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Sternengeschichten Folge 253: Lithium

Lithium gehört zu einer sehr speziellen Gruppe von Elementen. Das Periodensystem der Elemente enthält derzeit fast 120 bekannte Elemente. 91 davon kommen natürlich vor; der Rest wurde künstlich von uns Menschen hergestellt. Aber nur drei davon gibt es schon seit das Universum entstanden ist. Und eines dieser drei ist Lithium.

Lithium! (Bild: gemeinfrei)

Lithium! (Bild: gemeinfrei)

Fangen wir wieder einmal beim Anfang an. Beim Urknall – oder besser kurz danach. Die gesamte Materie entstand damals (und wie das genau abgelaufen ist ist ein Thema für eine andere Folge der Sternengeschichten). Atome oder chemische Elemente wie wir sie heute kennen gab es damals aber noch nicht. Dafür war es noch viel zu heiß und alles bewegte sich viel zu schnell. Es gab nur Elementarteilchen – zum Beispiel Quarks und Elektronen – die durch die Gegend sausten und sich nicht miteinander verbinden konnten. Erst eine Hundertstelsekunde nach der Entstehung des Universums war es so weit abgekühlt dass die Quarks sich zu Protonen und Neutronen verbinden konnten, also die Bausteine aus denen die Kerne der Atome bestehen. Am Anfang gab es noch gleich viele Protonen wie Neutronen – aber einzelne Neutronen sind instabil. Sie haben nur eine Halbwertszeit von 10 Minuten und wenn sie sich nicht mit Protonen verbinden, dann zerfallen sie. In dieser frühen Phase des Universums war es aber immer noch zu heiß als das Protonen und Neutronen sich zusammentun konnten. Erst eine Minute nach dem Urknall war es kühl genug – wobei “kühl” in diesem Fall etwa 60 Millionen Grad bedeutet – damit Deuterium entstehen konnte. Das ist ein Isotop des Wasserstoffs, also des simpelsten der Elemente.

Ich wiederhole vielleicht noch einmal kurz was ich in anderen Folgen der Sternengeschichten schon oft genauer erzählt habe: Die chemischen Elemente unterscheiden sich vor allem durch die Zahl der Protonen in ihrem Atomkern. Wasserstoff hat ein Proton, Helium hat zwei Protonen, und so weiter. Jedes Element hat eine eindeutige Anzahl von Protonen. Die Zahl der Neutronen in einem Atomkern kann variieren, solche Elementvariationen nennt man dann “Isotop”. Ein einzelnes Proton ist gleichzeitig der Kern eines normalen Wasserstoffatoms. Ein Proton und ein Neutron zusammen ist immer noch Wasserstoff, in diesem Fall aber eben der Kern von Deuterium oder “schwerer Wasserstoff”. Wenn sich ein Proton mit zwei Neutronen verbindet, dann erhält man den Atomkern eines weiteren Wasserstoff-Isotops, nämlich Tritium. Beliebig viele Neutronen kann man einem Atomkern allerdings nicht hinzufügen, denn irgendwann ist die Sache dann nicht mehr ausgewogen und der Kern zerfällt. Das ist das, was wir dann als Radioaktivität kennen: Ein chemisches Element wandelt sich in ein anderes chemisches Element um.

Nach der Bildung von Protonen und Neutronen bestand die gesamte Materie im Universum also quasi aus den Kernen von Wasserstoffatomen – denn nichts anderes ist ja ein einzelnes Proton – und jeder Menge freier Neutronen die sich einen Partner suchen müssen oder aber ziemlich bald zerfallen. Dann entstanden, wie schon gesagt, die ersten Atomkerne von Deuterium. Ab und zu fanden aber auch zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen und die bildeten dann Helium, ein anderes chemisches Element über das ich in Folge 141 mehr erzählt habe. Und jetzt wurde es dann schon langsam knapp. Die noch freien Neutronen im jungen Universum wurden immer weniger; sie waren entweder schon mit irgendwelchen Protonen verbunden oder aber zerfallen. Die Phase in der ausreichend freie Neutronen vorhanden waren um relevante Menge an chemischen Elementen zu bilden dauerte gerade mal drei bis fünf Minuten. Das reichte neben Wasserstoff, Deuterium und Helium gerade mal für eine winzige Mengen des Elements von dem die heutige Folge handelt: Lithium! Für Lithium mit seinen drei Protonen und, je nach Isotop, drei bis vier Neutronen im Kern war gerade noch Zeit, aber dann war erstmal Schluss mit der Entstehung der Elemente. (Wenn man ganz genau sein will sind damals auch ebenso winzige Mengen von Tritium und Beryllium-7 entstanden die aber beides instabile Isotope und gleich wieder zu Helium und Lithium zerfallen sind)

Drei Viertel Wasserstoff, ein Viertel Helium und ein Hauch von Lithium: Das war die Grundaustattung des Universums. Aber verlassen wir kurz für einen Moment die Kosmologie und schauen zurück in unseren Alltag. Was bringt uns da das Lithium? Wasserstoff ist überall; in jedem Wassermolekül zum Beispiel. Über die Nützlichkeit des Heliums habe ich Folge 141 mehr erzählt. Mit Lithium konnte man aber vorerst wenig anfangen. Erstmal hat es bis zum 19. Jahrhundert gedauert bevor man es überhaupt entdeckt hat. In der Erdkruste macht Lithium nur 0,006 Prozent aus und in reiner Form findet es man gar nicht. 1817 entdeckte der Schwede Johan August Arfwedson im seltenen Mineral Petalit ein bis dahin unbekanntes Element; ein Jahr später fand der deutsche Chemiker Christian Gottlieb Gmelin ebenfalls das bestimmte Mineralsalze ein Element enthielten das bisher keiner kannte. Reines Lithium konnten dann die Engländer William Thomas Brande und Humphry Davy im gleichen Jahr isolieren. Es stellte sich als ein sehr weiches, sehr leichtes und silbrig-weißes Metall heraus. Bei Raumtemperatur ist es leichter als alle anderen festen Elemente. Man sollte es aber nicht unbedingt einfach so rumliegen lassen. Denn das Lithium reagiert so gerne mit anderen Elementen und tut das so heftig, dass es sich schon bei normalen Temperaturen an der Luft entzündet. Und weil es eben so reaktiv ist, findet man es auch nirgendwo in der Natur in reiner Form.

Bis weit in das 20. Jahrhundert hinein wusste man mit dem Lithium nicht viel anzufangen. Man verwendete es als Schmiermittel und als Zusatzstoff bei der Herstellung von Glas. Erst als die USA während des 2. Weltkriegs merkten das man Lithium zur Gewinnung von Tritium benutzen kann änderte sich die Sache. Denn Tritium brauchte man für den Bau von Wasserstoffbomben und jede Menge Lithiumhaltiges Gestein wurde gefördert und verarbeitet. Ungefähr zur gleichen Zeit stellte der australische Psychiater John Cade fest das man Lithiumcarbonat anscheinend zur Behandlung von manisch-depressiven Patienten verwenden kann. Heute wird es auch bei bipolaren Störungen eingesetzt; es ist aber eine ziemlich knifflige Sache. Der Körper verträgt nur eine ganz bestimmte Menge; überschreitet man sie auch nur ein wenig, dann gibt es schwere Nebenwirkung. Warum genau das Lithium – das in der menschlichen Biologe ansonsten eigentlich keine Rolle spielt – bei psychologischen Erkrankungen wirken kann ist übrigens immer noch nicht genau verstanden.

Mittlerweile ist Lithium aber überall. Wir verwenden es heute hauptsächlich bei wiederaufladbaren Battieren, den Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In Smarthphones, Laptops, elektrischen Fahrzeugen, und so weiter – überall spielt das Lithium eine wichtige Rolle; vor allem deswegen weil es so leicht ist. Lithium ist also wichtig – umso unangenehmer ist es, dass wir dieses Element immer noch nicht völlig verstehen. Und damit sind wir wieder zurück in der Astronomie.

Nicht alle können Lithium kaputt machen (Bild:  NASA/JPL-Caltech/UCB)

Nicht alle können Lithium kaputt machen (Bild: NASA/JPL-Caltech/UCB)

Nach dem Urknall gab es – wie gesagt – nur Wasserstoff, Helium und Lithium. Alle anderen Elemente entstanden erst später durch die Kernfusion im Inneren der Sterne. Wenn die Astronomen heute ins Universum hinaus schauen, dann sehen sie dort direkt dass das auch richtig ist. Einer der eindrücklichsten Belege für die Richtigkeit der Urknalltheorie ist die sehr genaue Übereinstimmung der beobachteten Häufigkeit der chemischen Elemente im Universum mit der durch die Theorie vorhergesagten Menge. Nur beim Lithium ist die Sache ein wenig unklar. Das ganze nennt sich das “primordiale Lithiumproblem”: Wenn wir die ganz alten Sterne im Kosmos beobachten, also Sterne die mehr oder weniger aus dem Zeug bestehen das nach dem Urknall vorhanden war, dann sehen wir dort weniger Lithium als eigentlich vorhanden sein sollten. 2-3 mal weniger sogar und es ist immer noch nicht klar warum das so ist. Es könnte ein Beobachtungseffekt sein, denn wir können mit unseren Methoden nur die chemischen Elemente nachweisen die sich in den äußeren Schichten der Sterne befinden. Wir haben natürlich entsprechende Modelle mit denen man beschreiben kann wie sich die Elemente in einem Stern im Laufe der Zeit vermischen; wie viel von außen nach innen sinkt und wie viel von innen wieder nach außen aufsteigt. Und es gibt Hinweise, dass diese Modelle im Fall dieser alten Sterne nicht ganz korrekt sind und wir daher weniger Lithium messen als tatsächlich vorhanden ist.

Es könnte aber auch tatsächlich weniger Lithium vorhanden sein. Denn bei den Kernreaktionen im Inneren eines Sterns entstehen nicht nur neue Elemente, es können auch Elemente vernichtet werden. Und das gilt ganz besonders für das Lithium. Das kann zusammen mit einem Wasserstoffatom verschmelzen und zwei Heliumatome bilden. Dieser sogenannte “Proton-Proton-II”-Prozess findet schon bei besonders niedrigen Temperaturen statt und könnte der Grund sein, warum weniger Lithium da ist als wir gedacht hatten. So kann man unter anderem auch braune Zwerge von Sternen unterscheiden. Über die braunen Zwerge, diese Mitteldinger zwischen Planeten und Sterne habe ich schon in Folge 91 mehr erzählt. Sie enthalten ausreichend Masse und sind in ihrem Inneren ausreichend heiß das zwar kein Wasserstoff fusionieren kann, aber dafür ein wenig Deuterium. Sie sind außerdem meistens kühl genug so dass die Prozesse bei denen Lithium vernichtet wird, nicht stattfinden können. Braune Zwerge enthalten also tendentiell mehr Lithium als kleine Sterne und können so identifiziert werden.

Vermutlich müssen wir die ganzen kernphysikalischen Fusionsprozesse und die Vorgänge im Inneren der Sterne noch ein wenig besser verstehen um das Problem des fehlenden Lithiums verstehen zu können. Momentan sieht alles so aus als wäre das der Grund warum wir weniger sehen als vorhanden sein müsste. Es könnte aber natürlich auch sein, dass mit den ursprünglichen Annahmen etwas nicht stimmt und wir das Urknallmodell und die daraus abgeleitete Theorie der Entstehung der ersten Elemente ein wenig verändern müssen um alles zu erklären. Dann hätte uns das Lithium dabei geholfen einen völlig neuen Blick auf die Entstehung des Universums zu werfen. Und das wäre eine beeindruckende Leistung für ein auf den ersten Blick so unscheinbares Element.

Kommentare (19)

  1. #1 Till
    29. September 2017

    Eine sehr schöne Folge der Sternengeschichten!
    Hier ist noch ein fun-fact zu Lithium: In den SciFi Büchern der “The Expanse” Reihe ist Lithium das wertvollste Element von allen. Das ist auch realistisch, da es (aus den im Artikel beschriebenen Gründen) das seltenste Element im Universum ist. Alle anderen Elemente wie z.B. Gold sind in Asteroiden relativ häufig und leicht zugänglich, nur Lithium nicht. Gleichzeitig ist Lithium als Energiespeicher wichtig. Sollte die Menschheit es also jemals schaffen Asteroidenbergbau zu betreiben, lohnt es sich auf jeden Fall in Lithium zu investieren anstatt in Gold.

  2. #2 UMa
    29. September 2017

    Winzige Mengen schwerer Elemente sollten am Anfang aber doch entstanden sein. Man geht von einem Anteil von etwa 1e-15 aus. Siehe z.B.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis
    und
    http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/665/1/012001/pdf
    Das sind etwa 10 bis 100 Erdmassen an schwereren Elementen auf die gesamte Milchstraße. Sehr wenig, ja, aber nicht Null.

  3. #3 Captain E.
    29. September 2017

    Tja, und was die Verwendung von Lithium angeht, so steht eine weitere in den Startlöchern (Es ist fraglich, ob sie da jemals herauskommen wird!), die eine Wiederverwendung unmöglich macht: Kernfusion!

    Lithium wird, wie im Beitrag erwähnt, zum Erbrüten von Tritium verwendet, und genau das will man in möglichen Kernreaktoren haben. Das Lithium, das man irgendwann in den Fusionskraftwerken verwenden wird, wird dabei auf alle Zeiten verloren gehen.

  4. #4 MartinB
    29. September 2017

    Tolle Folge!

  5. #5 Captain E.
    29. September 2017

    Aber mal noch eine Nachfrage: Wieviel Helium-3 ist bei der primordialen Synthese eigentlich entstanden? Mit einem Neutron weniger im Kern müsste es der Wahrscheinlichkeit nach häufiger gewesen sein als Helium-4. Heute ist das allerdings nicht so. Wurde es vielleicht nur viel stärker wieder abgebaut?

  6. #6 Harald Milz
    Deutschland
    29. September 2017

    Möglicherweise ist die Frage akademisch, aber müsste direkt nach dem oben beschriebenen Urknall nicht die Dichteverhältnisse und damit auch die Gravitationsverhältnisse etwas anders gewesen sein als heute, und damit auch die Zeitabläufe? Was sagen dann die og. Minutenangaben? Wie muss man die interpretieren?

  7. #7 Matthias Urlichs
    Nürnberg
    29. September 2017

    @Captain E. Ganz so einfach ist es nicht, denn für He-3 müssen zwei Protonen und ein Neutron zusammentreffen. Das ist viel unwahrscheinlicher als dass einfach ein He-3-Kern sich ein zusätzliches Neutron fängt, so dass die meisten He3 zu He4 mutieren konnten.

  8. #8 Captain E.
    29. September 2017

    @Matthias Urlichs:

    Das hört sich plausibel an. Es ist also entstanden, aber direkt weiter transmutiert.

  9. #9 Bullet
    29. September 2017

    äh, @ Harald:

    müsste direkt nach dem oben beschriebenen Urknall nicht die Dichteverhältnisse und damit auch die Gravitationsverhältnisse etwas anders gewesen sein als heute, und damit auch die Zeitabläufe?

    Hier redet man von 10^-30 Sekunden für die kosmische Inflation, die ja direkt nach dem Urknall einsetzen müßte, um die beobachteten Effekte zu erklären. Ich nehme an, daß das überwiegt…

  10. #10 Mirko
    zZ Sizilien
    29. September 2017

    Am Anfang hatte das Universum eine sehr hohe Dichte ähnlich einem schwarzen Loch? Ich nehme an, dass dann die Zeit also viel langsamer verging als zB auf der Erde heute. Wenn dann von einer Minute gesprochen wird, ist das doch sicherlich viel länger? Kann man ein Verhältnis für zB jede damalige Sekunde nach Punkt 0 angeben, wieviel das in heute wäre? Oder ist das zu dicht an der Singularität und die Quanteneffekte zu groß, so dass man nicht weiß, ob die RelTheorie anwendbar ist?

  11. #11 Mirko
    29. September 2017

    @Harald: Sorry, sehe jetzt erst, dass Du die Frage schon gestellt hattest

  12. #12 Krypto
    29. September 2017

    @Mirko:
    Das ist relativ: Welcher außenstehende Beobachter soll denn die Inflation gesehen haben? 😉
    Insofern gilt allen relativistischen Effekten zum Trotze schon dieser Sekundenbruchteil.
    Übrigens mehren sich die Stimmen, die eher gegen die Inflation sprechen…ist aber ne andere Baustelle.

  13. #13 Stephan
    30. September 2017

    #12
    ‘ ne Minute ist ‘ne Minute, genau !
    Außer der liebe Gott hätte zugesehen, aber von wo aus hätte er dies tun können ?

  14. #14 Mirko
    30. September 2017

    Danke. Die letzte Bemerkung ist mir nun aber völlig neu – kann das mal wer näher erläutern?

  15. #15 awmrkl
    30. September 2017

    @ Stephan

    Welcher “liebe Gott” eigentlich? Einer von den vielen? Was meinst Du damit?

  16. #16 Karl-Heinz
    30. September 2017

    @Mirko

    Am Anfang hatte das Universum eine sehr hohe Dichte ähnlich einem schwarzen Loch? Ich nehme an, dass dann die Zeit also viel langsamer verging als zB auf der Erde heute.

    Nö warum? Nachdem die Dichte überall konstant war, herrschte überall das gleiche Gravitationspotential, falls man es so mal sagen darf. Also nix mit der gravitativen Rot-/Blauverschiebung bzw. der Zeitdilatation.

  17. #17 Alderamin
    30. September 2017

    Zeitdilatation zu betrachten macht ja auch nur Sinn, wenn man zwei Systeme mit unterschiedlichem Zeitablauf vergleicht. Wenn man aber mitten drin im einzigen System steckt, dann fehlt jegliche externe Referenz, und dann gibt es eben nur genau den einen Zeitablauf dieses Systems. Wenn man in einer fensterlosen Kiste säße die stark beschleunigt würde, würde man auch nichts davon bemerken, dass die Zeit in der Kiste langsamer verginge (auch wenn man es sich aus der Beschleunigung herleiten könnte).

  18. #18 Metalgeorge
    3. Oktober 2017

    Möchte hier nur noch einen anderen Bereich für die Anwendung von Litium hervorheben,
    und zwar in der Form des Kristalls Litiumniobat (LiNbO3)
    https://de.m.wikipedia.org/wiki/Lithiumniobat

    Dieser künstlich hergestellter Kristall ist aus der heutigen Hochfrequenz Schaltungstechnik
    nicht mehr wegzudenken.
    Hatte Anfang der 80er Jahre im Rahmen einer Semesterarbeit die Aufgabe,
    das Verhalten von Lichtwellen in anisotropen Medien mittels Fastfouriertransformation
    auf einem Cray Supercomputer zu simulieren.
    Litiumniobat hat die herausragende Eigenschaft, dass man durch anlegen einer
    Spannung den Brechungsindex verändern kann.
    Du teilst einen Lichtleiter (LiNbO3) über ein Y auf in 2 Wege . An die 2 Bahnen
    legst du gegenläufige Spannungen und führst sie nacher über ein 2. Y wieder zusammen.
    Durch Phasenverschiebung der BI Änderung kannst du so eine Auslöschung beider
    Strahlen erreichen . Schon hast du einen Transistor mit dem du für damalige
    Verhältnisse Informationen mit wahnsinnigen Frequenzen (4GHz) übertragen kannst.
    Hauptsächlich darum weil LiNbO3 gleichzeitig ein sehr guter Isolator ist und bei diesen
    Schaltvorgängen so gut wie kein Strom fließt.

  19. #19 Metalgeorge
    3. Oktober 2017

    …habe irgendwie beim Lithium das h verloren:)