2. Wasserstoff und die unendlichen Weiten

Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Dichte des Planeten erheblich kleiner ist als die der Erde. Die mittlere Dichte der Erde beträgt etwa 5,5 t pro Kubikmeter. Ein Planet, der nicht zum Großteil aus Eisen besteht, hätte zwar wahrscheinlich ein erhebliches Strahlungsproblem, da ihm das Magnetfeld fehlen würde, um ihn vor kosmischer Strahlung zu schützen. Auf der anderen Seite könnte seine Dichte aber auch erheblich geringer sein. Die Dichte von Quarz, aus dem beispielsweise die äußerste Kruste der Erde zu großen Teilen besteht, beträgt nur etwa 2,7 t pro Kubikmeter. Ein Quarzplanet könnte theoretisch genauso groß wie die Erde sein, aber trotzdem eine geringere Schwerkraft haben.

Jadzia berichtet, dass die Beiden dank intensiven Trainings bis zu vierzig Minuten im gleichen Raum verbringen konnten. Für eine andere Spezies als Menschen mag das realistisch sein. Ein Problem könnte aber der Explosionsschutz sein. Selbst wenn keiner der Beiden in der Atmosphäre des anderen ein- und ausatmet – um zu „atmen“ besteht Explosionsgefahr. Wenn sie sich unterhalten wollen, dann müssen sie zwangsweise ausatmen. Dadurch entsteht eine Mischung aus Luft und Wasserstoff, auch als Knallgas bekannt. Ganz zu schweigen davon, dass beim Betreten des Raums sich die Atmosphären mischen würden. Die Explosionsgrenzen von Wasserstoff sind sehr viel breiter als die anderer brennbarer Gase. Das heißt, dass schon vergleichsweise geringe Wasserstoffkonzentrationen in Luft (oder Sauerstoffkonzentrationen in Wasserstoff) explosionsfähig sind. Es lässt sich also nur hoffen, dass die beiden Nichtraucher sind (wobei dieses Laster in der Zukunft von Star Trek ohnehin nicht mehr allzu verbreitet zu sein scheint).

Oft wird nicht reines Ethanol getankt, sondern Benzin wird nur ein gewisser Anteil biologisch gewonnenen Ethanols zugesetzt. E10 bedeutet beispielsweise, dass es sich um einen Ottokraftstoff mit 10 % Ethanolanteil handelt.

Daher stammt auch der Begriff Oxidation. Dieser leitet sich vom Wort Oxygenium ab, was die latinisierte Form eines eigentlich aus altgriechischen Bestandteilen gebildeten Worts mit der Bedeutung „säurebildend“ ist und letztlich nichts anderes als die lateinische Bezeichnung für Sauerstoff (daher kommt das O als Elementsymbol für Sauerstoff).

Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Atombindung oder kovalente Bindung. Die negative Ladung der Elektronen zwischen den positiven Atomkernen wird von diesen beiden angezogen, sodass die Atome aneinandergebunden sind.

Idealerweise sollte die Siedetemperatur sogar deutlich unter der Umgebungstemperatur liegen. Es wäre schließlich sehr unerfreulich, wenn die Atmosphäre anfängt zu kondensieren, nur weil auf dem Planeten mal ein etwas kälterer Tag ist.

Chlor war eines der vielen Giftgase, die man im Ersten Weltkrieg eingesetzt hat, um seine Mitmenschen in großer Zahl umzubringen.

Die Erdatmosphäre, die wir atmen, besteht auch nur zu etwas mehr als einem Fünftel aus Sauerstoff. Das reicht nicht nur aus. Es ist sogar gut so, weil reiner Sauerstoff wieder ein zu starkes Oxidationsmittel wäre und Schaden im Körper anrichten würde.

Man denke nur an die Verdunstung von Wasser. Bei 20°C verdunstet Wasser, obwohl seine Siedetemperatur viel höher ist, weil der Wasserdampf von der Luft verdünnt wird, was quasi einen niedrigeren Druck simuliert.

Auf den ersten Blick mag es widersinnig erscheinen, dass ein Vorgang bei dem etwas aufgenommen wird, Reduktion heißt. Schließlich heißt reduzieren ja verringern und nicht vermehren. Etwas verständlicher wird es, wenn man an die Begriffsgeschichte denkt. Reduktion wurde (analog zur Oxidation) urtümlich als das Entziehen von Sauerstoff verstanden. Dabei verringert sich tatsächlich die Masse des reduzierten Stoffs.

Diese Vorstellung ist deshalb etwas vereinfacht, weil man strenggenommen nicht sagen kann, dass ein Stoff diese bestimmte Menge an Energie enthält. Die Energie hat nämlich keinen Nullpunkt. Deshalb kann man immer nur Energiedifferenzen angeben. In der Praxis behilft man sich damit, dass man die Energie einer chemischen Verbindung als Unterschied zur Energie der Elemente, aus denen sie aufgebaut ist, angibt.

In unserer Biochemie spielt Wasserstoff tatsächlich eine sehr große Rolle. Er tut das aber nicht als elementarer Wasserstoff, das heißt als H₂-Molekül, das nur aus zwei Wasserstoffatomen besteht. Vielmehr ist Wasserstoff Teil größerer Moleküle, die neben Wasserstoff vor allem aus Kohlenstoff und meistens Sauerstoff aufgebaut sind.

Da Atome und Moleküle sehr klein sind, zählt man in der Chemie nicht die einzelnen Atome oder Moleküle, sondern fasst 6,022 · 10²³ zu einem Mol zusammen (das ist eine Zahl mit 24 Stellen). Das ist aber immer noch nicht besonders viel an Masse. Ein Mol Wasser wiegt gerade einmal 18 g oder entspricht als Volumen ausgedrückt 18 Millilitern.

Dafür verdoppelt sich quasi die Verbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen. Man spricht deshalb auch von einer Doppelbindung.

Das Prinzip ist seit Langem bekannt. Seit über 150 Jahren wird es angewendet und das Produkt nennt sich Margarine. Margarine ist nichts anderes als Fett, bei dem alle ungesättigten Fettsäuren zu gesättigten umgewandelt wurden. Dadurch wird das Fett haltbarer.

Wenn schwere, radioaktive Elemente per Alpha-Zerfall aus dem Leben scheiden, dann wird dabei ein Alphateilchen frei, was nichts weiter ist als der Kern eines Heliumatoms. Sobald dieser zwei Elektronen aus der Umgebung eingesammelt hat, ist ein ganz normales Heliumatom entstanden. Da solche Alpha-Zerfälle im Inneren der Erde in großer Zahl stattfinden (und im Lauf der Erdgeschichte stattgefunden haben), hat sich einiges an Helium im Erdgas angesammelt. Je nach Erdgaslagerstätte kann Helium bis zu 16 % des Erdgases ausmachen. Technisch wird Helium durch Abtrennung aus Erdgas gewonnen.

Ultrahochvakuum spielt in der Chemie beispielsweise eine Rolle bei der Untersuchung von Oberflächenstrukturen von Katalysatoren. Befände sich zwischen dem Sensor und den Atomen der untersuchten Struktur noch Luft, dann würde diese das Ergebnis stark verfälschen. Einerseits würde man statt den Atomen der Oberfläche teilweise die Moleküle der Luft vermessen, andererseits würden beispielsweise Elektronenstrahlen, die man zur Untersuchung einsetzt, mit den Molekülen der Luft kollidieren und abgelenkt werden.

Die chemische Thermodynamik erklärt beispielsweise, warum beim Verdampfen einer Mischung aus Wasser und Alkohol nicht erst der Alkohol verdampft und dann erst das Wasser. Auch wenn man unter der Siedetemperatur von Wasser, aber über der von Alkohol liegt, verdampfen immer beide. Der Alkohol reichert sich lediglich etwas stärker in der Dampfphase an als das Wasser. Umgekehrt ist der Alkohol beim Kochen einer Weinsoße nicht irgendwann „verkocht“. Was man in der Soße schmeckt ist nicht irgendein ominöser Alkoholgeschmack, der beim Verdampfen des Alkohols zurückbliebe, sondern einfach der Alkohol, der nicht vollständig verdampft ist. Dass es so zu einer sauberen Trennung käme, ist ein verbreitetes, aber völlig unsinniges Missverständnis.

Teilchen meint an dieser Stelle nicht unbedingt Partikel, sondern kann einzelne Atome, Moleküle oder Ionen, also elektrisch geladene Atome oder Moleküle, bezeichnen.

Dieser Kohlenstoff musste dabei isotopenrein sein. Das heißt, dass nur das häufigste Kohlenstoffisotop C-12 in diesem Gramm vorkommen durfte.

Strenggenommen folgt die Diffusion eigentlich nicht dem Konzentrationsgradienten, sondern dem Gradienten des chemischen Potenzials. Da das chemische Potenzial eines Stoffs vereinfacht gesagt dann hoch ist, wenn die Konzentration des jeweiligen Stoffs hoch ist, reicht es in der Praxis fast immer anzunehmen, dass die Diffusion dem Konzentrationsgradienten folgt. Das Ganze funktioniert nicht mehr, wenn wir beispielsweise an Extraktion denken. Dabei diffundieren Moleküle aus einem Lösungsmittel mit niedriger Löslichkeit in ein Lösemittel mit höherer Löslichkeit. An der sogenannten Phasengrenze zwischen den beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten diffundieren die Moleküle dann eventuell aus einem Bereich mit niedriger Konzentration in einen Bereich mit hoher Konzentration. Das liegt daran, dass das chemische Potenzial nicht allein von der Konzentration abhängt, sondern auch davon, von welchen anderen (Lösemittel-)Molekülen es umgeben ist. In einem Lösemittel mit hoher Löslichkeit ist vereinfacht gesagt das chemische Potenzial bei gleicher Konzentration niedriger als in einem mit geringer Löslichkeit. Sieht man von diesem Spezialfall einmal ab, so ist die Annahme, dass die Diffusion dem Konzentrationsgradienten folgt, jedoch zumeist durchaus eine praktikable Vereinfachung.

Etwaige Astrophysiker unter den Lesern mögen das stark vereinfachte Bild der „Atmosphäre ohne Planet“ verzeihen. Tatsächlich verfügen viele Nebel über eine Art Zentralgestirn. Zum Beispiel können Nebel durch eine Supernova entstehen. Im Zentrum des Nebels befindet sich dann ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch. Von dort geht sogar eine gewaltige Gravitation aus. Allerdings hat ein Nebel, der durch eine Supernova entstand, eine ganz klare Bewegungsrichtung weg vom Zentrum. Anders als die Atmosphäre eines Planeten, die durch „Einsammeln von Außen“ entsteht, ist ein kosmischer Nebel nicht durch Einsammeln schwerer Elemente aus dem umgebenden Weltraum entstanden. Tatsächlich kann es in Nebeln, die aus Supernovae hervorgingen, allerdings durchaus einiges an schwereren Elementen geben. Diese werden nämlich tatsächlich primär in Supernovae gebildet. Ein zündfähiges Knallgasgemisch entsteht dabei jedoch nicht.

Das chemische Reaktionsgleichgewicht könnte sich hier als Problem erweisen. Unter dem Schlagwort „Prinzip von LeChatelier“ werden wir diesen Aspekt gleich noch behandeln.

Tatsächlich kann zwar jede Reaktion, die vorwärts ablaufen kann, auch rückwärts ablaufen. Strenggenommen wäre das aber nicht mal nötig, um ein Reaktionsgleichgewicht zu haben. Das Gleichgewicht stellt sich dann ein, wenn die Reaktion ein Minimum der Gibbs’schen Enthalpie erreicht hat. So ein Minimum gibt es bei jeder Reaktion und es liegt immer irgendwo zwischen gar keine und vollständige Reaktion (nie exakt bei gar keine oder vollständige Reaktion). Der entsprechende Ausflug in die chemische Thermodynamik führt hier allerdings etwas zu weit und würde einiges an Mathematik erfordern.

Der Begriff riesig ist chemisch gemeint. Natürlich ist der mittlere Abstand zwischen zwei Molekülen in einem interstellaren Nebel nur wenige Millionstel Meter groß. Für ein Molekül, das selbst nur wenige Hundertmilliardstel Meter groß ist, ist das aber ein unvorstellbar großer Abstand.

Ganz stimmt das nicht. Es gibt den sogenannten kinetischen Isotopeneffekt. Schwere Isotope reagieren chemisch in der Regel langsamer als leichtere Isotope des gleichen Elements. Zumindest bei Wasserstoffisotopen kann man diesen Effekt merklich feststellen.

Eine Kernfusion, also das Verschmelzen von Atomkernen, scheint im Fall von Metreon hingegen unwahrscheinlich. Metreonisotope sind offenbar sehr schwere Atomkerne. Das kann man deshalb sagen, weil alle leichten Elemente bereits bekannt sind. Die Ordnungszahlen 1 bis 92 sind bereits mit natürlich auf der Erde vorkommenden Elementen belegt. Danach kommen noch über zwanzig weitere, mittlerweile entdeckte künstliche Elemente. Die größten natürlichen Elemente sind schon sehr schwer. Die künstlichen nochmal deutlich schwerer. Jedes weitere Element muss noch viel schwerer sein. Während leichte Elemente zur Fusion neigen (selbst wenn sie trotzdem schwierig herbeizuführen ist), neigen schwere Elemente zur Spaltung. Bei einem derart schweren Element wie Metreon scheint daher nur Spaltung plausibel zu sein.

Chemisch gesehen ist Helium ein Edelgas und als solches nicht zu chemischen Reaktionen fähig. Das gilt für die anderen Edelgase genauso. Für einige davon (Krypton und vor allem Xenon) ist es im Labor allerdings schon gelungen, Reaktionen durchzuführen und dadurch Edelgasverbindungen herzustellen. Das funktioniert umso besser, je weiter unten im Periodensystem der Elemente das entsprechende Edelgas steht. Für das von allen natürlich vorkommenden Edelgasen am weitesten untenstehende Radon gibt es dazu wegen seiner Radioaktivität noch recht wenig Erkenntnisse. Für das darüberstehende Xenon funktioniert die Herstellung von chemischen Verbindungen zumindest unter Laborbedingungen mit großem Aufwand. Das darüberstehende Krypton kriegt man mit Fluor unter größtem Aufwand noch zu einer instabilen Verbindung umgesetzt. Aus dem weiter oben folgenden Argon ist es bisher nur gelungen, bei weniger als minus 260°C so etwas wie eine Verbindung zu erzeugen. Bei Neon wird es noch schwieriger und beim am weitesten obenstehenden Edelgas Helium braucht man nicht mal an eine Reaktion unter Laborbedingungen zu denken, von einer explosionsartigen Reaktion ganz zu schweigen.

Daneben hat Wasserstoff noch eine ganze Reihe anderer charakteristischer Wellenlängen für von ihm emittierten Lichts. Man spricht von sogenannten Spektrallinien. Charakteristisch sind die Spektrallinien deshalb, weil sie mit ihren konkreten Wellenlängen nur bei Wasserstoff vorkommen. Jedes andere Element hat ebenfalls Spektrallinien. Diese sind aber wieder für das jeweilige Element spezifisch. Diesen Effekt macht man sich nicht nur in der chemischen Analytik zunutze, sondern auch in der Astrochemie. Dabei geht es darum, die chemische Zusammensetzung von weit entfernten Himmelskörpern zu bestimmen (was allein schon deshalb spannend ist, weil es verraten könnte, ob außerirdisches Leben an einem anderen Ort des Weltalls grundsätzlich möglich wäre). Da man nicht mal eben so zu weit entfernten Exoplaneten hinfliegen kann, um eine Probe zu nehmen (zumindest nicht, bis Zefram Cochrane endlich den Warpantrieb erfindet), kann man solche Untersuchungen nur basierend auf Licht durchführen, das von den entsprechenden Stoffen emittiert oder absorbiert wurde.

Auf zwei Wasserstoffmoleküle muss für eine stöchiometrische Verbrennung ein Sauerstoffmolekül kommen. Ein Sauerstoffmolekül wiegt jedoch 16-mal so viel wie ein Wasserstoffmolekül. Man braucht deshalb zwar nur die halbe Menge an Sauerstoffmolekülen, aber die achtfache Masse an Sauerstoff.