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29. Kupfer (Cu) - Das rote Metall der Geschichte · 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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bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
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produzieren. Heute reisen wir durch die
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faszinierende Welt eines Metalls, das die
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Menschheitsgeschichte wie kaum ein anderes geprägt hat.
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Die Rede ist von Kupfer. Dem Element mit dem Symbol CU,
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der Ordnungszahl 29 und einer Geschichte, die mehr als 10000
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Jahre zurückreicht. Kupfer ist mehr als nur ein
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chemisches Element, es ist ein Spiegel unserer Zivilisation,
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ein stiller Zeuge unserer technologischen Entwicklung und
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gleichzeitig einer der wichtigsten Rohstoffe unserer
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Gegenwart und Zukunft. Beginnen wir mit dem Anfang.
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Mit dem, was Kupfer ist, bevor der Mensch es berührt.
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Im Periodensystem sitzt Kupfer in der 11.
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Gruppe, den sogenannten Münzmetallen, gemeinsam mit
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Silber und Gold. Diese Nachbarschaft ist kein
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Zufall, alle 3 Metalle sind chemisch relativ träge, kommen
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in der Natur auch gediegen vor, also in reiner metallischer
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Form, und wurden deshalb von frühen Kulturen entdeckt und
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verarbeitet. Die Elektronenkonfiguration von
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Kupfer ist dabei eine Besonderheit.
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Eigentlich würde man beim Befüllen der Elektronenschalen
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ESR 3 d 904 s 2 erwarten, doch Kupfer weicht davon ab und zeigt
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stattdessen ASR 3 der 1004 s ersten das vollständig besetzte
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Deorbital ist energetisch stabiler und die Natur bevorzugt
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diesen Zustand. Diese kleine elektronische
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Besonderheit hat große Konsequenzen.
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Sie macht Kupfer zu einem außergewöhnlich guten
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elektrischen Leiter. Die elektrische Leitfähigkeit
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von Kupfer beträgt etwa 58,7 Mega Siemens pro Meter bei
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Raumtemperatur, nur Silber übertrifft diesen Wert
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geringfügig mit rund 63 Mega Siemens pro Meter, doch Silber
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ist teuer und selten. Kupfer hingegen ist
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vergleichsweise günstig und reichlich vorhanden.
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Daher fließt der Strom in unseren Häusern, unseren
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Computern und unseren Autos fast ausnahmslos durch Kupferdrähte.
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Weltweit werden jährlich mehr als 25000000 Tonnen Kupfer
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produziert und über 65% davon gehen in die Elektroindustrie.
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Ohne Kupfer gäbe es keine modernen Städte, kein Internet,
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keine Elektromobilität. Doch gehen wir nun zurück zu den
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Wurzeln, die Geschichte des Kupfers beginnt mit einer
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Entdeckung, die wir uns kaum vorstellen können, weil sie so
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selbstverständlich geworden ist. Der Entdeckung, dass ein Stein,
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wenn man ihn stark erhitzt, flüssig werden und eine neue
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Form annehmen kann. Irgendwo im Nahen Osten,
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wahrscheinlich in den Gebieten des heutigen Irans oder der
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Türkei, entdeckten Menschen vor etwa zehneinhalbtausend Jahren,
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dass bestimmte grünliche oder bläuliche Steine, nämlich
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Kupferminerale wie Malachit oder azurit, sich durch Feuer in
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glänzendes Metall verwandeln ließen.
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Dies war die Geburtsstunde der Metallurgie.
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Die älteste bekannte Kupferschmelze stammt aus
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Rhodnaglawa in Serbien und ist auf etwa 5500 vor Christus
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datiert. In Zatalhöyük, einer der
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ältesten bekannten Städte der Menschheit in der heutigen
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Türkei wurden Kupferperlen gefunden, die auf 6000 vor
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Christus zurückgehen, die Ötztaler Gletschermumi, bekannt
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als. Ötzi, die vor etwa 5300 Jahren
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lebte und 1991 in den Alpen gefunden wurde, trug ein
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Kupferbeil bei sich. Ein Hinweis darauf, dass die
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Kupferverarbeitung zu seiner Zeit in europaweit verbreitet
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war. Untersuchungen des Beils
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zeigten, dass das Kupfer aus dem Raum des heutigen Südtirols und
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des Trentino stammte, was auf weitreichende Handelsnetzwerke
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schließen lässt. Es war die Zeit, die wir heute
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als Kupfersteinzeit oder Chalkolithikum bezeichnen, jene
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Übergangsperiode zwischen der Steinzeit und der Bronzezeit.
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Menschen bearbeiteten Kupfer zunächst durch Hämmern.
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Denn gediegenes Kupfer, also reines metallisches Kupfer, das
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sich in der Natur findet, lässt sich ohne Hitze formen.
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Erst später entdeckten sie das Schmelzen und noch etwas später,
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etwa um 3200 vor Christus, einen entscheidenden metallurgischen
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Durchbruch, wenn man dem Kupferzinn Beimischt, entsteht
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Bronze, eine Legierung, die härter, beständiger und schärfer
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zu schleifen ist. Dies gab einer ganzen Ära ihren
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Namen. Die Bronzezeit, die Bronzezeit,
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war eine Epoche des Aufblühens Waffen, Werkzeuge, Schmuck,
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Gefäße, Münzen und Spiegel, all das wurde aus Bronze gefertigt,
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die Phönizier handelten mit Kupfer aus Zypern, und
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tatsächlich könnte sogar der Name Kupfer.
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Von der lateinischen Bezeichnung für Zypern stammen cyprum,
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woraus sich cuprum und schließlich das Elementsymbol CO
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ergaben. Cypern war in der Antike eine
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der bedeutendsten Kupferquellen der Mittelmeerwelt und die Insel
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verdankt ihren griechischen Namen Kypros vermutlich dem
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Kupfer. Die alten Ägypter nutzten Kupfer
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für chirurgische Instrumente und Wasserleitungen.
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Sie erkannten intuitiv, was die Wissenschaft Jahrtausende später
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belegen würde. Kupfer wirkt Antimikrobiell, der
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Eberspapyrus, eines der ältesten medizinischen Schriftwerke der
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Menschheit aus dem Jahr, etwa 1550 vor Christus, empfiehlt
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Kupfer zur Behandlung von Wunden und Infektionen.
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Heute weiß man, dass Kupferionen die Zellmembranen von Bakterien
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und Viren zerstören können. Dieser Effekt wird als
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oligodynamische Wirkung bezeichnet.
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Kupferoberflächen töten Krankheitserreger wie MRSA,
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Influenzaviren oder sogar Coronaviren innerhalb von
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Minuten bis Stunden ab. In Krankenhäusern werden deshalb
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vermehrt Türgriffe, Geländer und Arbeitsflächen aus Kupfer
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eingesetzt, um die Ausbreitung von Keimen zu reduzieren.
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Das bringt uns zu einem der aufregendsten Aspekte des
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Kupfers seiner Chemie. Kupfer tritt in mehreren
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Oxidationsstufen auf, am häufigsten als CU plus Kupfer, 1
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Ion und CU 2 plus Kupfer 2 ion Kupfer. 2 Verbindungen sind oft
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auffällig blau oder grün gefärbt, man denke an das blau
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schimmernde Kupfersulfat, das in der Schule oft für chemische
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Experimente genutzt wird, oder an die charakteristische grüne
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Patina auf Kupferdächern und Statuen, die.
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Diese Patina, die sich aus Kupfercarbonat, Kupferhydroxid
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und anderen Verbindungen zusammensetzt, schützt das
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darunterliegende Metall vor weiterer Korrosion.
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Die Freiheitsstatue, in New York, einst mit glänzendem
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rötlichem Kupfer bedeckt, trägt heute ihre weltbekannte grüne
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Schicht, ein Zeichen chemischen Wandels über Jahrzehnte.
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Rund 80 Tonnen Kupfer wurden für die Freiheitsstatue verwendet
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und über lange Zeit nahm die Hülle die typische blau grüne
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Farbe an. Dies ist ein wunderbares
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Beispiel dafür, wie Chemie im Alltag unsichtbar wirkt, wie
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Atome und Ionen miteinander reagieren und dabei etwas Neues,
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manchmal Schöneres entstehen lassen.
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Kupfer zeigt uns Veränderung, muss nicht Verfall sein.
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Die Vorkommen von Kupfer sind weltweit verteilt, aber nicht
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gleichmäßig. Die größten Kupferreserven
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befinden sich in Chile, das allein rund 27% der weltweiten
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Produktion verantwortet, die Mine Escondida in der
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chilenischen Atacamawüste ist die größte Kupfermine der Welt,
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weitere bedeutende Förderländer sind Peru, China, die
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Demokratische Republik Kongo und Australien.
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Deutschland selbst hat keine nennenswerten Kupfervorkommen
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mehr, war aber historisch bedeutsam.
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Im Mansfelder Revier in Sachsen Anhalt wurde über Jahrhunderte
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Kupferschiefer abgebaut und der Bergbau dort reicht bis ins 13
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Jahrhundert zurück. Das Mansfelder Kupfer versorgte
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weite Teile Europas und spielte eine wichtige Rolle in der
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Frühgeschichte des Kapitalismus. Kupfer kommt in der Erdkruste
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mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von etwa 60
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Milligramm pro Kilogramm vor. Es ist damit zwar kein seltenes
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Element, aber auch keines, das irgendwo einfach aufgelesen
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werden kann. Die wichtigsten Kupferminerale
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sind Chalkopyrit, Kupferkiese. Cuf es 2 chalkozid cu 2 s im
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bornit cu, 5 fes, 4 malachid cu, 2 oesa 2 co 3 und azurit cu 3
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oheki 2 co 32 Calco Pyrit, ist das bei weitem häufigste
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kupferhaltige Mineral und liefert den größten Teil des
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weltweit geförderten Kupfers. Das Erz enthält jedoch meist nur
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0,5 bis 2% Kupfer. Man muss riesige Gesteinsmengen
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aufwältigen, um eine relativ geringe Menge Metall zu
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gewinnen. Die Kupfergewinnung selbst ist
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ein mehrstufiger Prozess, zunächst wird das Erz in Tagebau
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oder Untertagebergwerken gewonnen, dann zerkleinert und
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durch Flotation angereichert, beim Flotieren wird das
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zerkleinerte Erz mit Wasser und Chemikalien versetzt.
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Luftblasen tragen die Kupferhaltigen Mineralpartikel
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an die Oberfläche, während das Ganggestein absinkt.
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Das so gewonnene Konzentrat enthält bereits 25 bis 35%
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Kupfer, es folgen rösten und schmelzen im Konverter,
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Feuerraffinieren und schließlich elektrolytische Raffination.
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Bei der eine Reinheit von 99,99%, sogenanntes
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Elektrolytkupfer, erreicht wird. Die Elektrolyse ist dabei ein
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elegantes Verfahren, rohkupferplatten werden als
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Anode in ein Kupfersulfatbad gehängt und reines Kupfer
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scheidet sich an der Kathode ab, während Verunreinigungen wie
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Gold, Silber und Platin als Anodenschlamm anfallen und
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separat weiterverarbeitet werden.
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Die. Der Energieverbrauch der
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Kupfergewinnung ist erheblich für die Produktion einer Tonne
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Kupfer werden je nach Verfahren und Erzqualität zwischen 30 und
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60 Megawattstunden Energie benötigt.
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Umso wichtiger ist das Recycling, Kupfer ist nahezu
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unbegrenzt wiederverwertbar, ohne dass es dabei seine
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Eigenschaften verliert. Weltweit stammen etwa 35% des
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genutzten Kupfers aus Recyclingprozessen
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Sekundärkupfer, das aus Altmetall, Kabeln und
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Elektronikschrott zurückgewonnen wird, benötigt nur etwa 10% der
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Energie, die für die Primärproduktion aus Erz nötig
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wäre. Kupferrecycling ist damit nicht
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nur ökonomisch sinnvoll, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur
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Ressourcenschonung. Und hier treffen wir auf eine
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Spannung, die für die Gegenwart höchst bedeutsam ist.
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Der weltweite Kupferbedarf steigt und er steigt drastisch.
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Der Grund liegt in der Energiewende, eine
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Windkraftanlage enthält je nach Größe zwischen 3 und 15 Tonnen
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Kupfer. Ein Elektroauto benötigt etwa
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viermal so viel Kupfer wie ein vergleichbares Fahrzeug mit
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Verbrennungsmotor. Rund 80 Kilogramm statt 20
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Kilogramm Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher,
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Ladeinfrastruktur, intelligente Stromnetze, all das ist
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Kupferintensiv. Analysten der Internationalen
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Energieagentur schätzen, dass der Kupferbedarf bis 2040 um 40
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bis 50% steigen könnte. Gleichzeitig werden die
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Erzqualitäten schlechter minentiefer und die
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Umweltauflagen strenger. Dies wirft ernsthafte Fragen
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auf. Woher kommt das Kupfer für die
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Energiewende, wie können Abbau und Verarbeitung nachhaltiger
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gestaltet werden? Wie kann Recycling effizienter
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werden? Diese Fragen sind nicht nur
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technischer Natur, sie berühren Fragen der globalen
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Gerechtigkeit, denn viele der wichtigsten Kupfervorkommen
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liegen in Ländern des globalen Südens, wo die ökologischen und
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sozialen Kosten des Bergbaus besonders spürbar sind.
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Kupfer spielt auch in der Biologie eine zentrale Rolle.
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Es ist ein essentielles Spurenelement für alle bekannten
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Lebewesen, von Bakterien bis zum Menschen.
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Im menschlichen Körper sind etwa 80 bis 120 Milligramm Kupfer
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enthalten, vor allem in der Leber, im Gehirn, in der Niere
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und im Blut. Kupfer ist Bestandteil
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verschiedener Enzyme, sogenannter cupro Enzyme.
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Dazu gehören die Zytochrom C Oxidase, ein zentrales Enzym der
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Zellatmung, die Superoxiddismutase, die Zellen
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vor oxidativem Stress schützt, Ceruloplasmin, das für den
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Eisenstoffwechsel wichtig ist, und das Enzym Tyrosinase, das
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die Melanin Synthese katalysiert und damit an der Pigmentierung
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von Haut und Haaren beteiligt ist.
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Kupfermangel ist selten. Kann aber zu ernsthaften
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Erkrankungen führen. Anämie, Knochenschwäche und
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neurologische Störungen sind mögliche Folgen.
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Umgekehrt ist eine Kupfervergiftung ebenfalls
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gefährlich, der wilsonsche Erkrankung einer seltenen
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genetischen Störung des Kupferstoffwechsels führt zur
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Anhäufung von Kupfer in Leber, Gehirn und anderen Organen und
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kann unbehandelt tödlich verlaufen.
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Die Natur hat also mit Kupfer ein doppeltes Spiel.
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Es ist lebensnotwendig und potenziell gefährlich zugleich,
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abhängig von Menge und Verteilung.
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Doch Kupfer ist auch in der Tierwelt bemerkenswert,
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Tintenfische, Krabben, Schnecken und andere Weichtiere besitzen
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kein Hämoglobin, das Eisenbasiert ist und Blut rot
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färbt, sondern hämocyanin. Ein kupferhaltiges Protein, das
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Sauerstoff transportiert und dem Blut dieser Tiere eine bläuliche
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Farbe verleiht. Wenn hämocyanin Sauerstoff
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gebunden hat, erscheint das Blut bläulich, wenn der Sauerstoff
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abgegeben wurde, wird es farblos.
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Dies ist Chemie in reinster Form, sichtbar in der Farbe des
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Lebens ein weiteres faszinierendes Kapitel in der
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Geschichte des Kupfers ist seine Verwendung in der Kunst und
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Architektur. Seit der Antike schufen
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Handwerkerinnen und Handwerker aus Kupfer und
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Bronzemeisterwerke, die die Jahrhunderte überdauert haben.
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Der Koloss von Rhodos, eines der 7 Weltwunder der Antike, soll
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aus Bronze, also einer Kupferlegierung, bestanden haben
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und stellte die Sonnengottheit Helios dar.
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Der bronzene Zeus von Libon Götterstatuen in griechischen
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Tempeln, Triumphbögen im Römischen Reich, Kupfer und
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Bronze waren das Material der Macht und der Gottheit.
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Auch im mittelalterlichen Europa war Kupfer ein begehrtes
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handwerksmaterial, Kirchenglocken wurden aus
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Glockenbronze gegossen. Einer Legierung aus etwa 78%
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Kupfer und 22% Zinn, die besonders gute
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Klangeigenschaften besitzt. Die akustischen Eigenschaften
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von Kupferlegierungen haben dabei einen physikalischen
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Hintergrund. Die Schallgeschwindigkeit in
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Bronze ist deutlich höher als in Luft und die Art, wie das
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Material schwingt, erzeugt den charakteristischen warmtönenden
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Klang, den wir mit Kirchenglocken verbinden.
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In Europa wurden während des Mittelalters Tausende solcher
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Glocken gegossen und viele davon läuten noch heute ein klingendes
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Erbe der Kupfertechnologie. In der Renaissance und im Barock
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verwendeten Künstlerinnen und Künstler Kupferplatten als
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Druckmedium für Kupferstiche. Eine Technik, die eine
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unglaubliche Detailgenauigkeit erlaubte und die Verbreitung von
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Wissen und Kunst revolutionierte.
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Albrecht Dürers Kupferstiche, darunter das berühmte Werk
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Melancholia 1 aus dem Jahr 1514, zählen bis heute zu den
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technisch raffiniertesten Druckgrafiken der
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Kunstgeschichte. Kupfer ermöglichte hier nicht
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nur technischen Fortschritt, sondern auch künstlerische Tiefe
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und kulturelle Weitergabe im 18 und 19 Jahrhundert wurde Kupfer
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zum Material des Industriezeitalters James Watts
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Dampfmaschinen nutzten Kupferbauteile für Kessel und
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Leitungen, die Telegrafie, eine der ersten Formen elektrischer
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Kommunikation, basierte auf Kupferdrähten.
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Samuel Morse und andere Pioniere der Kommunikationstechnologie
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verdankten ihre Errungenschaften zu einem großen Teil der
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Verfügbarkeit und Leitfähigkeit des Kupfers.
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Das erste transatlantische Telegraphenkabel verlegt im Jahr
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1858, bestand aus einem Kupferleiter, der in Good
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Tapertscha eingebettet war. Diese Verbindung zwischen Europa
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und Amerika verkürzte die Kommunikationszeit von etwa 10
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Tagen, der Dauer einer Schiffsreise auf wenige Stunden.
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Es war ein Moment, der die Welt buchstäblich kleiner machte, das
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Periodensystem, in dem Kupfer seinen festen Platz hat, wurde
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im Jahr 1869 von Dimitri Mendelejew erstmals in seiner
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modernen Form veröffentlicht. Damals war Kupfer eines der
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wenigen Elemente, dessen Eigenschaften bereits gut
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bekannt waren, und es half Mendelejew dabei, das Konzept
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der Periodizität zu verstehen. Die Regelmäßigkeit, mit der sich
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Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Dichte und chemisches Verhalten
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mit steigender Ordnungszahl wiederholten, offenbarte eine
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tiefere Ordnung der Materie Kupfer.
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Mit seiner eigenartigen Elektronenkonfiguration war in
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gewissem Sinne ein Ausreißer, der die Regel bestätigte.
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Die Natur liebt Ausnahmen, die auf tiefer liegende Prinzipien
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hinweisen, was die Zukunft betrifft, zeigt Kupfer einmal
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mehr seine Vielseitigkeit in der Nanotechnologie werden Kupfer
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Nanopartikel erforscht, die durch ihre antimikrobielle
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Wirkung in medizinischen Oberflächen.
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Textilien und Wasseraufbereitungsanlagen
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eingesetzt werden könnten. In der Elektronik sind Kupfer
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interconnects, also die hauchdünnen Kupferdrähte, die
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Transistoren in Mikrochips verbinden, heute so fein, dass
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sie nur noch wenige Nanometer breit sind.
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Hier stoßen jedoch physikalische Grenzen an, je dünner die
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Leiterbahnen, desto größer der spezifische Widerstand durch
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Streuprozesse an den Oberflächen.
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Was neue Herausforderungen für Chipdesigner darstellt.
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In der Quantentechnologie spielt Kupfer eine Rolle als Material
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für Supraleitende Kavitäten und Kühlsysteme in Quantencomputern
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und in der Kernfusionstechnologie, die als
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potenziell wichtigste Energiequelle der Menschheit
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gilt, sind Kupferlegierungen als Strukturwerkstoffe für
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Reaktorkomponenten im Gespräch. Da sie bei hohen Temperaturen
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stabile mechanische Eigenschaften behalten.
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Kupfer ist ein Element, das uns in Vergangenheit, Gegenwart und
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Zukunft begleitet. Es ist das rote Metall, das die
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Menschheit formte und das sie weiterhin Formen wird in einer
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Zeit, in der die Weichen für kommende Generationen neu
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gestellt werden. Es hat Werkzeuge und Waffen
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geformt. Götter und Herrscher geschmückt,
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Ströme geleitet und Leben gerettet.
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Es rostet nicht weg ins Nichts, sondern verwandelt sich in
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Schönheit, es lässt sich immer wieder einschmelzen, neu formen,
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neu denken. In gewissem Sinne ist Kupfer
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eine Metapher für das, was Menschen können, Altes
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aufgreifen, es umschmelzen und etwas neues, Besseres daraus
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machen. Und das bringt uns zu einem
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Gedanken, der in diesen Zeiten wichtiger scheint denn je.
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Die Fähigkeit zu recyceln, zu bewahren, zu erneuern.
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Sie ist nicht nur eine technische Tugend, sie ist eine
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politische und gesellschaftliche, unsere Erde
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mit all ihren Ressourcen, ihren Ökosystemen, ihrer Schönheit ist
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endlich, sie gehört uns nicht allein da, sie gehört allen, die
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nach uns kommen, sie. Genauso kostbar wie unsere
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natürlichen Ressourcen sind unsere gesellschaftlichen
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Errungenschaften. Offene Gesellschaften, freie
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Meinungsäußerung, demokratische Teilhabe.
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Diese Systeme sind wie Kupfer nicht unverstehbar sie müssen
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gepflegt, verteidigt und immer wieder neu gedacht werden,
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Demokratien sind keine Selbstläufer.
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Sie brauchen Menschen, die sie ernst nehmen, die sie aktiv
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mitgestalten und die bereit sind, für die Werte einzustehen,
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auf denen sie beruhen. Die Erde und die Freiheit.
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Beides lohnt es zu schützen. Danke, dass du heute dabei
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warst, auf dieser Wissensreise durch das Periodensystem der
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Elemente, wenn dir diese Folge gefallen hat, dann bewerte uns,
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empfiehl uns weiter und erzähl anderen davon.
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Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen?
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Vielleicht magst du auch in die Schlafreise durchs Universum
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oder die Wissensreise durch die Geschichte reinschnuppern.
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Podcast Erlebnisse für neugierige Menschen, die die
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Welt ein bisschen tiefer und umfassender verstehen möchten,
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bis zum nächsten Mal.