Blick auf
die physikalischen Eigenschaften von Xenon, bevor wir uns dem
kosmischen Ursprung des Elements zuwenden.
Xenon ist unter Normalbedingungen ein Farb und
geruchloses Gas, das erst bei -108 Grad Celsius zu einer
Flüssigkeit kondensiert und bei -112 Grad Celsius erstarrt
Werte. Die im Vergleich zu den
leichteren Edelgasen wie Helium oder Neon bemerkenswert
Hochliegen der Grund dafür liegt in der Größe und Masse der
Xenonatome. Je größer ein Atom, desto
stärker wirken die sogenannten Wanderwalskräfte zwischen den
einzelnen Atomen. Jene schwachen, aber bei tiefen
Temperaturen durchaus relevanten Anziehungskräfte, die letztlich
für den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand
verantwortlich sind, mit einer Dichte, die unter
Normalbedingungen etwa 4,5 mal höher ist als die von Luft.
Gehört Gisenon zudem zu den dichtesten stabilen Gasen
überhaupt? Diese hohe Dichte führt zu einem
physikalischen Effekt, der in populärwissenschaftlichen
Zusammenhängen gerne vorgeführt wird und das genaue Gegenteil
des bekannten heliumstimme Effekts darstellt, während das
Einatmen von Helium die menschliche Stimme aufgrund der
geringeren Dichte des Gases höher und quietschiger klingen
lässt. Bewirkt das Einatmen von Xenon
aufgrund seiner deutlich höheren Dichte das Gegenteil?
Die Stimme klingt dann ungewöhnlich tief und dunkel, da
sich die Schallgeschwindigkeit in dem dichteren Gas verringert.
Aus Sicherheitsgründen raten Fachleute jedoch ausdrücklich
davon ab, dies unkontrolliert auszuprobieren, da Xenon ähnlich
wie andere Edelgase. In hoher Konzentration den
lebenswichtigen Sauerstoff aus der Lunge verdrängen und zu
Erstickungserscheinungen führen kann, ohne dass Betroffene dies
aufgrund der fehlenden Reizwirkung des Gases
rechtzeitig bemerken. Auch die kosmische Herkunft von
Xenon ist ein faszinierendes Kapitel der Astrophysik, wie
nahezu alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und
Helium sind, entstand Xenon nicht beim Urknall selbst.
Sondern erst im Inneren von Sternen sowie bei deren
gewaltsamem Ende. Astrophysikerinnen gehen davon
aus, dass ein erheblicher Teil des im Universum vorhandenen
Xenons durch den sogenannten Essprozess entsteht, bei dem
Atomkerne in roten Riesensternen über lange Zeiträume hinweg
schrittweise Neutronen einfangen und sich dadurch zu schwereren
Elementen aufbauen. Ein weiterer schnellerer
Entstehungsweg ist der R Prozess, der unter den extremen
Bedingungen von Supernova, Explosionen oder bei der
Verschmelzung zweier Neutronensterne abläuft.
Ereignissen, bei denen innerhalb von Sekundenbruchteilen enorme
Mengen an Neutronen zur Verfügung stehen und dadurch
auch sehr schwere neutronenreiche Atomkerne
entstehen können. Erst im Jahr 2017 gelang es
Forschungsteams erstmals im Rahmen der Beobachtung einer
Neutronen Stern Verschmelzung mittels Gravitationswellen und
begleitender Teleskopmessungen direkte Spektroskopische
Hinweise auf frisch entstandene schwere Elemente zu finden.
Ein Ereignis, dass unser Verständnis davon, wo im
Universum Elemente wie Xenon tatsächlich entstehen, erheblich
erweitert hat. Wenn wir also heute an Xenon
denken, sollten wir nicht nur an ein seltenes unsichtbares Gas
denken, sondern an ein Element, das an ungewöhnlich vielen
Schnittstellen unseres Alltags und unserer Wissenschaft
auftaucht. Als Blitz in der Kamera, als
Antrieb im All, als Werkzeug bei der Suche nach den
Grundbausteinen des Universums und als stiller Zeuge der
Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems.
Gerade weil Xenon in der Natur so selten und aufwendig zu
gewinnen ist, erinnert es uns daran, wie kostbar die
natürlichen Ressourcen unseres Planeten sind und wie sorgsam
wir mit ihnen umgehen sollten. Diese Sorgfalt gilt nicht nur
für seltene Gase in der Atmosphäre, sondern für unseren
gesamten Planeten und die Umwelt, die uns trägt, die.
Ebenso wie für die offenen demokratischen Gesellschaften,
in denen wissenschaftliche Erkenntnis wie diese überhaupt
erst frei erforscht und geteilt werden kann.
Beides zu schützen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer
Zeit, damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die
Welt von Xenon angekommen. Wir hoffen, dir hat der Ausflug
vom Kamerablitz bis zur Suche nach dunkler Materie gefallen.
Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine
Bewertung da. Das hilft uns dabei weiterhin
spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten
Folge bleib neugierig.