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40. Zirkonium (Zr): Der diamantgleiche Täuscher · Das Periodensystem der Elemente

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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde Thema heute zirkonium
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ZR. Der Diamantgleiche Täuscher, es
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gibt Edelsteine, die durch ihre schiere.
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Brillanz Menschen seit Jahrtausenden in ihren Bann
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ziehen. Und es gibt.
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Materialien. Die so überzeugend.
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Täuschen. Dass selbst geübte Augen.
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Ins Stocken geraten Kubisches Zirkoniumdioxid das.
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Schmucksteinderivat des Elements.
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Zirkonium. Ist.
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Der bekannteste Diamant Ersattet S der.
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Welt. So Funkelnder als sein Vorbild.
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Dass es den Ruf eines Betrügers genießt.
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Doch das. Element dahinter Zirkonium.
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Selbst ist alles. Andere als eine.
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Billige Kopie es ist. Ein Metall von außergewöhnlicher
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Beständigkeit, von nuklearer Bedeutung, von geologischer
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Tiefe und von Industrieller. Unverzichtbarkeit.
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Wer Zirkonium kennt, weiß, dass der eigentliche Täuscher nicht
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das Metall ist, sondern das Vorurteil, das an seinem Namen
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hängt. Heute reisen wir gemeinsam in
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die Welt dieses faszinierenden Elements, von den ältesten
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Zeugen der Erdgeschichte bis in den Kern moderner
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Kernkraftwerke, von funkelnden Schmucksteinen bis zu
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lebensrettenden medizinischen Implantaten.
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Die Geschichte von Zirkonium beginnt mit einem Edelstein, der
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im Morgenland seit der Antike verehrt wurde, dem Zirkon, das
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Mineral Zirkon, chemisch zirkoniumsilikat Zrsio 4, war in
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vielen Kulturen der Antike ein begehrter Schmuckstein, im
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Mittelalter galt er als Talisman gegen Blitzschlag, als Schutz
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vor Geistern und als Symbol für Weisheit.
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Sein Name leitet sich wahrscheinlich vom arabischen
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Zarkyn ab, was so viel wie goldfarben oder Zinnoberrot
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bedeutet. Obwohl natürliche Zirkone in
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einer Vielzahl von Farben Vorkommen, von farblos über Gelb
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und orange bis braun und blau. Das Mineral Zirkon ist also
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uralt und wohlbekannt, das Element, das dahinter steckt,
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blieb dagegen lange verborgen. Der deutsche Chemiker Martin
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Heinrich Klapprott war es, der 1789 im selben Jahr, in dem die.
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Französische Revolution. Die Welt erschütterte, erkannte,
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dass. Zirkon eine bisher Unbekannte.
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Erde enthält er benannte sie Zirkonerde.
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Clupprott. War ein akribischer.
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Analytiker einer der bedeutendsten Chemiker seiner
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Zeit. Und er entdeckte in jenem
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denkwürdigen Jahr gleich 2. Neue Elemente Zirkonium und Uran
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die tatsächliche Isolation des reinen Zirkoniummetalls gelang.
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Jedoch erst 18. 124 dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob
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Bercillius, der. Durch.
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Reduktion von Kaliumhexafluorozirconat mit
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Kaliummetall ein unreines Zirkoniummetallipulver erhielt.
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Hochreines Duktiles Zirkoniummetall wurde erst im 20
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Jahrhundert zugänglich, als Anton Eduard von Arkel und Jan
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Hendrik de bour 1925 das sogenannte Iodidverfahren
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entwickelten. Ein Prozess, bei dem
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Circoniumiodid an einem heißen Glühfaden thermisch zersetzt
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wird und dabei reines Metall abscheidet.
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Dieses Verfahren. Auch Kristall, Bar Prozess
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genannt, liefert. Bis heute.
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Das. Reinste verfügbare Zirkonium.
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Schauen wir uns das Element selbst an.
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Zirkonium trägt das Symbol ZR und die Ordnungszahl 40.
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Es gehört zur Gruppe 4 der Übergangsmetalle gemeinsam mit
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Titan Hafnium und Ruta Fordium. In seiner äußeren Erscheinung
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ist es ein glänzendes, silbrig weißes Metall, das in seiner
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Optik an Stahl erinnert. Seine Atommasse beträgt 91,22
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Atommasseneinheiten, der Schmelzpunkt liegt bei
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beeindruckenden 1855 Grad Celsius, der Siedepunkt sogar
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bei 4409 Grad Celsius. Damit gehört Zirkonium zu den
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Metallen mit den höchsten Siedepunkten überhaupt.
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Seine Dichte beträgt 6,52 Gramm pro Kubikzentimeter.
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Zirkonium hat 5 stabile isotope, zirkonium, 90, zirkonium, 91,
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zirkonium, 92, zirkonium, 94 und zirkonium 96.
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Das häufigste davon ist Zirkonium 90 mit einem Anteil
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von rund 51,5%. Interessant ist zirkonium 96 es
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ist technisch gesehen leicht radioaktiv und zerfällt durch
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doppelbeta Zerfall, aber mit einer Halbwertszeit von mehr als
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20 Trillionen Jahren. Einer Zeitspanne, die so
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unvorstellbar lang ist, dass ZR 96 für alle praktischen Zwecke
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als stabil gilt. In der Erdkruste kommt Zirkonium
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in einer Konzentration von etwa 165 Milligramm pro Kilogramm
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vor, es ist damit häufiger als viele besser bekannte Metalle
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wie Kupfer, Nickel oder Zink. Auch hier, es gilt Zirkonium ist
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nicht selten, es ist nur selten in hochkonzentrierten
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Lagerstätten zu finden. Das bei weitem wichtigste
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zirkonium Mineral ist Zirkon z RS IO 4, das in magmatischen und
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metamorphen Gesteinen weit verbreitet ist.
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Ein weiteres wichtiges Mineral ist Badeleyid z Ro 2, ein
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natürlich vorkommendes Zirkoniumdioxid.
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Die größten wirtschaftlich nutzbaren Zirkonvorkommen finden
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sich in Australien, Südafrika, China, Mosambik und Indonesien.
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Australien ist mit Abstand der weltgrößte Produzent von
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Zirkonsand, der als Ausgangsprodukt für fast alle
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zirkonium Anwendungen dient, nun zu einem der faszinierendsten
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Aspekte von Zirkonium. Seiner Rolle als geologische
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Zeitkapsel zirkumkristalle sind die ältesten jemals auf der Erde
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gefundenen Materialien. Im Jahr 1983 entdeckten
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Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftler in den Jack
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Hills in Westaustralien winzige Zirkonkörner, die in späteren
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Analysen auf ein Alter von bis zu 4,4 Milliarden Jahren datiert
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wurden. Älter als alle bekannten
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Gesteine auf der Erde und nur wenig jünger als das
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Sonnensystem selbst. Die Erde ist 4,54 Milliarden
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Jahre alt. Diese Zirkone stammen also aus
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einer Zeit, als die Erde gerade erst erstarrt war und die Ozeane
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vielleicht gerade begannen, sich zu bilden.
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Wie ist das möglich? Zirkon ist außerordentlich
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chemisch und physikalisch beständig.
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Es widersteht der Verwitterung, dem Druck metamorpher Prozesse
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und den extremen Temperaturen tiefer krustenprozesse selbst
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wenn das Gestein, in dem ein Zirkonkorn eingebettet war.
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Aufgeschmolzen und neu. Kristallisiert ist, bleibt der
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Zirkonkristall selbst oft unversehrt.
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Er ist buchstäblich ein Überlebender aus der Urzeit der
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Erde. Gleichzeitig eignet sich Zirkon
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hervorragend zur radiometrischen Datierung, durch die Uran Blei
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Methode. Zirkon baut beim Wachsen geringe
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Mengen Uran in sein Kristallgitter ein, schließt
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dabei aber Blei so gut wie vollständig aus, das bedeutet
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alles Blei, das sich heute im Zirkon befindet, ist aus dem
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radioaktiven Zerfall von Uran entstanden, da die
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Zerfallskonstanten von Uran. 238 und Uran 235 sehr präzise
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bekannt sind, lässt sich aus dem Verhältnis von Uran zu Blei das
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Alter des Kristalls mit enormer Genauigkeit bestimmen.
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Die Uranbleidatierung von Zirkonen ist die zuverlässigste
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Methode der Geochronologie und hat unser Verständnis der
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Erdgeschichte fundamental geprägt.
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Kommen wir nun zu der Anwendung, die Zirkonium weltbekannt, wenn
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auch unter falschem Namen, gemacht hat.
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Dem kubischen Zirkoniumdioxid, abgekürzt CZ, von englisch Cubic
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circonia. Dieser synthetische Kristall
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wird seit den 1970er Jahren industriell hergestellt und ist
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der verbreitetste Diamantersatz der Welt.
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Kubisches Zirkoniumdioxid entsteht.
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Wenn Zirkoniumdioxid z Ro 2 durch Zugabe von Ötriumoxid oder
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anderen Stabilisatoren in seiner kubischen Kristallstruktur
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stabilisiert und dann aus der Schmelze.
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Zu großen. Makellosen Kristallen gezüchtet
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wird. Das Ergebnis ist ein farbloses,
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hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex zwischen
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2,15 und 2,18 zum Vergleich. Diamant hat einen Brechungsindex
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von 2,42 CZ, ist also etwas weniger stark, stark
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lichtbrechend als Diamant, aber mit einem
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Dispersionskoeffizienten von 0,058 gegenüber 0,044.
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Beim Diamant bricht es weißes Licht sogar stärker in seine
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Spektralfarben auf. Das Ergebnis ist ein Feuerwerk
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aus Regenbogenfarben, das CZ für viele Menschen sogar attraktiver
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erscheinen lässt als echte Diamanten.
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Kubisches Zirkoniumdioxid ist nahezu makellos, da es
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synthetisch hergestellt wird, ohne die natürlichen Einschlüsse
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und Fehler, die bei Naturdiamonten häufig sind.
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Es hat eine Mooshärte von 8 bis 8,5.
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Während Diamant mit 10 die härteste natürliche Substanz
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ist. CZ ist also deutlich weicher und
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verkratzt im Laufe der Zeit leichter.
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Dennoch ist es für die meisten Alltagsanwendungen in Schmuck
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vollkommen geeignet und kostet einen Bruchteil des Preises
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eines echten Diamanten allein in den Vereinigten Staaten werden
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jährlich mehrere 100000000 CZ Steine verkauft.
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Die Verwechslungsgefahr zwischen CZ und echtem Diamant ist
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erheblich. Sogar Expertinnen und Experten
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können beide ohne Messinstrumente kaum
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unterscheiden. Der zuverlässigste Test ist die
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Wärmeleitfähigkeit Diamant ist ein außergewöhnlich guter
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Wärmeleiter, CZ dagegen nicht ein sogenanntes Diamant
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Testgerät, das die Wärmeleitfähigkeit misst, kann
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beide sofort auseinanderhalten. Die Eigenschaft, täuschen zu
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können, hat Zirkonium also buchstäblich zum bekanntesten
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Imitator im Schmuckreich gemacht.
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Doch die vielleicht wichtigste Anwendung von Zirkonium und die,
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die von seiner Entdeckung am meisten abhängt, liegt weit
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entfernt von Schmuckvitrinen in Kernkraftwerken.
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Zirkonium hat eine außergewöhnlich geringe
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Neutronenabsorptionsquerschnitt, das bedeutet.
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Es absorbiert kaum Neutronen beim Kernspaltungsprozess.
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Diese Eigenschaft macht es zum idealen Hüllmaterial für
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Kernbrennstäbe in Leichtwasserreaktoren.
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In einem Kernreaktor sind die Brennstoffpellets aus Uranoxid
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von Hüllrohren umgeben, die sie mechanisch zusammenhalten und
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den Brennstoff vom Kühlwasser trennen.
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Diese Hüllrohre müssen dem Neutronenfluss standhalten, ohne
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die Kettenreaktion wesentlich zu beeinträchtigen.
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Zirkoniumlegierungen die gebräuchlichsten sind Zirkaloi 2
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und zirkaloi 4 Legierungen aus Zirkonium mit kleinen Anteilen
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Zinn, Eisen, Chrom und Nickel erfüllen diese Anforderung
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nahezu ideal. Mehr als 90% des weltweit
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produzierten Zirkoniummetalls gehen in die Nuklearindustrie.
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Ein einziger Kernreaktor enthält dutzende Tonnen
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Zirkoniumlegierungen in Form von Brennstabhüllen und
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Strukturbauteilen. Die nukleare Reinheit des
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Zirkoniums ist dabei von entscheidender Bedeutung.
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Natürliches Zirkonium enthält immer geringe Mengen hafnium,
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das chemisch nahezu identisch mit Zirkonium ist, aber einen
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extrem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt
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hat. Das Gegenteil von dem, was man
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im Reaktor braucht für nukleare Anwendungen, muss der
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Hafniumgehalt auf unter 100 Parts per 1000000 reduziert
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werden, was aufwändige chemische Trennprozesse erfordert.
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Die Bedeutung von Zirkonium für die Nuklearsicherheit wurde auf
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tragische Weise sichtbar. Bei den Reaktorunfällen in
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Tschernobyl, 1986 und in Fukushima 2011 bei extrem hohen
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Temperaturen oberhalb von etwa 1200 Grad Celsius reagiert
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Zirkonium mit Wasserdampf und bildet dabei Zirkoniumdioxid und
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Wasserstoffgas. Wasserstoff ist Hochexplosiv und
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bei beiden Katastrophen trugen Wasserstoffexplosionen, die auf
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überhitzte Zirkoniumhüllen zurückgingen, erheblich zur
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Eskalation der Unfälle bei. Die Entwicklung von
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Zirkoniumlegierungen mit verbesserter
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Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist seither
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ein zentrales Forschungsfeld der Reaktorsicherheit.
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Abseits der Nuklearindustrie findet Zirkoniumdioxid also die
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keramische Verbindung, nicht das Metall selbst.
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Eine beeindruckende Vielfalt von Anwendungen, das bereits in der
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Ytriumfolge erwähnte Ytriumstabilisierte
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Zirkoniumdioxid Ybda and as Zeden ist eines der wichtigsten
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technischen Keramikmaterialien. Es wird als Wärmedämmschicht in
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Flugzeugtriebwerken aufgetragen, wo es die Turbinenschaufeln vor
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den extremen Verbrennungstemperaturen
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schützt. Es bildet die Elektrolytschicht
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in Festoxid Brennstoffzellen, die Gase direkt in elektrischen
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Strom umwandeln, und es ist das bevorzugte Material für
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hochwertige Zahnkeramik. Zahnkronen und Zahnbrücken aus
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Zirkoniumdioxid sind weiß wie natürliche Zähne, biokompatibel,
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außerordentlich hart und bruchzäh und haben traditionelle
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metallkeramik Restaurationen in der modernen Zahnmedizin
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weitgehend verdrängt. In der Chemie ist
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Zirkoniumdioxid ein wichtiger Katalysator und
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Katalysatorträger der. Es besitzt sowohl saure als auch
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basische Oberflächenstellen und katalysiert eine Vielzahl
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chemischer Reaktionen, darunter die Dehydrierung von Alkoholen,
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die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen und
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Reaktionen in der Feinchemie. Zirkonium, Tetrachlorid und
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verwandte Zirkoniumverbindungen sind wichtige
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Katalysatorkomponenten in der Ziegler Nata Polymerisation und
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in metallorganischen Katalysatoren, sogenannten
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Metallozenen, die zur Herstellung maßgeschneiderter
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Polymere mit definierten Eigenschaften eingesetzt werden.
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Im Bereich der Oberflächenbeschichtung dient
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Zirkoniumnitrid ZN. Als harte, goldfarben glänzende
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Schutzschicht für Werkzeuge, uhrengehäuse und dekorative
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Bauteile. Es ist härter als Titanitrit und
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hat einen ähnlichen goldenen Farbton, der es zu einem
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attraktiven und funktionellen Beschichtungsmaterial macht.
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Zirkoniumcarbid ZRC wiederum ist eines der härtesten bekannten
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Materialien und besitzt einen Schmelzpunkt von über 3500 Grad
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Celsius. Er gehört damit zu den höchsten
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aller bekannten Verbindungen, es wird in
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Hochtemperaturbeschichtungen und als Additive in Hartmetallen
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eingesetzt, medizinisch ist zirkonium ein ausgesprochen
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biokompatibles Material. Es ruft im menschlichen Körper
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kaum Immunreaktionen hervor und ist weder toxisch noch allergen.
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Zirkonium Implantate insbesondere in der Orthopädie
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und Zahnmedizin, werden von Patientinnen und Patienten mit
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Metallallergien eingesetzt, die auf herkömmliche Titan oder
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Kobalt Chrom Implantate nicht ausweichen können.
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In der experimentellen Medizin werden Zirkoniumverbindungen
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auch als Träger für Arzneimittel untersucht, die gezielt in
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Gewebe transportiert werden sollen.
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In der Elektronik spielen Zirkoniumverbindungen eine
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wachsende Rolle, hafniumcirconat und ähnliche Verbindungen werden
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als sogenannte Haica Dialektrica in der Halbleiterfertigung
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eingesetzt. Als Isolationsschichten in
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Transistoren ersetzen sie das klassische Siliziumdioxid, das
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bei immer kleiner werdenden Transistoren zu dünn wird, um
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noch ausreichend isolieren zu können.
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Der Übergang zu High Car Dilectrica war ein
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entscheidender Schritt bei der Weiterentwicklung moderner
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Mikroprozessoren und Zirkonium, steckt also auch in den Chips
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unserer Smartphones und Computer.
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Noch eine Eigenschaft von Zirkonium verdient besondere
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Erwähnung. Seine außergewöhnliche
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Korrosionsbeständigkeit, reines Zirkoniummetall, bildet an der
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Luft sofort eine dichte, festhaftende Oxidschicht, die es
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vor weiterer Korrosion schützt, ähnlich wie Aluminium oder
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Titan. In chemischen Anlagen wird
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Zirkonium deshalb überall dort eingesetzt, wo aggressive Säuren
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und Laugen mit Apparaten und Rohrleitungen in Kontakt kommen.
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Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure Zirkonium
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widersteht ihnen in einem breiten Konzentrations und
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Temperaturbereich, wo selbst hochlegierte edelstähle
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versagen. Diese Eigenschaft macht es zu
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einem der bevorzugten Konstruktionsmetalle der
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chemischen Industrie, auch wenn sein Preis deutlich höher liegt
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als der von Stahl. Man könnte Zirkonium als das
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unsichtbare Rückgrat zahlreicher Schlüsselindustrien bezeichnen,
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es hält Kernkraftwerke am Laufen, bewahrt
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Turbinenschaufeln vor dem Verbrennen.
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Macht Smartphone Chips möglich, schützt Zähne und Gelenke, lässt
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Diamanten erblassen und bewahrt in seinem Inneren die ältesten
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Zeugnisse unserer Erde. Es täuscht als glitzernder
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Schmuckstein, aber die eigentliche Tiefe dieses
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Elements liegt nicht im Funkeln, sondern in seiner Beständigkeit,
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seiner Vielseitigkeit und seiner Stillen Unverzichtbarkeit.
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Die Zirkone der Jack Hills, fast so alt wie die Erde selbst,
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erinnern uns daran, wie kostbar und einzigartig dieser Planet
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ist. Ist 4,4 Milliarden Jahre hat die
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Erde gebraucht, um das zu werden, was sie ist.
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Eine Welt mit flüssigem Wasser. Mit einer schützenden
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Atmosphäre, mit Ökosystemen von unvorstellbarer Komplexität und
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mit einer Menschheit, die fähig ist, in winzigen Kristallen die
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Geschichte des Kosmos zu lesen. Diese Welt ist nicht
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selbstverständlich, und sie ist nicht unverwüstlich.
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Wir sind die erste Generation, die das Ausmaß menschlicher
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Eingriffe in das Erdsystem vollständig überblicken kann.
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Und möglicherweise die letzte, die noch gegensteuern kann.
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Der Schutz unserer natürlichen Grundlagen, unserer Demokratien,
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in denen solche Entscheidungen frei und offen getroffen werden
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können und der Wissenschaft, die uns den Blick für diese
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Zusammenhänge schärft, ist keine Option, er ist eine Pflicht, die
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wir den Zirkonen von Ueterby und den Jack Hills Schulden und
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allen, die nach uns kommen. Danke, dass du heute dabei
22:14
warst, auf unserer Wissensreise durch das Periodensystem der
22:18
Elemente. Wenn dir diese Folge gefallen
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hat, Teile sie gerne und hinterlasse uns eine Bewertung,
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Folgen zu produzieren, bis zum nächsten Mal.