„Demon Nickel“, komm mit mir zurück zur Erde!

Letzte Woche kam es aufgrund der aktuellen Spannungen zwischen Russland und der Ukraine zu einem „epischen Short Squeeze“-Ereignis auf dem internationalen Finanzmarkt. Der Preis für Nickel, ein relativ seltenes Metall, stieg an der London Metal Exchange innerhalb von zwei Handelstagen um 250 % und erreichte damit einen neuen historischen Rekord. Dieses Finanz-Hotspot-Ereignis wurde von vielen Medien als „Dämon-Nickel-Markt“ bezeichnet. Lassen Sie uns nun durch Milliarden von Jahren des Universums reisen, um das vergangene und gegenwärtige Leben des „Dämonennickel“ zu erforschen.

01 Der Name "Demon Nickel" ist angeboren

Nickel (Ni), Element Nummer 28 im Periodensystem, ist ein silberweißes Metall mit einem Schmelzpunkt von 1453 °C und einem Siedepunkt von 2732 °C. Aufgrund seiner ähnlichen Atomstruktur und chemischen Eigenschaften wird es zusammen mit Eisen (Fe) und Kobalt (Co) als „Element der Eisengruppe“ bezeichnet.

Nickelmetall | Quelle: Internet

Im 17. Jahrhundert versuchten deutsche Kupferbergleute, Kupfer aus einem dunkelroten Erz mit einer grünen Beschichtung auf der Oberfläche zu gewinnen, jedoch ohne Erfolg. In ihrer Verzweiflung nannten sie es „Kupfernickel“, was „Koboldkupfer“ bedeutet. Im Jahr 1751 trennte der schwedische Mineraloge und Chemiker Axel Fredrik Cronstedt erstmals metallisches Nickel aus dem Erz und nannte es Nickel nach dem frechen Kobold aus der deutschen Bergmannslegende (ähnlich dem englischen Spitznamen für den Teufel, „Old Nick“).

Rotes Arsennickel-Erz (Kupfernickel) | Quelle: Internet

Erwähnenswert ist, dass Kobalt, ein enger Verwandter von Nickel, von Kronstedts Lehrer, dem schwedischen Chemiker George Brandt, aus Kobaltit (Kobaltarsenidsulfid) entdeckt und benannt wurde. und der Name Cobalt kommt vom deutschen Wort „Kobold“, was „kleiner Kobold“ bedeutet. Da nickel- und kobalthaltige Erze oft auch Arsen (As) enthalten, wird beim Schmelzprozess hochgiftiges Arsentrioxid (Arsen) freigesetzt, das eine ernsthafte Gefahr für die Gesundheit der Arbeiter darstellt. In diesem Sinne verdienen sowohl „Dämon Nickel“ als auch „Dämon Kobalt“ ihren Namen!

02 Woher kommt der „Dämon Nickel“?

Gehen wir zurück zum Anfang des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren und sehen wir, wie die Elemente entstanden, aus denen diese bunte Welt besteht. Der Urknalltheorie zufolge, die die Entstehung des Universums beschreibt, synthetisierten Protonen und Neutronen innerhalb weniger hundert Sekunden nach dem Urknall Wasserstoff, Helium und eine sehr kleine Menge Lithium. Im Jahr 1957 veröffentlichten die Burbidges, Fowler und Hoyle die berühmte B2FH-Theorie, die besagt, dass andere Elemente auf der Grundlage von primordialem Wasserstoff und Helium, das beim Urknall entstand, durch eine Reihe von Prozessen wie Sternbrennen, langsamem Neutroneneinfang (s-Prozess) und schnellem Neutroneneinfang (r-Prozess) synthetisiert wurden. Im Inneren eines massereichen Sterns verschmelzen weiterhin leichte Elemente, wobei Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff und Silizium von außen nach innen verbrennen, bis ein Eisen-Nickel-Kern entsteht. Elemente mit höheren Ordnungszahlen können bei Ereignissen wie Supernova-Explosionen und der Verschmelzung zweier Neutronensterne entstehen.

Schematische Darstellung von Kernreaktionen und Schichtstrukturen im Inneren roter Riesensterne | Quelle: Internet

Obwohl Wissenschaftler die B2FH-Theorie noch immer verbessern, erweitern und perfektionieren, steht fest, dass die meisten Elemente unseres Sonnensystems im Laufe mehrerer Runden der Sternentwicklung nach und nach synthetisiert wurden.

Der Ursprung der Elemente des Sonnensystems. Nickel entsteht durch den Nukleosyntheseprozess bei der Explosion weißer Zwerge und im Inneren massereicher Sterne. | Bildquelle: SDSS.org

03 „Dämonen-Nickel-Basislager“

Da die chemische Zusammensetzung der kohlenstoffhaltigen Chondriten der CI-Gruppe (mit Ausnahme einiger flüchtiger Elemente) der der Sonnenphotosphäre sehr nahe kommt, werden sie häufig verwendet, um die durchschnittliche Zusammensetzung des gesamten Sonnensystems annähernd darzustellen. Basierend auf dieser Berechnung beträgt der durchschnittliche Nickelgehalt im Solarsystem etwa 1,1 Gewichtsprozent; während der durchschnittliche Nickelgehalt in der Erdkruste nur 80 ppm beträgt, weniger als ein Prozent des durchschnittlichen Gehalts im Sonnensystem. Wo ist also der ganze „Dämonennickel“ geblieben?

Um diese Frage zu untersuchen, müssen wir bis zur Entstehung des Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren zurückgehen, um das Schmelzen und die Differenzierung der Planeten zu verstehen. Damit ist der Vorgang gemeint, bei dem bei der Entstehung eines Planeten die durch den Zerfall radioaktiver Nuklide erzeugte Wärmeenergie zum Schmelzen der darin enthaltenen Materialien führt. Aufgrund der Unmischbarkeit von Metall- und Silikatschmelzen „sinkt“ das dichtere Eisen-Nickel-Metall und bildet einen metallischen Kern, während der leichtere Silikatanteil „aufschwimmt“ und die Struktur einer Schale und eines Mantels entwickelt. Offensichtlich ist der Kern das „Dämonen-Nickel-Basislager“ auf der Erde, und die meisten Nickelelemente der Erde befinden sich im Kern.

Schematische Darstellung der Kern-Mantel-Kruste-Struktur eines terrestrischen Planeten | Quelle: Modifiziert aus dem Internet

Millionen Kilometer von der Erde entfernt beherbergt der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter Millionen von Asteroiden. Darunter befinden sich zahlreiche metallische Asteroiden, die neben den Kernen der Riesenplaneten eine weitere „Nickelbasis“ im Sonnensystem darstellen. Eisenmeteorite sind Proben von metallischen Asteroiden und ihr Nickelgehalt kann 5–17 Gew.-% oder mehr betragen. Eisenmeteorite bestehen hauptsächlich aus Eisen-Nickel-Metallen und deren Sulfiden, Phosphiden usw. und weisen bei Korrosion durch Säure häufig charakteristische Vickers-Teden-Strukturen auf. Da Eisen-Nickel-Legierungen eine gute Korrosionsbeständigkeit und Duktilität aufweisen, begannen die Menschen der Antike bereits vor Tausenden von Jahren, Meteoriteneisen zur Herstellung von Waffen und Werkzeugen zu verwenden.

Vickers-Teden-Struktur des Carbo-Eisenmeteoriten | Quelle: Modifiziert aus Meteorites & the Early Solar System II

04 Fang den „Dämonennickel“!

Nickel ist ein wichtiges Industriemetall mit großer Nachfrage in Branchen wie der Stahl-, Maschinenbau-, Bau- und Chemieindustrie. Allerdings sind die Nickelreserven in der Erdkruste begrenzt und der Abbau von Nickelerz hat zahlreiche negative Auswirkungen auf die ökologische Umwelt der Erde. Um die natürlichen Ressourcen und die Umwelt der Erde zu schützen, haben die Menschen begonnen, ihre Aufmerksamkeit auf die Entwicklung und Nutzung von Weltraumressourcen zu richten. Die NASA plant, den Asteroiden 16 Pysche zu erforschen, der einen Durchmesser von etwa 200 Kilometern hat und aus Eisen-Nickel-Metallen sowie Edelmetallen wie Platin und Gold besteht. Der Wert des Asteroiden wird auf über 100 Billionen US-Dollar geschätzt. Selbst wenn es gleichmäßig unter den 8 Milliarden Menschen auf der Erde aufgeteilt würde, würde jeder Mensch auf der Erde Millionär werden.

Konzeptbild der Erkundung des Asteroiden 16 Psyche | Quelle: NASA

Im letzten Jahrzehnt haben sich Dutzende in- und ausländischer Unternehmen der Forschung und Entwicklung von Asteroidenbergbautechnologie verschrieben. Obwohl die Technologie noch nicht ausgereift ist, wird mit der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft die Erschließung und Nutzung von Weltraumressourcen der allgemeine Trend sein. Stellen wir uns einmal vor, dass Weltraumbergbauroboter in der Zukunft frei im Asteroidengürtel kreuzen und, nachdem sie den eisen- und nickelreichen Zielasteroiden entdeckt haben, ihn packen und sagen: „Nickelmonster, komm mit mir zurück zur Erde!“ Ich bin überzeugt, dass diese Vorstellung in naher Zukunft Wirklichkeit wird!

Hypothetisches Bild des Weltraumbergbaus | Quelle: DeepSpaceIndustries

Autorenprofil: Wang Ying, assoziierter Forscher am Astrochemistry and Planetary Science Laboratory, Purple Mountain Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Forschungsgebiet: Meteoritenwissenschaft und Astrochemie.

(Dieser Artikel wurde zuerst auf dem öffentlichen WeChat-Konto „Shanghai Planetarium“ veröffentlicht.)

Rotierender Chefredakteur: Su Yang

Herausgeber: Wang Kechao