Geburtsstunde Gold und Silber - so entstanden die Edelmetalle

Neutronensternkollision wird zum Geburtshelfer

Die Bildung neuer Elemente erfordert extrem hohe Temperaturen. Beispielsweise entstehen im Inneren der Sonne bei der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium Temperaturen von 10 Mill. Grad. Um schwerere Elemente bilden zu können, bedarf es aber weit höherer Temperaturen. Lange war man der Ansicht, eine Supernova, also die Explosion eines Sterns am Ende seiner Lebenszeit, könnte ausreichend hohe Temperaturen hervorrufen, um Edelmetalle bilden zu können. Es konnte aber gezeigt werden, dass dabei zwar eine große Zahl von Elementen, aber fast keine Edelmetalle gebildet werden; dies ist Modellsimulationen zufolge erst bei der Kollision und Verschmelzung zweier Neutronensterne der Fall.[1] Neutronensterne, die ihrerseits aus Supernova-Explosionen hervorgehen und eine extrem hohe Dichte aufweisen, umkreisen sich in hoher Geschwindigkeit und bewegen sich dabei spiralförmig aufeinander zu, bis sie schließlich verschmelzen und zu einem Schwarzen Loch zusammenfallen.

Dabei entstehen hochenergetische Blitze (Gammastrahlen) bzw. kosmische Explosionen, die nur noch vom Urknall übertroffen werden und in einer Sekunde mehr Energie freisetzen als unsere Sonne im Verlauf ihrer gesamten Existenz.[2] Es kommt zu Temperaturen von bis zu einer Billion Grad, den höchsten, die überhaupt im Universum entstehen, hunderttausendmal höher als im Inneren der Sonne. Komplexen computergestützten Berechnungen zufolge führt dies zur Bildung von schweren Elementen wie Silber.[3] Es lässt sich somit auch nachvollziehen, warum diese Metalle zu den wenigen gehören, die in der Erdkruste auch in elementarer Form vorkommen. Eine Neutronensternverschmelzung findet in unserer Galaxis nur alle paar Millionen Jahre statt.[4] Angesichts von mehr als 100 Mrd. Sternen in der Milchstraße, von denen über die Hälfte in Doppel- oder Mehrfachsternsystemen vorkommen, ist das erstaunlich selten. Angenommen, sie fände in der Milchstraße und allen anderen Galaxien des Universums durchschnittlich alle 10 Mill. Jahre statt, käme es bei rund 100 Mrd. Galaxien etwa einmal pro Stunde irgendwo im Weltall zu einem derartigen Inferno. Es entstehen dabei enorme Druckwellen, wodurch Materie weit in den interstellaren Raum geschleudert wird.

Eine solche Neutronensternverschmelzung hat sich vor viereinhalb Mrd. Jahren unweit unseres heutigen Sonnensystems ereignet, das seinerzeit noch nicht existierte. Dieser Teil des Weltraums war von einer undifferenzierten, vom Urknall stammenden Staub- und Gaswolke (Ur-Wolke) aus Wasserstoff und Helium erfüllt.[5] Infolge der Neutronensternkollision und der damit einhergehenden Energiestrahlung und Materiebefeuerung verdichtete sich die Wolke und wurde mit Materie – sog. Sternenstaub – angereichert, u.a. schweren Metallen. Sie wurde dadurch zudem aktiviert, sodass die Materie zu rotieren begann. Das war der Start zur Bildung tausender neuer Sterne, u.a. unseres Sonnensystems. Die Neutronensternkollision war somit der Geburtshelfer unserer Erde, letztlich aber auch der Edelmetalle.

Erdkern „verschluckt“ Edelmetalle der Protoerde

In der Anfangsphase des Entstehungsprozesses des Sonnensystems begannen sich Staubteilchen zu verklumpen und zu Billionen von Planetesimalen zu verdichten.[6] Aufgrund ihrer Gravitation fusionierten diese miteinander und gewannen an Masse. Mit zunehmender Größe nahmen sie dann kleinere Planetesimale in sich auf. Es entstanden in der Folge die Protoplaneten, darunter auch die Protoerde. Anfänglich waren die Temperaturen auf der Protoerde sehr hoch, sodass sich ihre Oberfläche in einem gasförmigen bzw. flüssigen Zustand befand.[7] Da schwere Elemente wie Edelmetalle dazu neigen, sich in geschmolzenem Zustand mit Eisen zu verbinden, wurden sie in den eisen- und nickelhaltigen Kern des noch jungen Planeten gezogen.[8] Insofern dürfte es in der Erdkruste eigentlich gar keine Edelmetalle geben. Wie ist es somit zu erklären, dass diese dort trotzdem vorkommen? Auch dazu gaben Computersimulationen einen Hinweis: Die relative Häufigkeit der mit einer Neutronensternverschmelzung einhergehenden Bildung schwerer Elemente stimmt mit der in der Erdkruste ebenso wie mit der, die in auf der Erde niedergegangenen metallischen Meteoriten gefunden wurde, weitgehend überein.[9]

Edelmetalle der Erdkruste sind extraterrestrischen Ursprungs

Die Protoerde hatte anfänglich eine wesentlich geringere Masse als die Erde heute. Seinerzeit vagabundierte aber noch vergleichsweise viel interplanetare Materie durch das Sonnensystem, sodass die Protoerde damit zwangsläufig konfrontiert wurde. Ihre Masse nahm somit durch Einschläge kleinerer Himmelskörper zu, anfangs den noch zahlreich verbliebenen Planetesimalen, später dann Kometen, Asteroiden und Meteoriten. Wenn diese ins Gravitationsfeld der Protoerde gerieten, fügte sie diese ihrem noch nicht verfestigtem Körper hinzu, der noch keine Atmosphäre ausgebildet hatte, sodass die Himmelskörper relativ ungehindert einschlagen konnten. In dieser frühen Phase der Erdgeschichte kam es dann zu einem einschneidenden Ereignis: 30 Mill. Jahre nach ihrer Entstehung kollidierte sie mit einem Himmelskörper, der 10-15 % ihrer Masse aufwies.[10] Es ist leicht auszumalen, welch verheerende Wirkung ein frontaler statt seitlicher Zusammenstoß mit dem Planetesimal in Größe des Mars hätte haben können.

Durch die Kollision wurde Materie der Protoerde und des Planetesimals ins All geschleudert und im Erdorbit eingefangen, woraus sich der Protomond bildete, was aus einem Vergleich der Isotope im Erd- und Mondgestein abgeleitet werden kann.[11] Der Himmelskörper, der mit der Protoerde kollidierte, wird nach der Titanin, die die Mondgöttin Selene gebar, Theia genannt. Was auf den ersten Blick als verheerende Heimsuchung erscheint, war erdgeschichtlich in mehrfacher Hinsicht von zentraler Bedeutung: Theia hatte sich zwar im gleichen Abstand von der Sonne wie die Protoerde gebildet, da der Planetesimal aber viel kleiner als die Protoerde war, wirkte sich die Nähe zur Sonne hierauf grundlegend anders aus. So enthielt er beispielsweise jene flüchtigen Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die die Protoerde aufgrund ihrer anfangs sehr hohen Temperaturen und des Fehlens einer Atmosphäre ins All abgestrahlt hatte.

Die sich zuvor verflüchtigt habenden Elemente wurden der Protoerde nun durch Theia wieder zugefügt.[12] Dies war die Voraussetzung für die Bildung einer Atmosphäre sowie von Wasser und damit Leben auf der Erde. Ein weiterer von Theia bewirkter Effekt sollte von ausschlaggebender Bedeutung für die weitere Entwicklung der Erde werden: Der Protomond umkreiste anfänglich die Protoerde nur in einem Abstand von 60 Tsd. Kilometern, wodurch auf die Protoerde extreme Gezeitenkräfte einwirkten, zudem wurde sie eiförmig deformiert, was zu massiven Reibungskräften infolge der dadurch bewegten, zum Teil noch flüssigen Gesteinsmassen führte.[13] Die Rotationsgeschwindigkeit der Protoerde wurde hierdurch abgebremst und der Protomond entfernte sich. Dies hatte wiederum zur Folge, dass sich die Kräfte reduzierten, die auf eine Verdichtung des Erdkörpers und eine Anziehung schwerer Elemente in den Erdkern hinwirkten. Ohne Theia hätte die Erde heute vermutlich eine Dichte, die so hoch wäre, dass an eine Bodenbearbeitung nicht zu denken wäre, schon gar nicht an eine Edelmetallförderung. Ein weiteres Mal erwies sich somit eine kosmische Katastrophe apokalyptischen Ausmaßes als Glücksfall für die heutigen Lebensbedingungen unseres Planeten.

Die heute in der Erdkruste und im oberen Teil des Erdmantels enthaltenden Edelmetalle gelangten nach der Entstehung des Mondes und der damit einhergehenden Reduzierung der Rotation der Erdachse auf die Erde. Im Laufe der Zeit differenzierte sich die Erde aus und bildete zunächst den Erdmantel und schließlich die anfänglich flüssige, sich irgendwann dann aber immer mehr verfestigende Erdkruste aus. Die durch aufschlagende Himmelskörper auf die Erde gelangenden schweren Elemente landeten ab einem bestimmten Zeitpunkt dann nicht mehr wie zuvor in den Erdkern, sondern verblieben zum Teil in höheren Schichten des Erdballs. Es wird angenommen, dass die in der Erdkruste vorkommenden Edelmetalle vornehmlich von metallhaltigen Meteoriten mit einem Durchmesser von rund 20 Kilometern stammen, die in dieser Größe in der Lage waren, einen eigenen Kern auszubilden, in dem sie die dort eingeschlossenen Metalle transportieren konnten, die sie beim Aufprall auf der Erde dann dort freigaben.[14]

Erdgeschichtliche Prozesse laufen in extrem langen Zeiträumen ab. Es dauerte somit rund zwei Mrd. Jahre, bis sich die Oberflächentemperatur auf der Erde von 2000 auf unter 100 Grad abgekühlt, die Erdkruste weitgehend verfestigt und eine stabile Atmosphäre herausgebildet hatte. Mitentscheidend für die eintretende Abkühlung der Oberflächentemperatur und die zunehmende Verfestigung der Oberfläche war dabei die allmähliche Abnahme des Auftreffens von Himmelskörpern auf der Erde. In diesem Zeitraum muss die Erdkruste bzw. die obere Schicht des Erdmantels Edelmetalle und andere schwere Metalle gebunden haben, die ihr die auf sie treffenden Himmelskörper als Edelmetallreservoirs lieferten. Dies ist vermutlich vor drei Mrd. Jahren zum Abschluss gekommen, als die im Sonnensystem vagabundierende interplanetare Materie ausdünnte und sich eine stabilere Atmosphäre herausbildete, sodass die verbliebenen Himmelskörper nicht mehr ungehindert auf der Erde einschlagen konnten.

Einer abweichenden Theorie zufolge könnte es nach der Bildung der Protoplaneten eine Supernova-Explosion gegeben haben, die dafür sorgte, die Planeten mit Edelmetallen zu bombardieren.[15]Davon abgesehen, dass Supernovae nicht in der Lage sind, Edelmetalle in dem Umfang zu bilden, in dem sie auf der Erde vorkommen, ist diese Theorie aus zwei Gründen scheinbar nicht von der Hand zu weisen: Zum einen wäre dies eine gute Erklärung dafür, dass Edelmetalle in der Erdkruste relativ gleichverteilt und in Spuren weltweit in jedem Stein oder Erdklumpen vorkommen, zum anderen hätte die Ur-Wolke die Edelmetalle nicht binden müssen. Ein Planet könnte Metalle aufgrund seiner Widerstandskraft nämlich leicht auffangen, während eine Materiewolke schwere Metalle eher passieren würden, um ihren Weg im interstellaren Raum fortzusetzen. Dennoch ist die Theorie anzuzweifeln, denn es wäre dann wohl zu keiner Planetenbildung gekommen, da hierfür die notwendigen Elemente gefehlt hätten. Auch die Bildung der Sonne erforderte einen Energieschock, ohne den die Materiewolke nicht in Rotation versetzt und die notwendige Gravitationskraft nicht entstanden wäre, es sei denn, eine Supernova hätte dies ausgelöst, ergänzt durch eine spätere Neutronensternkollision. Das Zusammentreffen zweier derartiger Ereignisse in vergleichsweise kurzer Zeit auf relativ engem Raum erscheint allerdings eher unwahrscheinlich.

Seit der Entstehung der Erde dürften sich in der Milchstraße weitere knapp 500 Neutronensternkollisionen ereignet haben. So traf beispielsweise vor 439 Mill. Jahren energiereiche Gammastrahlung eines solchen Infernos auf die Erde, was die Ozonschicht auslöschte, sodass Tiere und Pflanzen der UV-Strahlung der Sonne schutzlos ausgesetzt wurden und 95 % der Arten ausstarben.[16] 200 Mill. Jahre danach begannen die Dinosaurier die Erde zu beherrschen, ehe vor 65 Mill. Jahren auch sie durch eine kosmische Katastrophe ausstarben, indem der Einschlag eines Meteoriten so viel Staub aufwirbelte, dass der Himmel sich verdunkelte, die Temperaturen sanken und die Dinosaurier ihrer Nahrungsgrundlage beraubt wurden. Dies war die einstweilen letzte Heimsuchung der Erde, die dem Menschen letztlich den Weg bereitete, selbst die Herrschaft über den Planeten zu übernehmen und heute u.a. Edelmetalle zu fördern.