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 Länder der Erde?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In einen erholsamen Schlaf gleiten Schlaf gut und bis zur
nächsten Folge.