Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 557: Das verschwundene Hafnium und die Entstehung der Erde

Description

Wie schnell ist die Erde entstanden? Um das herauszufinden, br√§uchte man eigentlich eine Zeitmaschine. Zum Gl√ľck haben wir eine und die ist noch dazu radioaktiv! Mehr dazu erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterst√ľtzen m√∂chte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

Subtitle
Forschung mit der radioaktiven Zeitmaschine
Duration
649
Publishing date
2023-07-28 05:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/557-sternengeschichten-folge-557-das-verschwundene-hafnium-und-die-entstehung-der-erde
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
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Shownotes

Forschung mit der radioaktiven Zeitmaschine

Sternengeschichten Folge 557: Das verschwundene Hafnium und die Entstehung der Erde

Die Astronomie hat es nicht leicht. So gut wie alles, was sie untersucht, ist absurd weit weg. Man kann es nur anschauen, und √ľber die unvorstellbaren Entfernungen im Universum ist das nat√ľrlich nicht leicht. Trotzdem haben wir es im Laufe der Zeit geschafft, eine erstaunliche Menge an Wissen zu sammeln. Die Entfernung ist aber nur ein Problem, denn oft hat will man auch Dinge wissen, die prinzipiell nicht beobachtbar sind. Zum Beispiel die Entstehung der Planeten im Sonnensystem. Das ist vor 4,6 Milliarden Jahren passiert und wir haben keine Zeitmaschine, um das live ansehen zu k√∂nnen. Wir k√∂nnen probieren, andere Planetensysteme zu beobachten, die gerade dabei sind zu entstehen und daraus allgemeine Prinzipien abzuleiten. Wir k√∂nnen Computersimulationen erstellen, die in Modellen nachvollziehen, was damals passiert sein k√∂nnte. Aber wenn wir trotzdem irgendwas konkretes √ľber die Entstehung eines Himmelsk√∂rpers wie der Erde wissen wollen, brauchen wir auch konkrete Daten. Und √ľberraschenderweise geht das: Wenn wir wissen wollen, was bei der Entstehung der Erde passiert ist, m√ľssen wir uns mit Hafnium besch√§ftigen.

Hafnium ist ein chemisches Element und eines von den eher unbekannten. Im Alltag hat man so gut wie nie damit zu tun und man hat es auch vergleichsweise sp√§t entdeckt. 1912 hat man vermutet, dass es da noch ein stabiles chemisches Element geben muss, ein Atom das 72 Protonen im Atomkern haben muss. Immerhin kannte man ja schon die Elemente Lutetium und Tantal, die 71 beziehungsweise 73 Protonen im Atomkern hatten und da w√§re es komisch gewesen, wenn es nicht auch eines mit 72 Protonen geben w√ľrde. Entdeckt hat man es aber erst 1923, in Kopenhagen und darum hei√üt es auch so, wie es hei√üt: Hafnia ist der lateinische Name der d√§nischen Hauptstadt.

Hafnium ist nicht sonderlich h√§ufig und es kommt in der Erdkruste auch nicht in Reinform vor sondern nur in Verbindung mit dem Element Zirconium. Wenn man Hafnium auf chemischen Weg in Reinform gewinnt, dann kriegt man ein silbrig gl√§nzendes Schwermetall, das trotzdem weich und biegsam ist. Weil es so wenig davon gibt und so schwer zu gewinnen ist, kommt man aber selten in die Verlegenheit, es bearbeiten zu m√ľssen. Es wird eigentlich haupts√§chlich als Steuerstab in Kernreaktoren verwendet, weil es sehr korrosionsbest√§ndig ist und sehr gut die bei einer Kernspaltung freiwerdenden Neutronen aufnehmen kann. Aber weil es so teuer ist, wird es nur vom Milit√§r verwendet, f√ľr Atom-U-Boote oder so; da kann man es sich anscheinend leisten.

Wir interessieren uns aber aus einem anderen Grund f√ľr Hafnium. So wie fast jedes chemische Element hat es auch Isotope, also Variationen des Atoms, wo der Kern zwar immer noch 72 Protonen hat, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen. Am h√§ufigsten ist Hafnium-180, das 108 Neutronen im Kern hat, es gibt aber insgesamt 35 Isotope und manche davon sind radioaktiv; das hei√üt, sie sind nicht stabil und zerfallen nach einer gewissen Zeit. Insbesonder Hafnium-182 tut das und zwar mit einer Halbwertszeit von circa 9 Millionen Jahren. Soll hei√üen: Von einer gewissen Menge an Hafnium-182 ist nach 9 Millionen Jahren die H√§lfte zerfallen, nach weiteren 9 Millionen Jahre die H√§lfte von der verbliebenen H√§lfte, und so weiter. Das Element, in das sich Hafnium-182 durch seine Radioaktivit√§t umwandelt ist Wolfram, genauer gesagt das Isotop Wolfram-182 und das zerf√§llt nicht mehr weiter.

Und das ist zwar alles sehr interessant; erkl√§rt aber immer noch nicht, wie wir damit in die Vergangheit zur Entstehung der Erde schauen k√∂nnen. Die Sache wird deutlicher, wenn wir uns klar machen, dass Hafnium-182 auch bei Supernova-Explosionen auf nat√ľrlichem Weg erzeugt wird. Das Isotop kann auch in den √§u√üeren Schichten von sterbenden Roten-Riesensternen gebildet werden. So oder so wird das Hafnium dann im All verteilt und gelangt in die Wolken aus Gas und Staub, aus denen neue Sterne und Planeten entstehen. Und wenn diese Stern- und Planetenentstehung nicht allzu lange nach der Explosion der Supernova beziehungsweise dem Tod der Roten Riesen erfolgt, dann haben die entstehenden Planeten auch ein bisschen Hafnium-182 dabei.

Also: Gehen wir davon aus, dass in der N√§he der kosmischen Wolke aus der das Sonnensystem entstanden ist, ein paar sterbende Sterne Hafnium-182 verteilt haben. Und dass die Planeten bei ihrer Entstehung auch ein bisschen Hafnium-182 als Baumaterial zur Verf√ľgung hatten. Was hilft uns das jetzt, mehr als 4,5 Milliarden Jahre sp√§ter? Nach dieser enorm langen Zeit ist definitiv auch das letzte Hafnium-182-Atom l√§ngst zerfallen. Das stimmt, aber wir sind ja noch nicht fertig. Hafnium ist ein sogenanntes lithophiles Element. Das hei√üt, es bleibt eher dort, wo sich Fels und Gestein befinden; siliziumhaltiges Material. Wolfram, das Element in das Hafnium zerf√§llt ist dagegen ein kleines bisschen siderophil. Das bedeutet "eisenliebend" und deswegen treibt sich Wolfram eher dort herum, wo sich auch das Eisen rumtreibt.

Jetzt m√ľssen wir uns noch kurz √ľberlegen, was passiert, wenn ein Planet entsteht. Und keine Sorge: Am Ende wird sich alles wunderbar zusammenf√ľgen. Ein Planet der gerade erst dabei ist, zu entstehen, ist undifferenziert. Das hei√üt, die ganzen chemischen Elemente aus denen er besteht, sind mehr oder weniger gleichm√§√üig durchmischt. Ich k√∂nnte ein St√ľckchen von seiner √§u√üersten Schicht nehmen und eines aus dem tiefsten Inneren und beide St√ľcke w√ľrden mehr oder weniger gleich aussehen. Wenn ein Planet gro√ü genug ist, beginnt er irgendwann, sich zu differenzieren. Das hei√üt, die chemischen Elemente sortieren sich nach ihrem Gewicht. Schweres Zeug, wie Eisen sinkt immer tiefer in den Planeten hinein und das leichte Material, wie Gestein, bleibt au√üen. Das ist auch bei der Erde passiert und deswegen hat unser Planet ja auch einen Kern, der vor allem aus Eisen besteht mit einer Kruste aus Gestein au√üen rum.

Mit diesen Informationen haben wir jetzt alles beisammen, was wir brauchen, um ein paar Details der Erdentstehung zu erforschen. Denn eine offene Frage lautet ja zum Beispiel: Wie schnell geht das mit der Differenzierung eines Planeten? Entsteht der Kern gleich nachdem der Planet selbst sich gebildet hat oder dauert das l√§nger? Diese Frage l√§sst sich mit Hilfe des verschwundenen Hafniums beantworten. Stellen wir uns nochmal die gerade erst gebildete Erde vor. Und schauen, was passieren w√ľrde, wenn ihr Kern sich schnell bildet. Dann war noch nicht genug Zeit f√ľr das Hafnium-182 zu Wolfram-182 zu zerfallen. Und weil das Hafnium eben lithophil ist und gern dort bleibt, wo auch das Gestein bleibt, bleibt es auch au√üen und sinkt nicht mit dem Eisen in den sich bildenden Kern. Dort, in der Kruste der Erde, zerf√§llt das Hafnium dann in Wolfram. Wie w√ľrde die Sache aussehen, wenn sich der Kern erst sp√§t bildet? Dann ist das Hafnium schon l√§ngst zu Wolfram zerfallen, wenn die Differentierung beginnt und dieses Wolfram sinkt, weil es eisenliebend ist, mit dem Eisen in den Kern. Im ersten Fall haben wir einen Planeten mit Wolfram in der Kruste und im zweiten Fall einen Planeten mit Wolfram im Kern. In den Kern der Erde k√∂nnen wir nicht schauen, aber wir k√∂nnen Material aus der Erdkruste analysieren und schauen, wie gro√ü die Menge an Wolfram-182 dort ist.

In Wahrheit ist es nat√ľrlich wie immer viel komplizierter, denn es gibt auch noch andere Wege, wie Wolfram-182 erzeugt werden kann, zum Beispiel durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung. Aber man kann das alles entsprechend analysieren und am Ende aus der Menge an Wolfram-182 rausfinden, wie schnell die Erde ein differenzierter Planet geworden ist. Das Ergebnis: Recht flott! 30 Millionen Jahre nach dem Beginn der Planetenentstehung war die Erde schon quasi fertig. Obwohl es gerade bei der Erde ein wenig knifflig ist, weil da ja noch die gigantische Kollision war, bei der der Mond entstanden ist und die hat alles ein wenig durcheinander gebracht. Aber auch hier hat die Hafnium-Wolfram-Uhr geholfen: Wir k√∂nnen ja auch Mondgestein entsprechend analysieren und daraus das Alter des Mondes bestimmen. Daraus folgt, dass er circa 30 bis 50 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems entstanden ist. Die Erde war also vermutlich gerade "fertig" mit ihrer Entstehung, als ihr ein anderer, circa marsgro√üer Planet in die Quere gekommen ist und bei dieser gewaltigen Kollision ist der Mond entstanden. Apropos Mars: Auch Marsmeteorite wurden ja schon gefunden und wenn wir uns die anschauen, dann zeigt sich, dass unser Nachbarplanet ein wenig √§lter ist. Er muss schon ungef√§hr 10 Millionen Jahre nach Beginn der Planetenentstehung fertig geworden sein. Oder vielleicht auch: nicht fertig geworden sein, denn dieses geringe Alter deutet darauf hin, dass er gar nicht den vollen Prozess durchlaufen hat, wie es bei der Erde der Fall war. Er w√§re dann quasi ein Planeten-Embryo und es kann gut sein, dass der gro√üe und schnell wachsende Jupiter mit seinen gravitativen St√∂rungen in seiner N√§he daf√ľr gesorgt hat, dass Mars nicht genug Baumaterial bekommen hat, um ein ebenso gro√üer Planet wie Erde oder Venus zu werden.

Wir k√∂nnen auch andere Meteoriten mit der Hafnium-Wolfram-Methode untersuchen, denn die Meteoriten stammen ja von den Asteroiden, die nichts anderes sind, als der ganze Rest der Planetenentstehung; die Bausteine, die damals √ľbrig geblieben sind. Je nach Art der Meteoriten kriegt man da ein Alter von weniger als einer Million bis zu drei Millionen Jahren.

Die Hafnium-Wolfram-Uhr ist keine Zeitmaschine, aber doch eine wunderbar kreative Methode, um in die Vergangenheit des Sonnensystems zu schauen. Und wer wei√ü, was f√ľr Methoden wir noch finden und was wir mit denen dann √ľber unsere Entstehung entdecken werden.