Wolfram: Das perfekte Metall für Kugeln und Raketen

Sep 15, 2023

Stellen Sie sich einen Eisenklumpen in der Größe eines Tennisballs vor. Wiegen Sie es in Ihrer Hand. Lassen Sie es nun auf Ihren Fuß fallen. Wie fühlt sich das an? Stellen Sie sich nun ein identisches Objekt vor, das dreimal so dicht ist. Wie würde es sich anfühlen, wenn du es fallen ließest? Würdest du jemals wieder laufen?

Dieses Metall ist Wolfram.

Es ist nicht nur unglaublich dicht, sondern auch unglaublich hart und hat mit 3.422 °C den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente.

Vor etwa einem Jahrhundert hatte die Welt keine Verwendung dafür – es war fast unmöglich, das Zeug zu formen oder zu bearbeiten. Doch heute verwenden wir Wolfram zum Schreiben, zum Überqueren von Gletschern, zum Aussenden von Röntgenstrahlen und zum Zerstören von Gebäuden ohne den Einsatz von Sprengstoff.

Um zu verstehen, wie dies geschah, müssen wir die Wettbewerbskräfte verstehen, die alles in unserer Welt geprägt haben, und wo könnte man da besser anfangen als mit einem Mysterium im Herzen der Evolution des Lebens?

In den ersten vier Milliarden Jahren hat sich das Leben kaum weiterentwickelt. Organismen waren klein, einfach und ziemlich selten. Dann geschah vor etwa 500 Millionen Jahren etwas Außergewöhnliches – die Fossilienfunde zeigen, dass es zu einer unglaublichen Explosion des Lebens kam.

Es entstand eine außergewöhnliche Vielfalt wunderbarer neuer Organismen. Es gibt Kreaturen mit Kulleraugen, Tentakeln an der Unterseite und einem Bogen dramatischer Stacheln auf dem Rücken, es gibt Tintenfische mit krabbenähnlichen Armen und seltsame Dinge wie schwebende Luftmatratzen mit einem Rand aus winzigen, winkenden Fingern.

Charles Darwin betrachtete die sogenannte „Kambrische Explosion“ als den stärksten Einwand gegen seine Theorie der natürlichen Auslese. Dieses abrupte Aufblühen der Arten widersprach der Idee einer schrittweisen Evolution.

Was könnte es also verursacht haben?

Viele Wissenschaftler glauben heute, dass diese große Verbreitung neuen Lebens durch die Entwicklung einer nach kambrischen Maßstäben exotischen neuen Fähigkeit vorangetrieben wurde – Theorien schließen das Auge oder sogar den Anus ein.

Oder wie wäre es mit Zähnen? Wurmartige Kreaturen mit Stacheln um den Eingang zu ihren Eingeweiden, die erstmals im Kambrium auftauchten, sehen auch heute noch furchterregend aus, aber denken Sie nur daran, was für wirksame Killer diese räuberischen Kiefer in einer Welt weicher, verletzlicher Organismen wären.

Und das ist nicht alles. Im Kambrium erscheinen auch Muscheln und Exoskelette erstmals in nennenswerter Zahl im Fossilienbestand. Es gibt auch erste Hinweise auf Höhlen, also auf Lebewesen, die sich in den Meeresboden eingegraben haben.

„Es ist, als würde man bei einer archäologischen Ausgrabung die beunruhigenden Überreste eines Wettrüstens finden – Schwerter mit Schilden, Gewehre mit Panzern, Bomben mit Luftschutzbunkern“, schrieb der Paläobiologe Martin Brasier.

Die Theorie besagt, dass sich der Rest der Schöpfung sehr schnell anpassen musste, um sich zu verteidigen, weshalb sich viele Lebewesen den Panzer aus Kalziumkarbonat erbrachen und warum sich einige Tiere entwickelten, um sich in Sicherheit zu graben.

Biologen nennen den Prozess Koevolution.

Sie fragen sich wahrscheinlich, was das alles mit Wolfram zu tun hat.

Nun, die Welt der Fertigung bringt einiges an Koevolution mit sich. Es werden neue Materialien entwickelt – zum Beispiel superfeste Legierungen –, mit denen sich beispielsweise ein Flugzeug oder eine Stromturbine widerstandsfähiger und oft auch leichter und billiger machen lässt.

Aber stärkere Komponenten erfordern härtere Werkzeuge, um sie zu bearbeiten – und hier kommt Wolfram ins Spiel. Element 74 im Periodensystem ist eine der härtesten Substanzen in der Natur.

Bei SGS Carbide, einem Werkzeughersteller vor den Toren Londons, wird viel davon verwendet. Sie fertigen eine Reihe von Bohrern und Schneidwerkzeugen für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und viele andere Industrien aus Wolframcarbid – einer superharten Verbindung aus Wolfram und Kohlenstoff – verklebt mit Kobalt.

Wie formt man also eines der extremsten Materialien der Welt?

Sie müssen das Einzige verwenden, was härter ist – Diamanten. Auch wenn man Diamantschneidwerkzeuge verwendet, ist die Arbeit mit einem unheiligen Kampf verbunden, auch wenn man das in der Fabrik von SGS Carbide nicht merkt. Es gibt weder Rauch noch Funken. Alles, was Sie hören, ist ein leises Summen von den Drehmaschinen und anderen Maschinen.

Jedes ist in einer eigenen schallisolierten Box untergebracht und verfügt über ein ausgeklügeltes Kühlsystem mit gekühltem Öl. Aber selbst mit diesen hochmodernen Maschinen kann das Schneiden eines einzelnen Bohrers 10 Minuten oder länger dauern. Und sie sind teuer – ein einzelner Bohrer kann mehr als 500 £ (750 $) kosten.

Doch da in der Industrie immer fortschrittlichere Legierungen verwendet werden, ist die Nachfrage nach den superstarken, superhaltbaren und superpräzisen Werkzeugen, die Unternehmen wie SGS Carbide herstellen, gestiegen. Da der größte Teil des weltweit geförderten Wolframs für die Herstellung dieser Werkzeuge verwendet wird, ist der Preis des Rohmetalls gestiegen.

Gleichzeitig scheint die wohl bekannteste industrielle Verwendung von Wolfram nun im Niedergang begriffen zu sein.

In einem kleinen Raum neben einem der Korridore der Chemieabteilung des University College London hält Prof. Andrea Sella eine altmodische Glühbirne hoch. Durch das klare Glas kann ich sehen, wie der zerbrechliche Glühfaden zittert, während er die Glühbirne sanft schüttelt.

„Je größer der Strom, desto heißer wird die kleine Wolframspule und desto heller leuchtet sie“, erklärt Sella.

Früher wurden alle unsere Häuser mit solchen Glühbirnen beleuchtet, aber es dauerte fast 100 Jahre, bis wir uns für Wolfram entschieden hatten. Die großen Wissenschaftler und Erfinder, die die ersten Glühbirnen entwickelten, probierten Glühfäden aus Platin, Iridium, karbonisiertem Nähgarn und sogar Bambus aus – letztere waren beides Innovationen von Thomas Edison.

Dann fand 1908 ein weiterer großer amerikanischer Erfinder, William D. Coolidge, endlich heraus, wie man Drähte aus extrem widerstandsfähigem Wolfram herstellen kann. Diese erwiesen sich als ideales Filamentmaterial – stark, langlebig und auf extreme Helligkeit erhitzbar, ohne zu schmelzen.

Wolframfäden haben uns ein Jahrhundert lang gute Dienste geleistet, aber die Wahrheit ist, dass sie immer viel besser Wärme erzeugten als Licht – bei manchen Glühbirnen gingen bis zu 97 % der Energie als Wärme verloren. Aus diesem Grund werden Glühlampen heute weltweit durch weitaus effizientere Kompaktleuchtstofflampen, Leuchtdioden und andere Technologien ersetzt.

Aber Wolfram ist immer noch die Basis der beiden entscheidenden Technologien, die uns helfen, die Welt auf ganz unterschiedliche Weise zu sehen.

Wolframfäden erzeugen die Röntgenstrahlen, die uns einen Einblick in das Innere unseres Körpers und unserer Knochen ermöglichen, aber auch in die Schweißnähte, die Schiffe, Flugzeuge und Brücken zusammenhalten. Es wird auch zur Bildung der Emitterspitzen der Elektronenkanonen verwendet, die es Elektronenmikroskopen ermöglichen, nach unten zu blicken und Objekte zu untersuchen, die so klein wie einzelne Moleküle sind.

Aber es war die Dichte von Wolfram, die ihm seinen Namen einbrachte – er kommt vom schwedischen Wort „tung sten“, was „schwerer Stein“ bedeutet.

Es ist fast dreimal so dicht wie Eisen, fast doppelt so dicht wie Blei und praktisch genauso dicht wie Gold.

Und wie die Verbreitung neuer Arten während der kambrischen Explosion haben sich alle möglichen seltsamen Anwendungen entwickelt, um die einzigartigen Eigenschaften von Wolfram auszunutzen.

Es wird in den Spikes in den Antriebsketten von Schneemobilen, in den Vibratoren, die unsere Mobiltelefone zum Wackeln bringen, wenn sie klingeln, in Gewichten für Angelgeräte, in den Kugeln von Kugelschreibern und in professionellen Darts verwendet.

Aus diesem Grund ist es Betrügern auch manchmal gelungen, sich einen leichten Gewinn zu verschaffen, indem sie vergoldete Wolframbarren als echt ausgeben. Und seine Dichte und Härte sind der Grund, warum das Militär Wolfram in einer anderen Art von evolutionärem Wettrüsten eingesetzt hat.

„Wolfram macht sehr gute Kugeln“, sagt mir der Militäranalytiker Robert Kelley. „Es ist so etwas, dass, wenn man es auf die Rüstung eines anderen abfeuert, dieser direkt durchdringt und ihn tötet.“

Und genau wie bei den Kreaturen des Kambriums muss man etwas dagegen unternehmen, sobald jemand anfängt, Zähne (oder Wolframgeschosse) zu benutzen.

„Wenn Sie Ihren Kugeln Wolfram hinzufügen, müssen Sie auch Ihrer Panzerung Wolfram hinzufügen“, sagt Herr Kelley.

Er beschreibt die faszinierende Balance, die Militäringenieure zwischen der Stärke von Wolfram und den Kosten für Treibstoff und Manövrierfähigkeit aufgrund des zusätzlichen Gewichts aushandeln müssen.

„Sie werden das Wolfram an der Seite des Tanks anbringen, aber nicht an der Oberseite. Dann werden die Leute Sprengköpfe entwickeln, die auf den Tank zufliegen und dann im letzten Moment nach oben steigen und dann darauf fallen, also muss man das tun.“ Beginnen Sie mit der Scharfschaltung der Oberseite des Tanks.

„Es ist also ein ständiges Geben und Nehmen.“

Und die außergewöhnlichen Eigenschaften von Wolfram haben zur Entwicklung einer Klasse von Raketen geführt, die ohne Sprengstoff auskommen.

Bei „kinetischen Bombardierungs“-Waffen werden im Grunde Wolframspeere mit unglaublicher Geschwindigkeit auf Ihr Ziel abgefeuert. Sie können dicke Stahlpanzerungen durchdringen und gewaltige, aber sehr örtlich begrenzte Verwüstungen anrichten.

Der einzige Konkurrent von Wolfram für diese Art der Anwendung ist das radioaktive Element Uran. Abgereichertes Uran ist (fast) so dicht wie Wolfram und hat – aus militärischer Sicht – den zusätzlichen Vorteil, dass es bei den extremen Temperaturen brennt, die entstehen, wenn man sich den Weg durch Stahlpanzerpanzerung bahnt.

Dadurch wird häufig der Sprengstoff im Tank in die Luft gesprengt.

„Sagen Sie es so: Wenn Sie der Typ im Tank sind, werden Sie sich nicht daran erinnern, was passiert ist“, sagt Kelley unverblümt.

Warum also verwendet das Militär immer noch Wolfram, wenn Uran diese makabre, aber nützliche Zusatzeigenschaft besitzt?

Denn wie die Menschen in Kuwait nach dem ersten Golfkrieg herausfanden, hinterlässt abgereichertes Uran nach seiner Verbrennung einen potenziell tödlichen Staub. Es klingt bizarr, aber in der Welt der Kriegsführung ist Wolfram die umweltfreundliche Alternative.

All diese sich entwickelnden militärischen und industriellen Anwendungen erklären, warum Wolfram von vielen Nationen als kritisches strategisches Element eingestuft wird.

Dennoch werden mehr als 80 % des weltweiten Angebots von China kontrolliert, und in den letzten Jahren hat China Beschränkungen für den Export von Wolfram – zusammen mit vielen anderen Rohstoffen – verhängt. Sie möchte die Entwicklung der High-Tech-Industrien, die Wolfram in China selbst verwenden, fördern.

Das hat auch dazu beigetragen, die Preise in die Höhe zu treiben, sodass sich der Abbau bisher unwirtschaftlicher nicht-chinesischer Lagerstätten lohnt.

Hemerdon, am Rande von Dartmoor, ist die erste neue Metallmine, die in Großbritannien seit 40 Jahren eröffnet wurde, und wird das drittgrößte Wolframvorkommen der Welt ausbeuten.

Es wird von einer Firma namens Wolf Minerals wiedereröffnet, benannt nach „Wolfram“, einem alternativen Namen für Wolfram und dem Grund, warum das Element im Periodensystem durch ein W dargestellt wird. (Tatsächlich ist „Volfram“ der in Schweden verwendete Name, wo „Wolfram“ sich auf Scheelit, Kalziumwolframat, bezieht.)

Dieses neue Bergwerk ist ein weiterer Ausdruck des Wettbewerbsdrucks, der die moderne Welt prägt und – wie wir herausgefunden haben – auch die Evolution in der Urwelt vorangetrieben hat.

Ironischerweise sind die Gesteine, die sie in Hemerdon abbauen werden, jedoch viel jünger als das Kambrium – nur 400 Millionen Jahre alt.

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