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13. Aluminium (Al) - Das Metall der Moderne · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen
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Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
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Schlafreise durch vergessene Welten.
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Wir freuen uns sehr, wenn du unseren Podcast bewertest.
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Nun geht's los, Aluminium, Ordnungszahl, 13.
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Atommasse, 26,982 ein silbrig weißes Metall, leicht wie eine
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Feder, stark wie Stahl, in seinen Legierungen,
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allgegenwärtig in unserem modernen Leben und doch erst
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seit knapp 200 Jahren bekannt. Ein Element, das die Welt
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veränderte, das Flugzeuge fliegen ließ, das Stete formte,
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das in deiner Hand liegt, wenn du dein Smartphone hältst.
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Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste nach
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Sauerstoff und Silizium. Es macht etwa 8% der
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Krustensmasse aus. Trotzdem kannte die Menschheit
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Jahrtausendelang kein metallisches Aluminium, der
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Grund ist einfach, Aluminium ist so reaktiv, dass es in der Natur
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niemals elementar vorkommt. Es bindet sich sofort an
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Sauerstoff, an Silicium, an andere Elemente jeder Tonziegel,
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jeder Lehmklumpen, jeder Rubin und Saphir enthält Aluminium,
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aber niemand konnte es extrahieren.
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Die Alchemisten des Mittelalters arbeiteten mit Alaun, einem
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Aluminiumsalz, das zum Färben und Gerben verwendet wurde.
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Das Wort Alaun stammt vom lateinischen alumen.
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Doch das Metall selbst blieb verborgen.
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Im 18 Jahrhundert vermuteten Chemiker, dass in Tonerde
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Aluminiumoxid ein unbekanntes Metall stecken müsse.
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Der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Markgraf
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identifizierte 1754 Aluminiumoxid als eigenständige
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Substanz, unterschiedlich von Kalk und Magnesia.
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Der französische Chemiker Louis Bernard Guiton de Morvaux schlug
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1782 den Namen Alumine für das vermutete Metall vor.
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Der britische Chemiker Sir Humphrey Davy versuchte ab 1807
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vergeblich, es durch Elektrolyse zu isolieren.
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Er nannte das hypothetische Element Aluminum in seiner
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frühen Arbeit. Änderte es später zu Aluminium,
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um es phonetisch an andere Elemente wie Natrium, Kalium und
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Magnesium anzupassen. Interessanterweise verwendet die
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amerikanische Chemie bis heute Aluminium, während der Rest der
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Welt Aluminium bevorzugt. Der dänische Physiker Hans
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Christian Örstet gelangen 1825 der erste Durchbruch.
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Er reduzierte Wasserfreies Aluminiumchlorid mit
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Kaliumamalgam und erhielt winzige Kügelchen eines neuen
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Metalls. Die Menge war mikroskopisch,
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aber es war Aluminium. Der deutsche Chemiker Friedrich
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Wöhler verbesserte 1827 das Verfahren, er verwendete
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metallisches Kalium statt Amalgam und gewann größere
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Mengen. Wöhler beschrieb die
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Eigenschaften leicht silbrig, nicht rostend er bestimmte die
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Dichte zu etwa 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter.
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Nur ein Drittel der Dichte von Eisen.
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Doch die Produktion blieb extrem teuer, Kalium war kostbar, das
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Verfahren aufwendig, Aluminium war wertvoller als Gold Kaiser
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Napoleon III. Von Frankreich ließ sich
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angeblich Aluminiumbesteck anfertigen, das er bei
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besonderen Anlässen den wichtigsten Gästen vorbehielt,
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während gewöhnliche Gäste mit Goldbesteck vorliebnehmen
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mussten. Die Spitze des Washington
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Monument in Washington DC 1884 vollendet, besteht aus einem 2,8
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Kilogramm schweren Aluminiumblock, damals das
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größte gegossene Aluminiumstück der Welt.
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Kostbarer als die gesamte bronzene Statue, darunter die
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Wende, kam 1886 2 junge Männer unabhängig voneinander auf
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verschiedenen Kontinenten, entdeckten gleichzeitig das
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gleiche revolutionäre Verfahren. Charles Martin Hall in den USA
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war 22 Jahre alt, ein frischgebackener Absolvent des
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Oberlin College Pol Erulde. In Frankreich war ebenfalls 22,
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ein Student der Bergbauschule. Beide entwickelten die
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Elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid, gelöst in
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geschmolzenem Kryolith, einem seltenen Mineral aus Grönland.
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Das Hall erult Verfahren funktioniert so, Aluminiumoxid
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wird in geschmolzenem Kryolith bei etwa 960 Grad Celsius
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aufgelöst. Elektrischer Strom fließt durch
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die Schmelze an der Kathode, dem negativen Pol, wird Aluminium
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reduziert und sammelt sich als geschmolzenes Metall am Boden an
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der Anode, dem positiven Pol aus Kohlenstoff, entsteht
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Kohlendioxid, das Verfahren ist energieintensiv, benötigt etwa
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15 Kilowattstunden pro Kilogramm Aluminium, aber es funktioniert
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kontinuierlich und in großem Maßstab.
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Hall und Erul starben beide 1914 im gleichen Alter von 51 Jahren.
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Ihr Verfahren wird noch heute fast unverändert weltweit
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angewendet, es senkte den Preis von Aluminium dramatisch, was
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1886 etwa $12 pro Pfund kostete, mehr als Silber.
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Fiel bis 1890 auf etwa $2, bis 1900 auf 0,33€.
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Aluminium wurde erschwinglich gleichzeitig entwickelte der
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österreichische Chemiker Karl Josef Bayer 1888 ein Verfahren
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zur Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxit, dem
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häufigsten aluminiumhaltigen Erz.
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Barcit ist ein verwittertes Gestein, benannt nach dem Ort Le
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Beau in Südfrankreich, wo es 1821 entdeckt wurde.
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Es besteht hauptsächlich aus Aluminiumhydroxiden und Oxiden.
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Das Bayer aff Verfahren löst das Aluminiumhydroxid in heißer
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Natronlauge, trennt es von Eisenoxid und anderen
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Verunreinigungen und fällt es als reines Aluminiumhydroxid
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aus, das dann zu Aluminiumoxid kalziniert wird.
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Die Kombination von Bayer und halerylt Verfahren ermöglichte
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die moderne Aluminiumindustrie, die Weltproduktion stieg
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exponentiell. Im Jahr 1900 wurden etwa 8000
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Tonnen produziert, 1920 waren es 128000 Tonnen 1940 bereits 2,7
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Millionen Tonnen. Heute überschreitet die
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jährliche Produktion 65000000 Tonnen.
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Diese Zahlen erzählen die Geschichte der moderne Aluminium
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ermöglichte den Flugverkehr. Die Gebrüder Wright verwendeten
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1903, einen Aluminiumblock für das Kurbelgehäuse ihres Motors.
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Im ersten motorisierten Flug. Aluminium war leicht genug, dass
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der Motor nicht zu schwer wurde, ohne Aluminium wären die frühen
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Flugzeuge nie abgehoben, im Ersten Weltkrieg wurden die
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ersten Ganzmetallflugzeuge aus Aluminium gebaut, doch der wahre
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Durchbruch. Kam in den 1920er und 1930er
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Jahren die deutsche Junkers F 13 1919 erstmals geflogen, war das
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erste Ganzmetallverkehrsflugzeug die amerikanische Douglas DC 3
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erstmals 1935 geflogen, revolutionierte die kommerzielle
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Luftfahrt. Ihre Aluminiumkonstruktion war
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leicht, stark, dauerhaft. Die DC 3 konnte 21 Passagiere
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befördern, hatte eine Reichweite von 2400 Kilometern, flog mit
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270 Stundenkilometern über 16000 wurden gebaut, viele Fliegen
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noch heute, im Zweiten Weltkrieg wurden 10 tausende
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Kampfflugzeuge, Bomber, Transportmaschinen aus Aluminium
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gefertigt. Die Nachfrage trieb die
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Aluminiumproduktion auf Rekordniveaus.
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Nach dem Krieg wurde dieses Produktionskapazität für zivile
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Zwecke umgewidmet. Passagierflugzeuge, die
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Millionen Menschen über die Ozeane trugen, bestanden aus
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Aluminium, die Boeing 707, die Boeing 747, der Airbus a 380.
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Alle nutzen Aluminiumlegierungen für Rumpf, Flügel,
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strukturteile. Doch Aluminium veränderte nicht
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nur die Luftfahrt, es veränderte die Architektur, das Empire
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State Building in New York, 1931 fertiggestellt, verwendete
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Aluminium für fassadenelemente, Fensterrahmen, Dekorationsteile,
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die glänzende Spitze, die nachts erleuchtet ist aus Aluminium.
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Das Chrysler Building, ebenfalls in New York, hat eine ikonische
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Krone aus rostfreiem Stahl, aber viele Innenelemente aus
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Aluminium. In den 1900 50er und 1900 60er
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Jahren wurden Aluminiumfassaden populär, Wolkenkratzer,
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Einkaufszentren, Bürogebäude glänzten silbrig.
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Aluminium rostet nicht wie Eisen, es bildet eine schützende
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Oxidschicht, die weitere Korrosion verhindert.
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Diese Schicht ist transparent, unsichtbar, aber stark, sie
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erneuert sich selbst, wenn sie beschädigt wird, Eloxieren eine
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elektrochemische Behandlung, verdickt diese Schicht und kann
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sie einfärben. Eloxiertes Aluminium ist extrem
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langlebig, behält seine Farbe jahrzehntelang.
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Die Raumfahrt wäre ohne Aluminium undenkbar.
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Die Saturn 5 Rakete, die Apollo Astronauten zum Mond brachte,
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bestand größtenteils aus Aluminiumlegierungen, die
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Internationale Raumstation Is ISIS.
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Die mit 28000 Stundenkilometern die Erde umkreist, ist aus
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Aluminium und anderen Leichtmetallen gebaut.
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Jedes Gramm zählt beim Start in den Orbit, Aluminium bietet das
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beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, die
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Automobilindustrie entdeckte Aluminium als Möglichkeit,
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Fahrzeuge leichter zu machen, der Audi A 8.
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Seit 1994 mit Aluminium Karosserie produziert, war einer
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der Vorreiter. Heute verwenden fast alle
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Hersteller Aluminiumteile für motorblöcke, Räder,
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karosseriestrukturen ein leichteres Auto verbraucht
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weniger Kraftstoff, emittiert weniger Kohlendioxid, die
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Umstellung von Stahl auf Aluminium kann das
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Fahrzeuggewicht um 40% reduzieren.
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Doch Aluminium ist mehr als nur ein Konstruktionsmaterial es ist
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allgegenwärtig im Alltag. Getränkedosen aus Aluminium sind
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das am häufigsten recycelte Verpackungsmaterial der Welt,
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die erste Aluminium Getränkedose wurde 1958 eingeführt, heute
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werden jährlich über 300 Milliarden Aluminiumdosen
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produziert. Eine recycelte Dose kann
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innerhalb von 60 Tagen als neue Dose wieder im Regal stehen.
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Das Recycling von Aluminium spart 95% der Energie, die für
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die Primärproduktion benötigt wird, Aluminiumoxid aus Bauxit
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zu reduzieren, kostet etwa 15 Kilowattstunden pro Kilogramm
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Aluminium Einzuschmelzen kostet nur etwa 0,7 Kilowattstunden.
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Diese Energieersparnis ist enorm, etwa 75% des jemals
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produzierten Aluminiums sind heute noch in Verwendung, wurden
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mehrfach recycelt, Aluminium hat 13, Protonen, 14, Neutronen, im
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häufigsten Isotop und 13 Elektronen, die
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Elektronenkonfiguration ist 283 mit 3 Elektronen in der
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äußersten Schale. Diese 3 Elektronen gibt
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Aluminium leicht ab, um ein dreifach positiv geladenes Ion
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Al 3 plus zu bilden. In Aluminiumoxid al 2 o 3 sind
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aluminiumionen in einem Kristallgitter mit
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Sauerstoffionen gebunden. Diese Bindung ist so stark, dass
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Aluminiumoxid einen Schmelzpunkt von 2077 Grad Celsius hat.
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Einer der höchsten unteroxidischen Verbindungen
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korund, die kristalline Form von Aluminiumoxid ist extrem hart. 9
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auf der Moosskala nur übertroffen von Diamant
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Verunreinigungen färben Korund Spuren von Chrom ergeben Roten
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Rubin, Eisen und Titan ergeben blauen Saphir.
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Diese Edelsteine sind seit Jahrtausenden geschätzt.
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Niemand ahnte, dass sie hauptsächlich aus dem gleichen
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Metall bestehen, das heute Getränkedosen bildet, die
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Reaktivität von Aluminium ist paradox, es ist sehr reaktiv,
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sollte an der Luft schnell oxidieren wie Eisen rostet doch
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die Oxidschicht, die sich sofort bildet, ist so dicht, dass sie
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das darunterliegende Metall perfekt abschirmt.
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Diese Schicht ist nur wenige Nanometer dick, aber absolut
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Wasser und luftdicht. Sie macht Aluminium praktisch
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korrosionsfrei in normaler Umgebung in konzentrierter
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Salzsäure oder Natronlauge löst sich Aluminium jedoch auf, die
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Oxidschicht wird angegriffen, das Metall freigelegt.
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Diese Eigenschaft wird in der Ätzung genutzt.
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Künstler, Drucker, Halbleiterhersteller nutzen
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Geätzte Aluminiumoberflächen für komplexe Muster Thermit, eine
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Mischung aus Aluminiumpulver und Eisenoxid, reagiert bei
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Entzündung explosionsartig Aluminium entreißt dem Eisenoxid
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den Sauerstoff die Reaktion setzt enorme Hitze frei über
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2500 Grad Celsius. Geschmolzenes Eisen tropft
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heraus diese Reaktion wird zum Schweißen von Eisenbahnschienen
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verwendet. An Ort und Stelle, ohne externe
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Energiequelle werden schienen verbunden, die Züge über
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Kontinente tragen, Aluminium reflektiert Licht und Wärme,
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effizient poliertes Aluminium reflektiert über 90% des
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sichtbaren Lichts. Teleskope, Scheinwerfer,
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Solarkollektoren nutzen Aluminiumspiegel die riesigen
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Parabolspiegel von Radioteleskopen sind oft aus
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Aluminium. Das Arrecibo Observatorium in
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Puerto Rico. Bis zu seinem Einsturz 2020,
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hatte einen 305 Meter durchmessenden Reflektor aus
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Perforierten Aluminiumpanelen. In der Elektronik ist Aluminium
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Standardmaterial für Leiterbahnen in integrierten
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Schaltkreisen. Der Prozessor in deinem Computer
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enthält Milliarden mikroskopische Aluminiumdrähte,
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die Transistoren verbinden, jeder Draht ist Nanometerbreit
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dünner als ein Virus, zusammen ermöglichen sie die
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Berechnungen, die unsere digitale Welt antreiben.
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Aluminiumfolien hauchdünn nur 6 bis 20 Mikrometer dick
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verpacken. Lebensmittel schützen vor Licht,
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Sauerstoff, Feuchtigkeit die jährliche Produktion von
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Aluminiumfolie überschreitet 1000000 Tonnen jede
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Haushaltsrolle, jede Schokoladenverpackung, jeder
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Joghurtdeckel trägt dieses erstaunliche Material.
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Die biologische Rolle von Aluminium ist ambivalent.
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Es ist nicht essentiell für das Leben.
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Kein bekannter Organismus benötigt Aluminium für
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biochemische Prozesse, im Gegenteil, in hohen
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Konzentrationen ist es toxisch. Aluminium bindet an
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Phosphatgruppen, stört enzymatische Reaktionen, kann
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Zellen schädigen, bei Pflanzen in sauren Böden, wo Aluminium
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löslich wird, hemmt es Wurzelwachstum, verursacht
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Toxizität. Für Menschen ist die Exposition
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normalerweise gering und unproblematisch.
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Wir nehmen täglich etwa 1 bis 10 Milligramm Aluminium über
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Nahrung und Wasser auf, die Bioverfügbarkeit ist niedrig,
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weniger als 1% wird absorbiert, der Rest ausgeschieden.
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Doch bei Menschen mit Nierenproblemen, die Aluminium
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nicht effizient ausscheiden können, kann es sich anreichern.
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Dies führte in den 1900 70er und 1900 80er Jahren Zufällen von
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Dialyse, assoziierter Enzephalopathie, einer
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neurologischen Erkrankung. Seitdem werden Dialyselösungen
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streng auf Aluminiumgehalt kontrolliert.
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Die Hypothese, das Aluminium Alzheimer Krankheit verursacht,
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wurde in den 1900 60er Jahren aufgestellt, basierend auf
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Experimenten, die zeigten, dass Aluminium im Gehirn von
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Alzheimer Patienten erhöht war. Jahrzehntelange Forschung konnte
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jedoch keinen kausalen Zusammenhang bestätigen, die
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erhöhten Aluminiumwerte sind wahrscheinlich eine Folge, nicht
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die Ursache der Krankheit. Dennoch bleibt das Thema
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umstritten und Vorsicht ist angebracht.
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Aluminiumsalze werden in Antitranspirantien verwendet, um
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Schweißdrüsen zu verengen, die Sicherheit dieser Anwendung
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wurde untersucht, große epidemiologische Studien fanden
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keinen Zusammenhang mit Brustkrebs oder anderen
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Krankheiten. Die europäischen und
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amerikanischen Gesundheitsbehörden bewerten
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diese Anwendung als sicher. Bei normaler Nutzung.
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Die Umweltauswirkungen der Aluminiumproduktion sind
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erheblich, Bauxit wird in Tagebauen abgebaut,
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hauptsächlich in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika,
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Indien, der Abbau zerstört Landschaften, Wälder,
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beeinträchtigt Ökosysteme. Für jede Tonne Aluminiumoxid
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entstehen etwa eine bis 1,5 Tonnen Rotschlamm.
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Ein stark alkalischer Rückstand der Eisenoxid, Siliziumdioxid,
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Titanoxid, Natriumhydroxid enthält.
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Dieser Rotschlamm wird in riesigen Rückhaltebecken
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gelagert, im Jahr 2010 brach in Ungarn ein Rückhaltebecken.
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1000000 Kubikmeter Rotschlamm ergossen sich über 10
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Ortschaften, töteten 10 Menschen, verseuchten Flüsse.
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Die Katastrophe zeigte die Risiken unzureichender
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Sicherheitsstandards, weltweit lagern Milliarden Tonnen
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Rotschlamm eine tickende ökologische Zeitbombe, wenn
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nicht ordnungsgemäß verwaltet, die elektrolytische Reduktion
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verbraucht enorme Mengen Elektrizität.
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Die globale Aluminiumproduktion verbraucht jährlich etwa 1000
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Terawattstunden, etwa 3% der weltweiten Stromproduktion.
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Wenn dieser Strom aus fossilen Brennstoffen stammt, trägt die
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Aluminiumindustrie erheblich zu Treibhausgasemissionen bei
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Island, Norwegen, Kanada produzieren Aluminium mit
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Wasserkraft, reduzieren den Kohlenstoff, Fußabdruck China.
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Größter Produzent mit über 50% der Weltproduktion nutzt
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hauptsächlich Kohlekraft. Die Fluorremissionen aus dem
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halherult Prozess sind ein weiteres Problem.
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Kryolith und Aluminiumoxid setzen Fluoride frei, die giftig
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für Pflanzen und Tiere sind moderne Aluminiumhütten
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verwenden Abgasreinigungssysteme fangen über 99% der Fluoride ab.
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Dennoch bleibt die lokale Luftverschmutzung in manchen
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Regionen problematisch. Das Recycling ist der Schlüssel
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zur Nachhaltigkeit wie erwähnt, spart es 95% Energie, die
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Recyclingrate für Aluminium Dosen liegt in einigen Ländern
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über 90% in Deutschland, Norwegen, Schweiz werden fast
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alle Dosen recycelt, in den USA liegt die Rate bei etwa 50%.
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Es gibt Verbesserungspotenzial. Die Kreislaufwirtschaft für
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Aluminium ist technisch machbar. Aluminium verliert beim
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Einschmelzen keine Qualität, kann unbegrenzt oft recycelt
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werden. Die Herausforderung ist die
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Sammlung, Sortierung, Trennung von Legierungen,
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unterschiedliche Legierungen für Autos, Flugzeuge, Verpackungen
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müssen getrennt werden, um optimale Qualität zu
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gewährleisten. Innovative Technologien könnten
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die Primärproduktion revolutionieren.
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Die Inerte Anode, entwickelt von Apple und Alcor, ersetzt
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Kohlenstoffanoden durch keramische Materialien.
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Statt Kohlendioxid entsteht reiner Sauerstoff.
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Dies würde die Treibhausgasemissionen der
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Aluminiumproduktion eliminieren. Kommerzielle Anwendung beginnt
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gerade könnte die Industrie transformieren.
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Aluminiumluft Batterien sind eine weitere Forschungsrichtung.
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Aluminium reagiert mit Sauerstoff aus der Luft, erzeugt
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Elektrizität. Theoretisch haben solche
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Batterien eine sehr hohe Energiedichte, könnten
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Elektrofahrzeuge über 1000 Kilometer weit antreiben.
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Technische Herausforderungen bleiben, aber das Potenzial ist
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enorm. Die Geschichte des Aluminiums
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ist die Geschichte menschlichen Erfindungsreichtums von einem
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seltenen, kostbaren Metall zu einem allgegenwärtigen Material
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in nur einem Jahrhundert. Es ermöglichte Technologien, die
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die Welt schrumpfen ließen, die den Himmel eroberten, die
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unseren Alltag formten. Doch diese Geschichte erinnert
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uns auch an unsere Verantwortung.
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Jede Technologie hat Kosten, die Landschaften, die wir abtragen,
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die Energie, die wir verbrauchen, die Abfälle, die
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wir hinterlassen, sind real. Die Erde, die uns das Aluminium
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schenkt, verdient Respekt, Schutz, nachhaltige Nutzung,
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wenn du das nächste Mal eine Getränkedose in der Hand hältst.
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Denke an die Jahrmilliarden, die diese Aluminiumatome durchlaufen
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haben. Geboren in den Kernen sterbender
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Sterne, kondensiert in der Urwolke des Sonnensystems,
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eingebunden in Gestein, freigesetzt durch menschliche
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Ingenieurskunst, geformt zu einem nützlichen Objekt und nach
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deinem Gebrauch hoffentlich recycelt, eingeschmolzen,
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Neugeboren als etwas anderes. Ein Kreislauf, der nachhaltig
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sein kann, wenn wir es wollen. Die Leichtigkeit des Aluminiums
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steht symbolisch für die Leichtigkeit, mit der wir durch
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die moderne Navigieren. Flugzeuge tragen uns mühelos
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über Kontinente, Smartphones verbinden uns sofort mit der
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Welt, doch diese Leichtigkeit ruht auf schweren Fundamenten,
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Bergbau, Energie, Infrastruktur. Wenn wir diese Fundamente
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nachhaltig gestalten, wenn wir erneuerbare Energie nutzen, wenn
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wir konsequent recyceln, wenn wir die Umweltauswirkungen
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minimieren, dann kann Aluminium weiterhin seinen Beitrag
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leisten, ohne die Erde zu belasten.
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Schließe nun die Augen, lass die Gedanken an dieses erstaunliche
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Element mit dir sein, silbrig, leicht.
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Allgegenwärtig ein Metall der Moderne, das Vergangenheit und
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Zukunft verbindet, erkenne die Vernetzung aller Dinge, die
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Abhängigkeit unserer Zivilisation von den Ressourcen
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der Erde, die Notwendigkeit, Weise zu handeln.
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Die Erde ist unser einziges Zuhause, der einzige Planet im
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Universum, von dem wir wissen, dass Erleben trägt.
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Jedes Element, das sie birgt, ist Geschenk und Verantwortung
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zugleich. Trage diese Erkenntnis mit in
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den Schlaf und wenn du erwächst in dein Handeln, gute Nacht.