Mehrere Dutzend schwarzer Zylinder, jeder mannshoch, beherrschen das Bild der Produktionsanlage der Gemesis Corporation in der kleinen Stadt Sarasota in Florida. Die Zylinder sehen aus wie Destillationsapparate für die Branntweinproduktion. Doch es wird kein Schnaps gebrannt, es werden Diamanten hergestellt. Genauer gesagt: Hier werden die geologischen Bedingungen exakt nachgeahmt, unter denen Diamanten entstehen. Nur dauert es nicht Tausende Jahre, bis aus Kohlenstoff ein Diamant geworden ist, sondern nur vier bis sieben Tage. Die synthetischen Steine entstehen wie ihre natürlichen Verwandten bei großer Hitze und unter großem Druck. Dieser Prozess wird von einer Produktions-Software gesteuert, die zwischen 500 und 1200 für die Prozesse wichtige Werte, wie Hitze und Druck, überwacht. Schon kleinste metallische Verunreinigungen oder Stickstoffabgaben im Mikrogramm-Bereich, verändern das Endresultat.
Nur wenn die einzelnen Diamantschichten vollkommen gleichmäßig aufkristallisiert werden, ist das Endprodukt von einem natürlichen Stein auch unter dem Mikroskop nicht mehr zu unterscheiden. „Das ist ein hochkomplexer Prozess“, sagt Stephen Lux, Vorstandschef der Gemesis Corporation, deren Mit-Gründer Robert Chodelka die wissenschaftliche Basis für das Herstellungsverfahren gelegt hat. Grundlage des Produktionsverfahrens ist selbstredend Kohlenstoff. Den geben die Materialwissenschaftler in eine Keramikkapsel, direkt auf eine dünne Diamantschicht, und die Software sorgt für eine feine Dosierung von einem Lösungsmittel für Metalle sowie etwas Nickel und Eisen. Die Kapsel wird jetzt auf mehr als 1600 Grad Celsius erhitzt und einem Druck von mehreren Atmosphären ausgesetzt.
Das lässt die Atombindungen des Kohlenstoffs zerbrechen. Die herausgebrochenen Kohlenstoffatome in der Keramikkapsel müssen danach zur Diamantschicht wandern, um dort eine stabile Verbindung mit den Diamantatomen einzugehen. Dafür müssen nicht nur Temperatur und Druck, Nickel- und Eisenabgaben oder die Stickstoffzufuhr ständig variiert werden: Den Kohlenstoffatomen müssen „Pfade“ zu den Diamantatomen gezeigt werden. Die Pfade bestehen aus einem Lösungsmittel für Metalle, das in unterschiedlichen Konzentrationen aufgebracht wird. So wächst dann Atom für Atom und Schicht für Schicht ein Diamant heran. Bei einem gelben Diamanten dauert dieser Kristallisationsprozess ungefähr 80 Stunden, ein blauer Diamant liegt bei mehr als 100 Stunden. Je nach Farbe muss mit unterschiedlichen Stickstoffgaben gearbeitet werden.
© Hersteller
Diamanten-Produktion bei Gemesis in Florida
Eine besondere Herausforderung stellt die Produktion weißer Diamanten und kleiner farbloser Steine dar, die in der Industrie eingesetzt werden, zum Beispiel in Bohrsystemen. Diese kleinen farblosen Steine kommen in der Natur so oft vor, dass sich ihre Synthese bis zum Jahr 2010 überhaupt nicht lohnte. Doch eine verbesserte Softwareversion hat die Produktion selbst für farblose Steine wirtschaftlich interessant werden lassen. Farbige Steine werden von der Schmuckindustrie nachgefragt. Diese sind zwar ungefähr 30 Prozent preiswerter als in Minen geschürfte Diamanten, erlauben aber, erhebliche Mittel in die Syntheseverfahren zu stecken. Die produzierten, synthetischen Klunker sind in der Regel höchstens daumennagelgroß, wobei sie theoretisch noch größer werden könnten, doch dann wird selbst die Synthese unwirtschaftlich.
Und nicht nur in Florida arbeiten die Alchemisten der Neuzeit: Gut 1000 Kilometer entfernt befasst sich die Entwicklungsabteilung der „Scio Diamond Technology Corporation“ in Hudson in Massachusetts mit dem Thema. Erst vor wenigen Wochen haben die Forscher des eigentlich in South Carolina ansässigen Diamantproduzenten ihre neuen Laboratorien in Betrieb genommen.
Hier wird eine andere Herstellungstechnik weiterentwickelt. Die vom ehemaligen Gemesis-Chefwissenschaftler Robert Chodelka entwickelte Methode nennt sich HPHT-Verfahren. H steht einfach für High, P Pressure und T für Temperature.
Die Spezialisten von Scio verwenden eine aus dem Computerbereich bekannte Methode, die in der Literatur unter dem Namen „Chemical Vapour Desposition“ (VPC) beschrieben wird. Ursprünglich entwickelt wurde sie für die Produktion von Computerchips.
Hier geht es darum, mit Kohlenstoff-Nanostrukturen Diamanten im Labor herzustellen. Bei einem Diamanten ist jedes Atom mit vier weiteren Atomen verbunden, was die außerordentliche Härte bewirkt. Beim Graphit dagegen bilden die Kohlenstoffatome sechseckige Ringe, die parallel liegen. Mehrere Ringe schließen sich zu Graphitplatten zusammen, die eine so schwache Verbindung aufweisen, dass Graphitteilchen sich durch Reibung leicht ablösen lassen.
Spezialsoftware steuert den Prozess
Wenn die Kohlenstoffatome beim Graphit zu einem starren räumlichen Gitter umgelagert werden, entsteht ein Diamant. Diesen Effekt macht sich Scio zu Nutze. In einer Unterdruckkammer werden sogenannte Wafer - ganz kleine diamantene Plättchen - von Mikrowellen auf zirka 1200 Grad Celsius erhitzt und gleichzeitig einem Wasserstoff-Gas-Gemisch ausgesetzt.
Das ist ein schwierig zu kontrollierender Prozess, den eigens dafür entwickelte Laborcomputer, sogenannte „eingebettete Systeme“ mit einer Spezialsoftware steuern. Denn bei diesem Verfahrensschritt werden einzelne Elektronen abgetrennt, die eine Plasmawolke bilden. Das muss extrem kontrolliert erfolgen. Aus der Plasmawolke lösen sich - je nach zugesetztem Wasserstoff-Gas-Gemisch und unterschiedlich regulierter Temperatur - Graphitteilchen heraus, die in genau berechneten Abständen auf die Diamant-Wafer fallen.
So wachsen in den Reaktoren in Hudson und in Greenville die Diamant-Wafer mit einer Geschwindigkeit von ungefähr einem Millimeter in 48 Stunden zu diamantenen Körnern heran, die nach drei bis sechs Tagen aus der Unterdruckkammer entnommen, geschnitten und poliert werden, um anschließend als Diamanten verkauft zu werden.
Die Qualität der so hergestellten Diamanten ist ganz direkt von der Produktionssoftware abhängig. Schon kleine Abweichungen bei den Druck-Parametern, dem Zeitverlauf der Temperatur oder bei der Plasmabildung führen zu Brüchen und Rissen bei in den einzelnen Diamantschichten. Sowohl das Druck-Temperatur-Verfahren (HPHT) als auch das Unterdruck-Verfahren mit der Plasmawolke (VPC) konnten erst dann vorzeigbare Ergebnisse erbringen, als die Software für die Prozesssteuerung optimal funktionierte. Mit den jetzt entwickelten Softwareversionen sind die Produktionsprozesse so optimiert worden, dass 97 Prozent der produzierten synthetischen Diamanten den Anforderungen der Schmuckbranche entsprechen und geschliffen zu Schmuckstücken verarbeitet werden können. Als man mit den ersten Versuchen begann, waren noch 95 Prozent der Produktion Ausschuss.
Juweliere, Steinehändler und Vertreter der Diamantminenindustrie witterten da natürlich Gefahr und monierten, es gebe auf Grund der optimierten Produktionsverfahren für den Juwelier keine Chance mehr, die so hergestellten Steine von natürlichen Diamanten zu unterscheiden.
Prüfung durch Fachgutachter und Experten
Die Redakteure der populären amerikanischen TV-Sendung „Good Morning America“ wollten das nicht glauben und legten Fachgutachtern und Experten drei unterschiedliche Diamanten zur Prüfung vor. Zwei davon waren echt, der dritte stammte aus dem Labor von Patrick Doering. Das Ergebnis: Ohne Laborausrüstung wurden alle Steine als natürliche Diamanten klassifiziert. „Auch der Doering-Diamant bekam erstklassige Noten für die vier C - colour, clarity, cut, carat“. Sogar der eingesetzte Diamanten-Tester piepste bei allen drei Testkandidaten und bescheinigte deren Echtheit. Erst unter ultraviolettem Licht verriet sich der synthetisch hergestellte Stein. Einige Vertreter der Schmuckbranche gerieten daraufhin in Panik. Andere wie der Chef einer Diamantschleiferei in Idar-Oberstein, Dieter Hahn, der die Branche auch in den internationalen Standardisierungs-Gremien vertritt, sehen das pragmatisch. „Ich habe kein Problem mit synthetisch hergestellten Diamanten, so lange das seriös läuft“, sagt er gegenüber dieser Zeitung. Und seriös läuft es für erfahrene Diamantiers, wenn die Steine aus der Retorte auch als solche gekennzeichnet sind und der Käufer dann weiß, was er da erwirbt.
Da machen auch die Hersteller von synthetischen Diamanten gern mit. Sie kennzeichnen die Steine aus der Keramik-Kapsel oder Unterdruckkammer nicht nur, sondern veröffentlichen auch wichtige Verfahrensparameter, so dass entsprechende metallische Rückstände oder spezifische Wachstumsstrukturen und Kristallformen als Unterscheidungsmerkmale zu geschürften Diamanten von den gemmologischen Laboratorien verwendet werden können.
Der Markt für synthetische Diamanten in den Vereinigten Staaten und Kanada hat sich aufgrund der hohen Produktionsgüte ausgesprochen stark entwickelt. Die Verkaufszahlen in Europa sind dahinter zurückgeblieben. Doch Gemesis-Chef Stephen Lux glaubt, dass seine Branche hier noch aufholen kann. „Die neuen Produktionsverfahren erlauben uns, Steine von makelloser Reinheit und in herrlichen Farben herzustellen“, lobt er sich selbst und argumentiert, die seien aufgrund des Preisunterschiedes zu den Diamanten aus der Mine immer gefragter.
Moissanite
Micha Siebert (michasb)
- 13.08.2012, 10:02 Uhr
