3. Atome einmal ganz anders

Ein wichtiges Beispiel für einen Brennstoff, der Sauerstoff enthält, ist Ethanol, das als Biokraftstoff Benzin zugesetzt wird. Verbrennungstechnisch haben sauerstoffhaltige Brennstoffmoleküle sowohl Vor- als auch Nachteile. Ein Vorteil ist, dass sie oft sauberer verbrennen. Es bildet sich weniger Ruß und die Feinstaubproblematik ist daher weniger ausgeprägt. Ein Nachteil ist wiederum, dass die Moleküle gewissermaßen schon teiloxidiert sind. Der erste Schritt der Verbrennung ist quasi schon abgelaufen. Dementsprechend lässt sich die Energie, die bei diesem ersten Reaktionsschritt der Oxidation freigesetzt würde, nicht mehr nutzen. Der Energieinhalt von sauerstoffhaltigen Brennstoffen ist daher niedriger. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Moleküle polarer sind als reine Kohlenwasserstoffe. Dadurch kann sich mehr Wasser in sauerstoffhaltigen Brennstoffen lösen. Dieses Wasser erhöht Gewicht und Volumen des Brennstoffs, nicht aber seinen Brennwert. Obendrein muss es bei der Verbrennung mitverdampft werden. Das erfordert Energie, wodurch die effektiv nutzbare Energie der Verbrennung sinkt.

Angesichts der Tatsache, dass Wachs nicht nur einfach ein einzelner, reiner Stoff, sondern eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe ist und jeder dieser Kohlenwasserstoff auf verschiedene Weisen in Bruchstücke zerfallen kann, ergibt sich allein bei diesem Schritt schon eine unglaubliche Zahl an Einzelreaktionen.

Grundsätzlich denkbar wäre allerdings auch, dass die erhöhte Geschwindigkeit der Atome, die man in der Episode sieht, das Resultat eines subatomaren Eingreifens von Kes ist. Gelänge es ihr, die Verbrennung durch subatomare Eingriffe zu beschleunigen, dann würde das letztlich zu einer höheren Temperatur führen. Dadurch würden sich die Atome und Moleküle entsprechend schneller bewegen.

Die Heisenbergsche Unschärferelation, die wir noch kennenlernen werden, käme an dieser Stelle als weitere Herausforderung dazu. Das wollen wir hier aber erstmal nicht weiter betrachten.

Dieses Beispiel verdeutlicht wieder, dass selbst das Erkennen von Dingen, die genauso groß wie die entsprechenden Sinneszellen sind, nicht möglich ist. Zumindest nicht, wenn man ortsaufgelöst erkennen will, wo das Ding ist oder gar wie es im Detail aussieht. Grundsätzlich wahrnehmen lassen sich Moleküle allerdings schon. Genau das tun unsere beiden chemischen Sinne (Geschmack und Geruch). Diese Sinne können aber eben nur grundsätzlich erkennen, dass die entsprechenden Moleküle da sind. Außerdem müssen die Moleküle zum Körper kommen. Der Geruchssinn ist kein Fernsinn, der Moleküle ohne direkten Kontakt wahrnehmen könnte.

Der eine oder andere mag an dieser Stelle einwenden, dass man durch einen Meter Luft ohne Probleme sehen kann. Für ein Sinnesorgan, das wie das menschliche Auge verhältnismäßig große Objekte optisch erfasst, ist das in der Tat kein Problem. Für ein Sinnesorgan, das (auf welche Weise auch immer) einzelne Moleküle „sieht“, sind die Moleküle der Luft hingegen wahrscheinlich doch ein Problem.

Wenn man ein Objekt maßstabsgetreu so verkleinert, dass das Originalobjekt mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 m nur noch 10 cm misst, dann verringert sich die Masse auf ein Tausendstel, weil das Volumen (und bei konstanter Dichte damit auch die Masse) kubisch mit dem Durchmesser skaliert. Das heißt, wenn man die Länge mit einem Faktor ein Zehntel multipliziert, dann wird das Volumen mit einem Faktor ein Zehntel hoch drei multipliziert; in anderen Worten: ein Tausendstel.

Die deutsche Redewendung „in Luft aufgelöst“ würde hier auch nicht passen, da Luft ja immer Materie ist und obendrein das Volumen beim Übergang in die Gasphase nicht abnimmt, sondern stark ansteigt.

Entschuldigung. Es handelt sich natürlich um zwei erwachsene Menschen und eine Trill. Für die Rechnung spielt die Frage, ob es sich um Menschen oder Außerirdische handelt, aber weiter keine Rolle.

Mit der Dichtigkeit ist es in diesem Fall genaugenommen so eine Sache. Selbst wenn das Gehäuse luftdicht ist, dann ist es luftdicht für normale Sauerstoffmoleküle. Die von Dax hineingebeamten Moleküle sind aber ja um ein Vielfaches kleiner. Gase kleiner Moleküle tendieren sehr viel stärker dazu, durch alle noch so kleinen Ritzen oder sogar durch das Material der Wandung selbst hindurch zu diffundieren, als große Moleküle das tun (Wer einmal versucht hat etwas so abzudichten, dass Wasserstoff, das kleinste aller realen Molekül, nicht entweichen kann, kennt das Problem; bei den noch kleineren Molekülen von der geschrumpften Rubicon wird dieses Problem sicher noch ausgeprägter sein).

Das soll bitte nicht als Aufforderung missverstanden werden, Kleintiere aus dem Fenster zu werfen, um zu testen, ob sie sich wirklich nicht verletzen.

Wann, welche Versuche in welchem Umfang gerechtfertigt sind, ist eine schwierige ethische Frage, über die es sehr unterschiedliche Ansichten gibt. Diese verschiedenen Ansichten haben wahrscheinlich durchaus alle ihre Berechtigung. In Deutschland gibt es mit den äußerst länglichen Paragraphen 7 bis 10 des Tierschutzgesetzes dazu gesetzliche Vorgaben. Aber das entbindet niemanden davon, immer wieder selbst die entsprechenden ethischen Fragen zu stellen. An dieser Stelle bin ich wirklich froh, dass ich selbst an chemischen Energiespeichern und physikochemischen Grundlagen forsche. Aber auch wenn dabei keine Versuche an Lebewesen zum Einsatz kommen, sollte sich jeder Wissenschaftler immer wieder Gedanken über die ethischen Fragen im Zusammenhang mit seiner Forschung machen. Nicht nur, wenn man an Lebewesen oder Atombomben forscht, lohnt es sich, die eigene Forschung immer wieder neu mit Blick auf ihre ethischen Konsequenzen zu hinterfragen.

Der Punkt „seriös“ ist leider ein großes Problem. Es gibt eine große Anzahl sogenannter „predatory publisher“ (deutsch: Raubverlage), die gegen Geld alles veröffentlichen. Das ist einer der Gründe, weswegen es in der Wissenschaft eine nicht unerhebliche Rolle spielen kann, wo etwas veröffentlicht ist. Bei einer bekannten, seriösen Fachzeitschrift kann man davon ausgehen, dass der Prüfungsprozess ordnungsgemäß abgelaufen ist. Das Journal diesbezüglich einordnen zu können, erfordert aber eine gewisse Erfahrung bei den Wissenschaftlern und ist für Laien oft schwer nachvollziehbar.

Diese Frage zielt natürlich sehr stark auf Versuche an Lebewesen, aber sie ist keineswegs darauf beschränkt. In den Onlineplattformen einiger Journale zur Einreichung der Gutachten muss man sogar explizit eine Auswahl treffen, ob man irgendwelche ethischen Probleme bei der entsprechenden Forschung sieht (das System stellt einem als Gutachter diese Frage mitunter sogar automatisch, wenn es um eine theoretische Arbeit zu Energiespeichern geht).

An der Stelle kann man natürlich die Frage stellen, ob die menschliche Entscheidung, entsprechende Versuche an anderen Spezies durchzuführen, nicht Parallelen zum Verhalten der Srivani hat. Ganz offensichtlich praktizieren die Srivani die entsprechenden Versuche aber nicht nur, sondern kennen auch keinerlei Gründe, diese aus irgendwelchen ethischen Gründen irgendwie zu beschränken.

Das Spektrum des Lichts hat in der Chemie eine große Bedeutung. Schon im ersten Semester (und hoffentlich vorher schon im Chemieunterricht in der Schule) muss jeder Chemiestudent Praktikumsversuche zur Flammenfärbung durchführen. Hält man beispielsweise ein Natriumsalz in eine Flamme, so ändert sich die Farbe der Flamme infolge der charakteristischen Spektrallinien des Natriums und wird gelb. Bei einem Lithiumsalz würde sie rot und bei einem Kaliumsalz violett. Jedes chemische Element hat seine eigenen charakteristischen Spektrallinien, anhand derer man es optisch identifizieren kann. Einzelne Elemente wurden sogar so entdeckt. Eines davon wurde beispielsweise im Jahr 1868 entdeckt, als man bei der Untersuchung der Chromosphäre der Sonne während einer Sonnenfinsternis eine unerklärliche, helle gelbe Spektrallinie fand. Da diese Linie keinem bekannten Element zugeordnet werden konnte, wurde gefolgert, dass sie von einem bisher unbekannten Element stammt. Dieses Element nannte man schließlich nach dem griechischen Wort für Sonne Helium.

Genaugenommen besteht der Atomkern (abgesehen vom einfachsten Wasserstoffisotop) wiederum aus mehreren kleineren Teilchen; allen voran die Protonen und Neutronen, die dann wiederum durch Vermittlung von weiteren Teilchen zusammengehalten werden. Für die Chemie ist nicht immer, aber doch zumeist (und so auch hier) die Zweiteilung in Atomkern und Elektronen ausreichend, da chemische Bindungen über die Elektronen vermittelt werden.

Was dem Trekkie bei diesem Modell nur noch fehlt, um endgültig glücklich zu sein, sind Monde, die um die Elektronen kreisen. Dann wäre es wirklich perfekt.

Elektronen sind in der Chemie enorm wichtig, weil sie letztlich die Bindung zwischen Atomen zu Molekülen vermitteln. Außerdem werden sie bei einer sehr wichtigen Klasse von chemischen Reaktionen, den Redoxreaktionen, von einem Atom auf ein anderes übertragen. Protonen werden ebenfalls bei einem bestimmten Reaktionstyp übertragen. Das sind die sogenannten Protolysen oder Säure-Base-Reaktionen. Dabei wird kein Elementarteilchen aus einem Atomkern herausgenommen und auf einen anderen Kern übertragen. Vielmehr handelt es sich einfach nur um ein positiv geladenes Wasserstoffatom (oder besser -ion). Der Atomkern des wichtigsten Wasserstoffisotops besteht schlichtweg nur aus einem einzelnen Proton und wenn man diesem Atom sein einziges Elektron wegnimmt, dann bleibt als Wasserstoffion nur noch das Proton zurück. Bei der Protolyse werden diese Protonen von einem Säuremolekül auf ein Basemolekül übertragen.

Das Myonium könnte man als eine Art Atom aus anderen Elementarteilchen verstehen. Bei diesem, 1960 von einem Team um Vernon W. Hughes entdeckten Gebilde kreist (wie bei konventionellen Atomen) ein Elektron um ein Antimyon. Das Myonium hat damit eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Wasserstoffatom. Seine Masse ist aber deutlich kleiner. Gleiches gilt indes auch für seine Lebensdauer. Die liegt im Bereich von Mikrosekunden.

Strenggenommen geht es bei der Heisenbergschen Unschärferelation nicht um eine Unschärfe in der Geschwindigkeit, sondern im Impuls. Der Impuls ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Wenn wir mal davon ausgehen, dass die Masse eines Teilchens fix ist, dann ist es letztlich die Geschwindigkeit, deren Genauigkeit über die Heisenbergsche Unschärferelation mit dem Ort gekoppelt ist. Die Grenze in der Genauigkeit ergibt sich aus dem Produkt der Genauigkeit von Ort und Impuls. Dieses Produkt kann nicht größer sein als das Planksche Wirkungsquantum. Da dieses Wirkungsquantum mit einem Wert von etwa 0,00000000000000000000000000000000066 J·s sehr klein ist, fällt der Effekt in der Praxis kaum ins Gewicht. In unserem Fall verursacht die Heisenbergsche Unschärferelation hingegen ernsthafte Probleme.

Der gleiche Effekt hätte höchstwahrscheinlich auch der Besatzung der geschrumpften Rubicon aus unserem vorherigen Beispiel Schwierigkeiten bereitet. Die 1 cm großen Menschen hätten ihn noch nicht sichtbar beobachten können, aber mit den geschrumpften Atomen hätte ihre Biochemie wahrscheinlich bereits angefangen, sich deutlich anders zu verhalten, als sie eigentlich soll.