Woher kommt Metall? Und wie wird es verarbeitet? E-Book

Alexander Meyerovich

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 144

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Was ist ein Metall? Woher kommt Metall? Wie wird es verarbeitet? Wie dient Metall den Menschen? Auf der Suche nach Antworten steht der Autor dieses Buches erst am Anfang. Im Buch berichtet er voller Leidenschaft für Kultur und Technik, über die Geschichte von Metallen und ihren Einfluss auf Entwicklung der menschlichen Gesellschaft.

Leseprobe

Über den Autor

Dr. Alexander Meyerovich, Jahrgang 1953, studierte anorganische Chemie und Hydrometallurgie der Buntmetalle an der Moskauer Staatlichen Universität für Stahl und Legierungen – MISiS (Nationale Universität Wissenschaft und Technologie MISiS in Moskau) und promovierte dort auf dem Gebiet der Hydrometallurgie der Edelmetalle.

Über 15 Jahre hatte er führende Positionen im Bereich Forschung und Entwicklung bei Internationalen Unternehmen in der Schweiz und Deutschland.

Die Ergebnisse seiner Arbeiten finden sich in mehr als 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen in den Büchern, Fachzeitschriften und 22 europäischen und internationalen Patenten. Er ist Autor erfolgreicher populärwissenschaftlicher Artikel und Bücher.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Was ist ein Metall?

Metalle – Archäologie – Geschichte der Zivilisation

Was sagt die Bibel über Metalle?

Erze: Förderung und Bearbeitung

Magische Zahl Sieben oder die historische Entwicklung der Metallgewinnung

Metalle bei Alchimisten. Scharlatane oder Wissenschaftler?

Neue Metallurgie: Erste Schritte zur Metallindustrie

Von Metallen zu Legierungen

Die Schätze der städtischen Müllhaufen

Geheimnisse der Nanowelt oder etwas über Nanometalle

Metalle und Kunst

Persönliche Angelegenheit von Gott Hephaistos

Eisernes Blut

Metalle und unsere Gesundheit

Nachwort

Verzeichnis der Abbildungen, Haftungsausschluss

Vorwort

Die Geschichte der Metalle ist sehr eng mit der gesamten Geschichte der Menschheit verbunden. Von der vordynastischen Zeit des Alten Ägyptens bis zum heutigen Tag war sie im Grunde genommen ein unverrückbarer Teil der Beschäftigung des Menschen. Wenn man über die früheren Etappen der Metallurgie spricht, kann man keine konkreten Schöpfer, keine präzisen Daten der Erfindungen nennen. In verschiedenen Regionen unseres Planeten wiederholten sie sich vielmals, man vergaß sie, bis sie wieder einen Weg in die alltägliche Praxis der Menschen fanden. Da es keine oder fast keine historischen literarischen Zeugen von antiker Zeit gibt, sagen die Metallartefakte oft vielmehr, als die anderen Zeitgenossen dieser Epoche erzählen können.

Was ist ein Metall?

Während wir aufwachsen, ist die Welt um uns herum interessant und vielfältig. Die kleinen Kinder beginnen sehr früh zu verstehen, dass ihre Spielzeuge aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Plastik, Holz und Metalle unterscheiden sich in der Form, dem Gewicht, Temperatur und Festigkeit. Alle Stoffe in der Natur bestehen aus chemischen Elementen. Sie können mit den Elementen des technischen Baukastens LEGO verglichen werden, aus die verschiedenen Gegenstände gebaut und modelliert werden können – egal, ob ein Haus oder ein Auto. Auch der Mensch und alle lebendigen Organismen auf unserem Planeten bestehen auch aus chemischen Elementen. Die chemische Elemente teilen sich auf in zwei große Gruppen: Metalle und Nichtmetalle. Heute reden wir über Metalle, deren Entdeckung und Verwendung eine der wichtigsten Errungenschaften der Menschheit ist. Metalle sind so fest in unserem Leben integriert, dass man sich ohne diese das Leben nicht vorstellen kann. Wie kann man heute z.B. ohne Besteck, Autos, Handys und Fernsehgeräte leben? Vor fast 300 Jahren wurde das Buch vom berühmten russischen Wissenschaftler M.V. Lomonossow mit dem Titel „Schriften zur Geologie und zum Berg- und Hüttenwesen“ veröffentlicht. In diesem Buch definierte Lomonossow die Metalle als: „Metall ist ein heller Körper, welchen man schmieden kann.“ Was ist denn eigentlich ein Metall?

Gemäß der allgemeinen Definition sind Metalle die einfachsten chemischen Elemente, einfachste Stoffe. Mit anderen Worten, sie sind Stoffe, aus welchen man keine andere gewinnen kann. Metalle (ihre Anzahl beträgt mehr als 90) bilden die größte Gruppe von chemischen Elementen, welche der modernen Wissenschaft bekannt sind.

Was haben Metalle gemeinsam?

Metalle unterscheiden sich von anderen Werkstoffgruppen (z. B. Keramik, Polymere etc.) durch ihre typischen Eigenschaften wie:

Festigkeit und Duktilität (Fähigkeit zur Aufnahme plastischer Verformungen);

elektrische und thermische Leitfähigkeit;

Reaktionsfähigkeit mit Sauerstoff, Säuren und Salzen (Korrosionsverhalten);

Reflexion von Licht (Glanz).

Diese Metalleigenschaften werden von Menschen aktiv genutzt. Das bedeutet aber nicht, dass diese Eigenschaften für alle Metalle gleich sind. Metalle teilen sich auf in Eisen und Nichteisenmetalle, die auch wegen der Färbung als Buntmetalle bezeichnet werden. Die Nichteisenmetalle teilen sich ihrerseits auf in schwere, leichte, edle, seltene, hochschmelzende, usw. Metalle befinden sich meistens in den Erzen – komplexen Verbindungen mit Schwefel, Sauerstoff, Kohlenstoff, auch als Legierungen – einem Verbund verschiedener Metalle. In der Natur treffen die reinen Metalle sehr selten zusammen. Nur Gold, Silber und Kupfer treffen sich auf der Erde, wie gediegene Metalle – in einem ziemlich reinen Zustand. So stammt auch Eisen aus Meteoriten, die auf die Erde fielen. Die Metallgewinnung lernte der Mensch beim Feuermachen kennen. Als unsere Vorfahren Feuer hatten, konnten sie das metallhaltige Gestein, das man Erz nennt, erhitzen. Dabei verbrannten die nichtmetallischen Stoffe oder blieben als Schlacke zurück. Um Metalle zu gewinnen und zu schmelzen, benötigt man eine höhere Temperatur, als des gewöhnlichen Lagerfeuers. Die Menschen mussten also lernen, die Metallerze zu erkennen und das Metall durch Verhüttung von Gestein zu trennen. Dafür gibt es unterschiedliche Technologien, mit welchen wir uns in den nächsten Kapiteln beschäftigen.

In solchen Öfen wurde Kupfer aus Erzen gewonnen.

Kupfer Scheibe. Einer der ältesten Kupferfunde nördlich der Alpen. Kr. Konstanz. ca. 3.900 v. Chr.

Goldbarren und Gußform aus Marmor mit Inschrift “C.CAESARIS AVG GERMANICI IMP EX NORIC“. 1. Jh. n. Chr. Bergbaumuseum, Bochum.

Die Entdeckung und spätere Beherrschung der Metalle stellten die Menschen vor besonderen Herausforderungen, denn der neue Werkstoff ließ sich nicht auf Anhieb gewinnen und bearbeiten. Die Schwierigkeiten, die mit der Beherrschung des Metalls verbunden waren, sind am langen Zeitraum abzulesen, der in Südwestdeutschland zwischen dem Auftreten einzelner Gegenstände aus Kupfer um 4000 v. Chr. und dem Beginnder Bronzezeit um 2300 v. Chr. liegt. Erst zu diesem Zeitpunkt zeugt eine große Anzahl der Metallfunde von einer echten Beherrschung des Werkstoffes. Ein großer Vorteil des Metalls bestand darin, dass das Material zerbrochener und unbrauchbar gewordener Gegenstände durch erneutes Einschmelzen wiederverwendet werden konnte.

Metalle – Archäologie – Geschichte der Zivilisation

Die archäologische Gliederung der Menschheitsgeschichte ist eng mit aufeinanderfolgenden Wechseln von Arbeitsmitteln und Waffen verbunden. Nach der Steinzeit folgte die Kupfer- und danach die Bronzezeit. Die letzte wurde durch die Eisenzeit abgelöst. Dementsprechend ändern sich mit der Zeit die Verfahren der Gewinnung und der Bearbeitung der Materialien. Es wurden neuere Methoden der Bearbeitung der Erde erfunden: Mit Hilfe von metallischen Arbeitsmitteln konnte man Felder schnell und effizient pflegen und somit den Ertrag erhöhen. Schlussendlich konnte man von der maximalen Ernte profitieren. Chemie, Physik, Geologie sind nur die wenigen Beispiele der neuen Wissenschaften, die daraus entstanden. Diese Entwicklungen wirken sich auch auf viele Berufe aus. Es entstanden neue Berufe: Schmied, Chemiker oder Alchemist und Juwelier. Schmiede studierten Metalleigenschaften in Abhängigkeit von Erwärmung und Abkühlung, entwickelten neue Legierungen. Das führte zur schnellen Rüstungsentwicklung. Die Länder, die die neuen Typen von Arbeitsmitteln und Waffen herstellten, entwickelten sich schnell. Mit Herstellung der Metallnägel änderten sich die Prinzipien des Haus- und Schiffbaus und die Transportmittel wurden modernisiert. Es wurde außerdem die Juwelierkunst entwickelt. Im alltäglichen Leben erschien das Geschirr aus Metall; dies beeinflusste die Kochkunst. Archäologische Zeugnisse aus Metall erlauben ein Urteil über Schutzrüstungen der alten Welt. Mit allen Fragen über Metalle – auch die Verfahren deren Herstellung und Bearbeitung – beschäftigt sich die Metallurgie. Eine Entwicklung der verschiedenen Wissenschaften stand auch in einem engen Zusammenhang mit der Metallurgie. Je breiter das Wissen über Metalle, desto besser war die Zivilisation entwickelt. Historiker leiden jedoch an einem Mangel an Fakten, um das gesamte Bild der Vergangenheit wiederherzustellen. Dafür brauchen sie schriftliche Zeugnisse. Nicht alle Völker hatten eine Schrift, und wenn eine existierte, war diese sehr primitiv in Form von Zeichnungen und Bildern, von denen einige bis heute geheimnisvoll geblieben sind. Archäologen finden oft verschiedene interessante Artefakte wie Tonscherben, Goldschmuck oder Waffen aus Bronze, aber die Handschriften auf Pergament und Papyrus sind jedoch sehr selten. Deswegen gehen Gegenstände oder deren Fragmente aus Metallen, welche sich in der Erde, im Unterschied zu den Schriften, besser halten, nicht verloren und stellen die wichtigsten historischen Zeugnisse dar.

Trotzdem könnte man einige Nachweise über die alten Verfahren der Gewinnung und Bearbeitung von Metallen aus literarischen sowie biblischen Texten entnehmen, die manchmal Informationen über Metallvorkommen und metallurgische Zentren erhalten. Vergessen Sie Indiana Jones! Manche der wichtigsten archäologischen Entdeckungen der Geschichte sind faszinierender als alle erfundenen Geschichten. Informationsquellen können archäologische Ausgrabungen und geheimnisvolle, wunderbare archäologische Entdeckungen sein, aber auch Reste der Bergbauzentren, Gegenstände (Tiegel, Arbeitsmittel usw.) und alte Deponierungen, die die metallurgische Produktion charakterisieren. Die Archäologie, die schon von den alten Griechen betrieben wurde, ist heute mit modernsten Forschungsmethoden in der Lage, den Horizont der Vergangenheit zu erweitern.

Die Rolle der Metalle in der Historie und Archäologie ist schwer zu überschätzen. Heute besitzt die Archäologie präzise wissenschaftliche Methoden der Bestimmung des Alters der Artefakte, welche in den Ausgrabungen gefunden werden. Man findet zum Beispiel bei Ausgrabungen ein Metallstückchen. Durch die Metallanalyse und einen Vergleich dessen Zusammensetzung mit anderen metallischen Artefakten aus bekannter Zeitperiode kann man herausfinden, aus welcher Epoche dieser Gegenstand stammt. Heute brauchen wir über die Herkunft und das Alter der Gegenstände nicht mehr die Stirn zu runzeln oder die Karten zu legen, da die Menge und die Zusammensetzung der Begleitelemente uns die nötigen Information darüber liefern - in welchem Jahrhundert ein bestimmtes goldenes Armband hergestellt wurde: siebenhundert Jahre vor Christi oder in der Regierungszeit des Königs Ludwig des Frommen im 9. Jahrhundert. Jedoch gibt es noch viele offene Fragen, auf Grund des heutigen Standes der Archäologie weiterhin bestehen. Eine große Bedeutung hat eine neue Richtung in der Archäologie – Archäometallurgie – eine Wissenschaft, welche die Elemente der metallurgischen Produktion wie Artefakten aus Metall, Schlacken, Tiegel, wie auch Ofenfragmenten und Blasdüsen studiert und untersucht. Studiert man die Geschichte der Metallurgie, kann die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft auf verschiedenen Etappen, auch die Handelsverbindungen der Völker und Länder nachverfolgen oder eine Analyse der Kultur in der Vergangenheit durchführen. Dank komplexer Untersuchungen der Berggruben, den Resten der Gießereien sowie der Metalle und Schlacken kann man die historische Entwicklung der Metallgewinnung abschätzen.

Maske von Silenos. Bronze, 1. Jh. v. Chr. Archäologiches Museum Nizza, Frankreich.

Amphora aus Priamosschatz, Troja. Gold, 3. Viertel 2. Jt. v. Chr. Puschkin-Museum, Moskau.

Messer mit Griff. Bronze, 7.-Mitte 6. Jh. v. Chr. Archäologisches Museum, Florenz, Italien.

Silberschmuck aus dem barbarischen Frauengrab. Mitte des 5. Jahrhundert n. Chr.

Die Analyse der archäologischen Artefakte, ihrer Formen und Zusammensetzungen kann sich auf Besonderheiten der Technologie stützen und helfen, Ereignisse der Vergangenheit zu rekonstruieren. Ein Fehler, den wir heute mit Vorliebe begehen, ist der, zu glauben, es sei alles schon entdeckt, was es auf dieser Welt zu entdecken gibt.

Was sagt die Bibel über Metalle

Wenn man der Bibel glaubt und zustimmt, dass Gott im Rahmen seines „Programms der Weltschöpfung“ alle Elemente in den ersten Tagen geschaffen hat, dann wussten Adam und Eva, die am sechsten Tag der aktiven Gottestätigkeit geschaffen wurden, von der Existenz der 96 Metalle, die sich im Periodensystem der chemischen Elemente von Mendelejew und Meyer befinden. Leider gibt es im Alten Testament nur eine Erwähnung von fünf Metallen. Metalle, die bereits im Altertum bekannt und in der Natur kaum verbreitet sind, erwähnt die Bibel öfter. Zum Beispiel wird Gold in der Bibel etwa 460 Mal erwähnt. Selten, circa 160 Mal, finden sich in der Bibel die Wörter Kupfer oder Bronze. Moses, der sein 1. Buch um 1513 v. Chr. schrieb, erwähnt in Verbindung mit dem Fluss Pischon eine Region, wo das Gold gewonnen und möglicherweise bearbeitet wurde: „Der erste heißt Pischon, der fließt um das ganze Land Hawila, und dort findet man Gold; und das Gold des Landes ist kostbar.“

Zu Beginn wurden Metalle und deren Erze wahrscheinlicher Weise in ziemlich reiner Form auf der oder in der oberen Schicht der Erdoberfläche gefunden. Später wurden dann Bergwerke angelegt. An erzhaltigen Gesteinsadern entlang wurden tiefe Schächte gegraben. Etwa vor 3600 Jahren beschrieb Hiob, dass Bergarbeiter eine Schacht gegraben hatten, fern von dort, wo Leute als Fremdlinge weilten: „Im Dunkel und im tiefen Schatten» gingen sie auf die Suche nach begehrten Metallen, indem sie sich hinunterließen und sich riskant baumeln ließen“ (Hi 28:1-11) und weiter: „Tatsächlich gibt es für Silber einen Fundort und eine Stätte für Gold, das man läutert; Eisen selbst wird direkt aus dem Staub genommen, und [aus] Gestein wird Kupfer ausgegossen.“ Zur Zeit des Auszugs der Israeliten aus Ägypten trieben die Ägypter viel Bergbau. Mose beschrieb das Gelobte Land, wohin die Israeliten kommen wollten, als «ein Land, dessen Steine Eisen sind, wo du Erz aus den Bergen hauen wirst.» Die Archäologen fanden auf der Sinai-Halbinsel um circa 80 km vom Berg Sinai ägyptische Türkise Bergwerke, und an der Ost-Küste des Roten Meers wurden die Reste des Bergbaus der Ägypter entdeckt.

Das 2. Buch Mose berichtet über Metallbearbeitung: „Und sie schlugen Goldplatten und schnitten sie zu Fäden, dass man sie in Kunstwerkerarbeiten unter den blauen und roten Purpur, den Scharlach und die feine Leinwand einweben konnte. Und sie machten an der Tasche Ketten wie gedrehte Schnüre, aus feinem Gold, und zwei Goldgeflechte und zwei goldene Ringe und hefteten die beiden Ringe an die beiden oberen Ecken der Tasche.“

Obwohl Eisen in der Natur sehr verbreitet ist und seine Produktion mehr als 300.000 Mal häufiger als Goldproduktion ist, wird es in der Bibel nur etwa 100 Mal erwähnt. Zum ersten Mal finden wir Information über Eisen im 1. Buch Mose. Dort steht, dass Kains Nachfahre, Tubal-Kain, der vor der Sintflut lebte, die Gegenstände aus Bronze und Eisen herstellte: „Tụbal-Kạin, der Schmied von jeder Art von Kupfer- und Eisenwerkzeugen.“ Die Ergebnisse der archäologischen Ausgrabungen bestätigen, dass Eisen früher bekannt war und der Mensch dieses aus dem Erz schmelzen lernte. Eisen wurde in Form der Meteoritenfragmente gefunden. Man benutzte es nicht nur als Arbeitsmittel, sondern sah auch einen Gegenstand der himmlischen Herkunft darin.

Als Symbol wird Eisen in der Bibel vor allem mit Waffen und Kriegsführung verbunden. Aus Eisen wurden Schwerte, Äxte und Beile, Pfeilspitzen und Speeren und später die ganze Rüstung hergestellt. In der ersten Phase der Eisenzeit im zweiten Jahrtausend vor Christus hatten die biblischen Völker Kanaan und Philister die Eisenwaffen. Im gleichen Zeitraum behielt bei den Israeliten Bronze seine Bedeutung und auch seine Wichtigkeit. Gemäß der Bibelüberlieferung verbieten die Philistern den Israeliten eigene Schmiede zu haben. Möglicherweise spielte das Verfahrensgeheimnis eine Rolle bei der Eisenherstellung. Die Bibel erzählt, dass die Israeliten Eisen nicht selbst schmelzen oder bearbeiten konnten; das machte sie von den Philistern abhängig: „Und alle Israeliten zogen jeweils zu den Philistern hinab, ein jeder, um sich seine Pflugschar oder seine Hacke oder seine Axt oder seine Sichel schärfen zu lassen.“

Die Bibel spricht nicht nur über Förderung und Verwendung von Metallen, sondern auch über deren Bearbeitung. Das Buch des Propheten Jesaja (740 und 701 v. Chr., Jes 40:19) erzählt: „Das hat der Künstler gegossen, und der Goldschmied überzieht es mit Gold und lötet silberne Kettchen daran.“ Und weiter (Jes 44:12): „Der Kunstschmied hat einen Meißel und arbeitet in der Glut und bildet es mit Hämmern und fertigt es mit der Kraft seines Armes.“ Obwohl in alter Zeit kein Eisen als ein Konstruktionsmaterial verbreitet war, wurden im 10. Jahrhundert v. Chr. unter König Salomo für die Ausstattung des Tempels in Jerusalem die eisernen Nägel und Konsolen verwendet: „Und Eisen in großer Menge für Nägel für die Türen der Tore und für Klam-mern bereitete David und auch Kupfer in solcher Menge, dass man es nicht wiegen konnte.“

Ein großer Teil des Kupfers, welches beim Tempelbau verwendet wurde, stammte von den Eroberungen seines

Abbildung aus dem Rechmirs Grab in Theben erzählt über Gewinnung und Bearbeitung von Metallen im Alten Ägypten. 1550-1292 v. Chr. © Foto Jean Vertut.

Golderzmühle 2. Stein, Ägypten, Neues Reich, 1550- 1070 v. Chr. Bergbaumuseum, Bochum.

Totenmaske von Chaemwaset (Sohn von Ramses II.). Blattgold, 1225 v. Chr. Louvre, Paris, Frankreich.

Vaters David in Syrien (1. Chronik 18:6–8). Das „gegossene Meer“, ein riesiges kupfernes Becken, das die Priester für Waschungen benutzten, konnte rund 66000 Liter fassen und mag an die 30 Tonnen gewogen haben (1. Könige 7:23–26, 44-46). Auch die zwei gewaltigen Säulen am Eingang des Tempels waren aus Kupfer. Sie hatten eine Höhe von 8 Metern und einen Durchmesser von 1,7 Metern. Innen waren sie hohl, und die Wände hatten eine Dicke von 7,5 Zentimetern. Die Kapitelle, die oberen Teile, waren über zwei Meter hoch (1. Könige 7:15, 16; 2. Chronik 4:17). Es ist absolut beeindruckend, was für Unmengen an Kupfer allein schon dafür gebraucht wurden.

In einer Grube verborgen, in Binsenmatten verpackt, entdeckten die Archäologen im Jahre 1961 weit über 400 Gegenstände zum Großteil aus Kupfer, darunter Kronen, Zepter, Arbeitsgeräte sowie Keulenköpfe und andere Waffen. Seine Existenz zeigt, dass die Gewinnung, Verhüttung und Verarbeitung von Kupfer schon sehr früh bekannt waren. Über die wichtige Bedeutung der Metalle sprechen die poetischen Strophen von Prophet Jesaja (Jes 60:17): „Statt Erz will ich Gold herbeibringen und statt Eisen Silber; statt Holz aber Erz und statt der Steine Eisen. Ich will den Frieden zu deiner Obrigkeit machen und Gerechtigkeit zu deiner Verwaltung.“

Erze: Förderung und Bearbeitung

Werkzeuge, Haushaltsgeräte, Waffen und Münzen: die Metallnachfrage steigte permanent. In den mexikanischen Gruben gewann man Gold, in den peruanischen – eine große Mengen Silber. In den europäischen Bergwerken wurden sowohl Silber, aber auch Kupfer, Blei, Zinn und Eisen gewonnen. Seit dem 16. Jahrhundert förderte man in England und Belgien große Mengen Steinkohle, welche als Brennstoffersatz der Holzkohle benutzt wurde. Viele Händler investierten große Geldsummen in die Ausbeutung der Erzvorkommen. Das führte zur Erhöhung ihres Vermögens und der Steigerung der Industrieentwicklung.