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Chemie : Wenn Chemiker die Natur im Aquarium nachahmen

  • -Aktualisiert am

Die bizarren Schornsteine der Hydrothermal-Quellen wachsen nicht nur am Meeresgrund.

          Dort, wo dicht unter der Erdoberfläche noch das Magma brodelt, trifft man häufig auf Geysire. In ihnen bahnt sich heißes Wasser - erhitzt vom aktiven Erdinneren - seinen Weg an die Oberfläche und schießt als Fontäne in die Luft. Geysire befinden sich allerdings nicht nur an Land. Das gleiche Prinzip spielt sich auch unter Wasser ab, nur unter anderem Namen: Hydrothermal-Quellen heißen die Orte, an denen sich unterhalb des Meeresbodens vulkanisch erhitztes Gestein befindet und heißes Wasser aufsteigen läßt.

          Tauchern bieten solche Stellen einen teils bizarren Anblick. Viele Hydrothermal-Quellen erinnern an eine Art geologischer Fabrik mit Schornsteinen, die aus dem Meeresboden ragen und dabei Höhen von bis zu dreißig Metern erreichen. Zwei Wissenschaftler von der University of Arizona in Tucson sind nun in einem Laborexperiment der Frage nachgegangen, welche Vorgänge zum Entstehen solcher Schornsteine führen.

          Wie entstehen die Röhren?

          Der grundlegende Mechanismus, der die mineralischen Ablagerungen entstehen läßt, ist schon länger bekannt: Wo das heiße, mineralreiche und saure Wasser aus den Quellen das umgebende kältere und basische Meerwasser trifft, spielen sich chemische Reaktionen ab. Dabei entsteht unter anderem Eisensulfid, das als fester Niederschlag in der basischen Umgebung des Meerwassers ausfällt, sich ablagert und dabei die mineralischen Strukturen der heißen Quellen bildet. Wie aber entstehen so komplizierte Formen wie Röhren?

          Offenbar spielt hier nicht nur aufsteigendes heißes Wasser, sondern auch Gas eine entscheidende Rolle. Um dies genauer zu untersuchen, bedienten sich David Stone und Raymond Goldstein eines aquarienähnlichen Glasbehälters von rund zehn Zentimetern Höhe, der mit einer wässerigen Lösung von Eisen-Ammoniumsulfat gefüllt war. Das Gas lieferte den Wissenschaftlern die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff: Am Boden des Gefäßes installierten sie dazu eine Kathode, darüber, in etwa acht Zentimetern Entfernung, die Anode. An der Kathode bildeten sich Wasserstoff-Bläschen. Zusätzlich entstanden Ammoniakgas und Hydronium-Ionen, die das Wasser in der Nähe der Elektrode basisch werden ließ. Die übrige Lösung hatte einen einen Säuregrad von 2,5.

          Magnetfeld krümmt die Röhren

          Die entscheidende chemische Reaktion ließ sich nun - auf Video gebannt - anhand einer der vielen entstehenden Blasen studieren. An der Grenzfläche zwischen einer Blase und der umgebenden Lösung von Eisen-Ammoniumsulfat reagierte das basische, ammoniakhaltige Innere der Blase mit der sauren, eisenhaltigen Umgebung. Auf der Blase entstand dabei eine dünne Haut aus sogenanntem Grünem Rost, einer speziellen Form von Eisenoxyd. Jedesmal, wenn sich die Blase von der Kathode trennte und nach oben stieg, zerplatzte die dünne Haut aus Grünem Rost. An der Elektrode blieb ein Ring des festen Eisenrostes zurück. Mit jeder neuen Blase lagerte sich mehr und mehr Grüner Rost am bereits vorhandenen Ring an, bis allmählich eine kleine Röhre in die Höhe wuchs. In der Röhre verwandelte sich der Grüne Rost nach und nach in andere Formen von Eisenoxyd wie Magnetit und Lepidokrokit, die sich Schicht für Schicht ringförmig nach außen an der Röhre anordneten. In einem weiteren Experiment haben Stone und Goldstein den Einfluß von Magnetfeldern auf das Wachstum der Röhren untersucht. Diese wuchsen nun nicht mehr gerade in die Höhe, sondern gekrümmt und - scheinbar spontan - in verschiedene Richtungen. Wie die beiden Forscher in den "Proceedings" der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (Early Edition) berichten, dürften hierfür die mikroskopischen Eisenrost-Anlagerungen innerhalb der Röhren verantwortlich sein, die sich entlang der Feldlinien ausrichten und dadurch die Richtung der wachsenden Röhre bestimmen.

          Mit ihren Experimenten konnten die Wissenschaftler zwar den Mechanismus der Röhrenentstehung ein Stück weit aufklären. Daß sich ihre Erkenntnisse aber nur auf ein vereinfachtes Laborsystem beziehen, zeigt bereits die unterschiedliche Zeitskala von Experiment und Natur. Während das Wachsen der Röhrchen im Labor ein bis zwei Stunden dauert, benötigen natürliche Röhren am Meeresboden für ihr Wachstum gut und gerne mehrere tausend Jahre.

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