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48. Cadmium (Cd) - Das toxische Batteriemetall · Das Periodensystem der Elemente

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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Geschichte heute
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betrachten wir ein Element, das wie kaum ein zweites die
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widersprüchliche Beziehung des Menschen zur Welt der Metalle
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verkörpert. Es glänzt silbrig, weiß, es ist
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weich genug, um sich mit dem Messer schneiden zu lassen, und
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es war lange Zeit ein stiller, unscheinbarer Begleiter der
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industriellen Moderne. Zugleich gehört es zu den
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giftigsten Schwermetallen überhaupt, ein Stoff.
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Der sich in Knochen und Nieren einlagert, der über Jahrzehnte
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im Körper verbleibt und dessen Spuren wir heute in nahezu jedem
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Lebewesen auf diesem Planeten nachweisen können.
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Die Rede ist von Cadmium, dem Element mit der Ordnungszahl 48,
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jenem Metall, das ganze Industrien antrieb und doch eine
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der ersten großen Umweltkatastrophen der
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Nachkriegszeit auslöste, Cadmium, die.
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Erzählt von menschlichem Erfindungsreichtum und von
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menschlicher Achtlosigkeit zugleich.
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Und seine Geschichte ist eine Einladung, genauer hinzusehen,
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was geschieht, wenn wir Stoffe aus der Erde holen, ohne ihre
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Wirkung zu Ende zu denken. Die Entdeckung des Cadmiums
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fällt in das Jahr 1817 eine Zeit, in der die Chemie sich
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gerade als systematische Wissenschaft zu formieren begann
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und in der die Entdeckung neuer Elemente eine fast monatliche
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Angelegenheit war. Der deutsche Apotheker und
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Chemiker Friedrich Stromeier, der an der Universität Göttingen
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wirkte und dort als Inspekteur der Apotheken im Königreich
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Hannover. Eine amtliche Funktion
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innehatte, stieß bei einer Routinekontrolle auf eine
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Unregelmäßigkeit. Er untersuchte Zinkoxid, jenes
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weiße Pulver, das damals als Heilmittel und als Pigment
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verwendet wurde, und bemerkte, dass eine bestimmte Charge eine
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eigentümlich gelbe Färbung annahm, wenn man sie erhitzte.
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Reines Zinkoxid hätte weiß bleiben müssen.
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Stromeier ein gründlicher und neugieriger Forscher ließ sich
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von dieser Abweichung nicht beirren, sondern ging ihr nach.
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Er fällte und destillierte, er reduzierte und kristallisierte,
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und am Ende seiner Untersuchungen hielt er ein
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neues Metall in Händen, das bislang unbemerkt im Zink
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verborgen gewesen war. Er gab ihm den Namen Cadmium,
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abgeleitet vom lateinischen Wort cadmia.
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Der antiken Bezeichnung für Galmey, also für jene
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zinkhaltigen Erze, aus denen das Metall stammte.
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Der Wortstamm reicht noch weiter zurück bis zur griechischen
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Sagengestalt des Cadmos, jenes Gründers der Stadt Theben, dem
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die Überlieferung die Einführung der Metallverarbeitung
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zuschrieb. So trägt Cadmium in seinem Namen
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eine Spur des Mythos. Beinahe zeitgleich und
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unabhängig voneinander stießen auch andere Forscher auf
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denselben Stoff. Karl Samuel Leberrecht Hermann
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und Johann Christian Heinrich Roloff in Deutschland verfolgten
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ähnliche Beobachtungen an verunreinigtem Zink, und es gab
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eine Weile lang eine durchaus typische wissenschaftliche
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Debatte darüber, wem die Erstentdeckung zuzuschreiben
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sei. Doch stromeiers Untersuchung war
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die Vollständigste und überzeugendste, und so gilt er
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bis heute als der Entdecker des Cadmiums.
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Bemerkenswert an dieser Geschichte ist, dass das Element
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nicht durch eine kühne Expedition oder eine
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spektakuläre Reaktion ans Licht kam, sondern durch die geduldige
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Aufmerksamkeit eines Mannes, der eine winzige Farbabweichung
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nicht als Zufall abtat. Es ist ein frühes Beispiel
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dafür, wie eng Wissenschaft und sorgfältige Beobachtung
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miteinander verbunden sind und wie aus einer scheinbar
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belanglosen Anomalie eine fundamentale Erkenntnis
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erwachsen kann. Werfen wir einen Blick auf die
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physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Elements,
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denn sie erklären vieles von dem, was später kommen wird.
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Cadmium ist ein silbrig glänzendes, weiches
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Übergangsmetall, das in der 12. Gruppe des Periodensystems
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steht. Gemeinsam mit dem Zink über ihm
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und dem Quecksilber unter ihm. Diese Verwandtschaft ist kein
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Zufall, denn die 3 Elemente teilen wichtige chemische
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Merkmale und gerade die Nähe zum Zink ist es, die Cadmium so
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heimtückisch macht. Mit einer Dichte von etwa 8,65
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Gramm pro Kubikzentimeter zählt es zu den Schwermetallen.
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Sein Schmelzpunkt liegt bei vergleichsweise niedrigen 321
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Grad Celsius, sein Siedepunkt bei 767 Grad.
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Diese niedrigen Übergangstemperaturen sind
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technisch bedeutsam, denn sie erklären, warum Cadmium bei
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industriellen Prozessen. Etwa beim Schmelzen von Zink
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oder bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
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So leicht verdampft und sich über die Luft verteilt.
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Das Metall ist außerordentlich duktil und lässt sich gut zu
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dünnen Schichten verarbeiten, und es bildet mit zahlreichen
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anderen Metallen Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt.
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Chemisch tritt Cadmium fast ausschließlich in der
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Oxidationsstufe plus 2 auf, es verhält sich darin sehr ähnlich
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wie Zink das. Und genau hier liegt der
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biologische Kern seiner Giftigkeit, der menschliche
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Körper ebenso wie der Körper von Tieren und Pflanzen verwechselt
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Cadmium mit dem lebensnotwendigen Zink Zink ist
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ein essentielles Spurenelement, es ist Bestandteil von Hunderten
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Enzymen und steuert zahlreiche Stoffwechselvorgänge.
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Weil Cadmium dem Zink chemisch so ähnlich sieht, schmuggelt es
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sich an dessen Stelle in biologische Systeme ein, besetzt
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Bindungsstellen, die eigentlich für Zink vorgesehen sind, und
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stört dadurch empfindliche Prozesse.
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Der Körper besitzt keinen wirksamen Mechanismus, um
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Cadmium wieder auszuscheiden, und so Reichert es sich über die
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Jahre an, vor allem in der Leber und in den Nieren.
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Die biologische Halbwertszeit von Cadmium im menschlichen
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Körper wird auf 10 bis 30 Jahre geschätzt, was bedeutet, dass
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eine einmal aufgenommene Menge praktisch ein Leben lang im
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Organismus verbleibt. Es gibt nur 6 natürlich
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vorkommende stabile Isotope. Das häufigste ist Cadmium, 114
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und einige der Isotope sind schwach radioaktiv mit
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Halbwertszeiten, die das Alter des Universums um ein Vielfaches
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übersteigen, sodass sie für praktische Zwecke als stabil
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gelten. In der Natur kommt Cadmium nicht
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in reiner Form vor, sondern stets als Begleiter des Zinks.
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Es findet sich in Zinkerzen wie der Zinkblende, auch Sphalerit
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genannt, und tritt dort in Konzentrationen von wenigen
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Promille auf. Aus diesem Grund wird Cadmium
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fast vollständig als Nebenprodukt der Zinkgewinnung
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gewonnen, wer Zink fördert und Verhüttet, gewinnt unweigerlich
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auch Cadmium und in der Geschichte der Industrie wurde
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dieses Nebenprodukt zunächst kaum beachtet, später dann
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gezielt aufgefangen und verwertet.
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Die größten Vorkommen und Produzenten liegen in Ländern
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mit bedeutendem Zinkbergbau, darunter China, Südkorea, Japan
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und einige Länder Lateinamerikas.
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Die jährliche weltweite Produktion liegt im Bereich von
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etwa 25000 Tonnen, eine Zahl, die im Vergleich zu vielen
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anderen Industriemetallen klein erscheint, deren Wirkung auf
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Mensch und Umwelt jedoch in keinem Verhältnis zur Menge
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steht. Die technische Karriere des
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Cadmiums begann im späten 19 und frühen 20 Jahrhundert und
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entfaltete sich entlang mehrerer paralleler Linien.
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Eine der ältesten Anwendungen war die als Pigment
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Cadmiumsulfid liefert ein leuchtendes, beständiges Gelb
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und durch Beimischung von Selen lassen sich tiefe Orange und
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Rottöne erzeugen. Diese Cadmiumfarben waren über
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Jahrzehnte bei Künstlerinnen und Künstlern hochgeschätzt, denn
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sie besaßen eine Leuchtkraft und Lichtbeständigkeit, die mit
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anderen Pigmenten kaum zu erreichen war.
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Viele der strahlenden Gelb und Rottöne in den Gemälden der
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klassischen Moderne verdanken ihre Brillanz dem Cadmium.
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Bis heute werden Cadmium Pigmente in der Kunst verwendet,
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auch wenn ihr Einsatz wegen der Giftigkeit zunehmend durch
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Ersatzstoffe verdrängt wird. Eine zweite große Anwendung war
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der Korrosionsschutz, eine dünne galvanische Cadmiumschicht auf
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Stahl bietet einen hervorragenden Schutz gegen
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Rost, insbesondere unter salzhaltigen und feuchten
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Bedingungen, wie sie etwa in der Luft und Raumfahrt sowie in der
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Schifffahrt herrschen. Kadmierte schrauben, Bolzen und
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Bauteile waren über Jahrzehnte hinweg Standard in
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anspruchsvollen technischen Anwendungen.
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Auch hier hat die Erkenntnis, um die Giftigkeit zu einem
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allmählichen Rückzug geführt, doch in einigen
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sicherheitskritischen Bereichen, vor allem in der Militär und
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Luftfahrttechnik, gilt die Kadmierung wegen ihrer
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Zuverlässigkeit bis heute als schwer ersetzbar.
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Die wohl bekannteste und mengenmäßig bedeutendste
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Anwendung jedoch war und ist die Verwendung in wiederaufladbaren
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Batterien, namentlich in den Nickel Cadmium Akkumulatoren.
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Diese Akkus, oft als Nickel Cadmium Zellen bezeichnet,
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beherrschten über weite Teile des 20 Jahrhunderts den Markt
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für wiederaufladbare Energiespeicher, die.
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Sie waren robust, lieferten zuverlässig Strom, auch bei
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tiefen Temperaturen, vertrugen eine hohe Zahl von Lade und
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Entladezyklen und galten als außerordentlich langlebig.
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Vom schnurlosen Telefon über den Akkuschrauber bis zur
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Notbeleuchtung und zu Anwendungen in der Raumfahrt
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waren sie allgegenwärtig. Ihr großer Nachteil neben der
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Giftigkeit des Cadmiums war der sogenannte Memory Effekt, bei
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dem ein Akku, der regelmäßig nur teilweise entladen wurde, mit
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der Zeit an nutzbarer Kapazität verlor.
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Mit dem Aufkommen der Nickel Metallhydrid Akkus und später
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der Lithium Ionen Technik wurden die Nickel Cadmiumzellen
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weitgehend verdrängt und in der Europäischen Union ist ihr
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Verkauf für die meisten Verbraucheranwendungen seit 2006
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stark eingeschränkt. Es ist ein eindrucksvolles
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Beispiel dafür, wie eine einst dominierende Technik aus Gründen
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des Gesundheits und Umweltschutzes vom Markt
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genommen werden kann, wenn der gesellschaftliche Wille dazu
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vorhanden ist. Cadmium fand und findet sich
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darüber hinaus in Halbleitern und in der Optoelektronik,
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Cadmium, Tellurid und Cadmiumsulfid.
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Sind Halbleitermaterialien, die in bestimmten Solarzellen und in
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Strahlungsdetektoren eingesetzt werden.
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Cadmium Tellurid Dünnschichtmodule gehören zu den
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kostengünstigsten Verfahren der Photovoltaik und tragen durchaus
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mit einer gewissen Ironie zur Erzeugung sauberer Energie bei.
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Obwohl das verwendete Element selbst hochgiftig ist.
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So begleitet das Element den Menschen von den Pigmenten der
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Renaissance bis in die Hochtechnologie des 21
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Jahrhunderts. Doch keine Geschichte des
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Cadmiums wäre vollständig ohne den Blick auf seine dunkle Seite
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und diese dunkle Seite hat einen Namen und einen Ort in Japan.
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In der Präfektur Toyama am Fluss Jimsu ereignete sich in der
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ersten Hälfte des 20 Jahrhunderts eine der ersten
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dokumentierten Massenvergiftungen durch ein
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Industriemetall. Die Menschen in den Dörfern
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entlang des Flusses begannen über quälende Schmerzen in
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Knochen und Gelenken zu klagen. Ihre Knochen wurden so brüchig,
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dass sie schon bei alltäglichen Bewegungen, beim Husten oder
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beim Heben leichter Lasten Splitterten und brachen.
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Die Betroffenen in der überwiegenden Mehrheit ältere
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Frauen, die mehrere Kinder geboren hatten, litten unter
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unerträglichen Schmerzen, und ihre Schreie gaben der Krankheit
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ihren japanischen Namen, der übersetzt so viel wie Autsch,
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Autsch, Krankheit bedeutet. Weil die Erkrankten beim
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leisesten Anstoß vor Schmerz aufschrien über lange Zeit blieb
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die Ursache rätselhaft. Erst in den 50er und 60er Jahren
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gelang es Forschern um den Mediziner Hagino Noboru, den
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Zusammenhang aufzuklären. Bergbau und Hüttenbetriebe im
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Oberlauf des Flusses, allen voran ein großes Unternehmen der
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Zink und Bleiverhüttung, hatten über Jahrzehnte cadmiumhaltige
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Abwässer in den Jinzu geleitet. Das Wasser wurde flussabwärts
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zur Bewässerung der Reisfelder genutzt, das Cadmium reicherte
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sich im Reis an und die Bevölkerung nahm es über ihr
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Grundnahrungsmittel in großen Mengen auf.
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Das eingelagerte Cadmium schädigte die Nieren und störte
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den Stoffwechsel von Calcium und Vitamin D, was zu einer schweren
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Entkalkung und Erweichung der Knochen führte.
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Die Autsch. Autsch Krankheit wurde zu einer
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der 4 großen Umweltkrankheiten Japans und zu einem Mahnmal
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dafür, welche Folgen die ungebremste Einleitung von
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Schwermetallen in die Umwelt für ganze Bevölkerungen haben kann.
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Der Fall von Toyama hatte weitreichende Wirkung.
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Er wurde zu einem der ersten großen Umweltprozesse der Welt,
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in dem geschädigte Menschen ein Industrieunternehmen erfolgreich
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auf Entschädigung verklagten. Das Urteil erkannte den
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Zusammenhang zwischen der Cadmiumbelastung und der
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Erkrankung an und verpflichtete das Unternehmen zu Zahlungen und
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zur Sanierung. Die Tragödie trug entscheidend
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dazu bei, dass in Japan und später weltweit ein Bewusstsein
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für die Gefahren der industriellen Verschmutzung
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entstand und dass Gesetze zum Schutz von Wasser, Boden und
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Gesundheit verschärft wurden. Es ist eine der Episoden in der
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Geschichte des 20. Jahrhunderts, in denen das Leid
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einzelner Menschen. Vor allem das Leid von Frauen,
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die lange nicht gehört wurden, am Ende zu einem strukturellen
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Wandel führte, weil eine Gesellschaft bereit war,
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hinzusehen und Verantwortung einzufordern.
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Die Wege, auf denen Cadmium in den menschlichen Körper gelangt,
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sind vielfältig und betreffen jeden von uns.
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Der wichtigste Aufnahmeweg für Nichtraucher ist die Nahrung,
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die. Pflanzen nehmen Cadmium aus dem
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Boden auf, manche von ihnen besonders effizient.
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Und so finden sich erhöhte Werte vor allem in Getreide, in Reis,
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in bestimmten Gemüsesorten wie Sonnenblumenkernen, Leinsamen
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und Spinat sowie in Innereien wie Leber und Nieren von Tieren,
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die das Metall ebenfalls anreichern.
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Auch Pilze und bestimmte Meeresfrüchte können
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beträchtliche Mengen enthalten. Eine besondere Quelle ist der
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Tabakrauch, denn die Tabakpflanze gehört zu den
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Pflanzen, die Cadmium besonders stark aufnehmen.
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Wer raucht, nimmt mit jedem Zug Cadmium auf und die Belastung
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von rauchenden liegt im Schnitt deutlich über der von nicht
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rauchenden, oft um das Doppelte oder mehr.
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Eine weitere stille Quelle sind Phosphat Düngemittel.
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Die je nach Herkunft des verwendeten Rohphosphats
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erhebliche Mengen Cadmium enthalten können und es so über
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die Landwirtschaft in die Böden und Nahrungsketten eintragen.
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Die schleichende Anreicherung des Metalls in
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landwirtschaftlich genutzten Böden ist ein ernstes und oft
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unterschätztes Problem, denn was einmal im Boden ist, bleibt dort
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über sehr lange Zeiträume. Die gesundheitlichen Folgen
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einer chronischen Cadmiumbelastung sind gut
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erforscht und durchweg ernst. Das wichtigste Zielorgan ist die
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Niere, in der sich das Metall einlagert und über die Jahre die
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feinen Filtereinheiten schädigt. Eine fortgeschrittene Belastung
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führt zu einer Nierenfunktionsstörung, die sich
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zunächst durch den Verlust wichtiger Eiweiße über den Urin
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bemerkbar macht und im weiteren Verlauf.
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In ein chronisches Nierenversagen münden kann.
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Daneben schädigt Cadmium, wie der Fall von Toyama zeigte, den
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Knochenstoffwechsel und begünstigt Osteoporose und
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Knochenbrüche. Die internationale Agentur für
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Krebsforschung, eine Einrichtung der Weltgesundheitsorganisation,
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hat Cadmium und seine Verbindungen als sicher
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krebserregend für den Menschen eingestuft, die.
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Mit besonderem Bezug auf Lungenkrebs bei beruflicher
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Belastung durch das Einatmen cadmiumhaltiger Stäube und
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Dämpfe. Darüber hinaus gibt es Hinweise
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auf Zusammenhänge mit Erkrankungen des Herz Kreislauf
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Systems und mit Störungen des Hormonhaushalts.
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Angesichts dieser Befunde haben die Behörden weltweit Grenzwerte
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für Cadmium in Lebensmitteln, im Trinkwasser, in der Luft, am
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Arbeitsplatz und in zahlreichen Produkten festgelegt.
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Und diese Grenzwerte werden im Zuge neuer Erkenntnisse immer
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wieder verschärft. Die Regulierung des Cadmiums ist
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ein lehrreiches Kapitel in der Geschichte des Umwelt und
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Verbraucherschutzes in der Europäischen Union.
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Beschränkt eine Reihe von Vorschriften den Einsatz des
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Metalls erheblich. Die Richtlinie zur Beschränkung
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gefährlicher Stoffe in Elektro und Elektronikgeräten, oft mit
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ihrer englischen Abkürzung bezeichnet, verbietet Cadmium in
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den meisten elektronischen Erzeugnissen.
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Die europäische Chemikalienverordnung beschränkt
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seine Verwendung in zahlreichen Produkten wie Kunststoffen,
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Schmuck und Farben. In Spielzeug, in
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Lebensmittelverpackungen und in vielen Alltagsgegenständen ist
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Cadmium heute weitgehend verboten oder streng begrenzt.
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Diese Regelungen sind ein Beispiel dafür, wie
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wissenschaftliche Erkenntnis, gesellschaftliches Bewusstsein
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und Gesetzgeberisches handeln zusammenwirken können, um ein
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erkanntes Risiko einzudämmen. Sie zeigen zugleich, dass
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solcher Schutz nicht von selbst entsteht, sondern erkämpft
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werden muss. Gegen wirtschaftliche Interessen
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und gegen die Trägheit eingespielter Verfahren und das
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funktionierende rechenschaftspflichtige
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Institutionen, die Voraussetzung dafür sind, dass aus
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wissenschaftlichem Wissen tatsächlich Schutz für die
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Menschen wird. Ein hoffnungsvolles Kapitel in
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dieser Geschichte ist das Recycling, weil Cadmium giftig
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ist und weil seine ungeordnete Entsorgung Böden und Gewässer
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dauerhaft belasten würde. Ist die getrennte Sammlung und
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Wiederverwertung cadmiumhaltiger Produkte, insbesondere der alten
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Nickel Cadmium Akkus, von großer Bedeutung?
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Moderne Recyclingverfahren erlauben es, das Cadmium aus
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Altbatterien zurückzugewinnen und in geschlossenen Kreisläufen
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wiederzuverwenden, statt es in die Umwelt gelangen zu lassen
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als. Ein verantwortungsvoller Umgang
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mit diesem Element bedeutet es nicht einfach zu verbieten und
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zu vergessen, sondern die noch vorhandenen Mengen sorgfältig zu
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lenken, zu kontrollieren und im Kreislauf zu führen.
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Hier zeigt sich ein Grundgedanke, der weit über das
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Cadmium hinausweist, nämlich die Einsicht, dass die Stoffe.
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Die wir der Erde entnehmen, nicht verschwinden, sondern in
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irgendeiner Form Teil unserer Welt bleiben.
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Und dass es an uns liegt, ob sie zur Last oder zum
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verantwortungsvoll genutzten gut werden.
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Wenn wir am Ende dieser Folge innehalten und über das Cadmium
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nachdenken, dann begegnet uns ein Element, das uns viel über
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uns selbst lehrt. Es ist ein Stoff, der nützlich
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war und gefährlich zugleich, der Industrien beflügelte und
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Menschen krank machte, der in den leuchtenden Farben großer
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Kunstwerke ebenso steckt wie in den brüchigen Knochen der
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Erkrankten von Toyama. Cadmium erinnert uns daran, dass
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die Erde uns ihre Schätze nicht ohne Bedingungen überlässt, dass
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jeder Eingriff in ihre Stoffkreisläufe folgen hat.
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Die sich oft erst Jahrzehnte später zeigen.
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Und dass wir die Verantwortung tragen, diese Folgen
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mitzudenken. Die Böden, die uns nähren, die
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Flüsse, aus denen wir trinken, die Luft, die wir atmen, sind
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kostbar und verletzlich, und die Geschichte des Cadmiums ist eine
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stille Mahnung, sie zu schützen, nicht aus Angst, sondern aus
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Achtung vor dem fein gewobenen Netz des Lebens.
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In das wir selbst eingebunden sind.
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Es liegt eine eigentümliche Ruhe in dem Gedanken, dass wir aus
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den Fehlern der Vergangenheit lernen können, dass eine
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Gesellschaft, die hinsieht und Verantwortung übernimmt, Schaden
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begrenzen und Wege in eine sorgsamere Zukunft finden kann.
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Mit diesem Gedanken wollen wir die heutige Reise durch das
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Periodensystem ausklingen lassen.
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Lass die silbrigen Bilder dieses widersprüchlichen Metalls noch
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einen Moment in dir nachwirken. Atme ruhig und wenn du magst,
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lass dich in einen erholsamen Schlaf gleiten, getragen von dem
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Wissen, dass jede Erkenntnis ein kleiner Schritt zu einem
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behutsameren Umgang mit unserer Welt ist.
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Schlaf gut und bis zur nächsten Folge.