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Schaubilder: Kernfusionschritte in den Sonnen

DIE ENTSTEHUNG DER ELEMENTE: Nach dem Urknall lag alle Materie in der Form von Wasserstoff und Spuren von Helium vor. Jedwede Materie krümmt den Raum, was bedeutet, dass sie das Raumgefüge so verändert, dass sie in eine Wechselwirkung miteinander tritt, ganz gleich wie weit zwei Materieansammlungen voneinander entfernt sind. Im Newtonschen Weltbild wurde diese Erscheinung als Schwerkraft (Gravitation) bezeichnet. Die Gravitation jedoch ist keine Kraft im herkömmlichen Sinne, sondern eine Eigenschaft der Materie selbst, welche sich jedoch als Kraft beschreiben lässt. Nun kam es also dazu, dass sich Wasserstoffwolken durch ihre Anziehung zu verdichten begannen. Verdichtung bedeutet auch Reibung, was wiederum Erzeugung von Wärme bedeutet. Hat eine solche Wasserstoffansammlung nun eine genügend große Masse, um durch die entstehende Wärme so heiß zu werden, dass schließlich der Wasserstoff erst zu Plasma und dann zu verdichtetem Plasma wird, in welchem die Atomkerne in Reaktion miteinander treten können, so entsteht eine Sonne. Sonnen sind nichts anderes, als riesige Kernfusionsreaktoren. (Fast) alle Energie eines Sonnensystems stammt von der Sonne, die sie erzeugt und abstrahlt. Wäre z.B. unsere Sonne nur ein Drittel so groß, so hätte vor ca. 5 Mrd. Jahren ihre Masse nicht ausgereicht, um durch die Verdichtung und die damit auftretende Wärmeentwicklung das Fusionsfeuer zu entzünden. Der Jupiter ist ein Beispiel für eine Wasserstoffansammlung, deren Masse dafür eben nicht ausreicht. Unsere Sonne fusioniert 4 Tonnen Wasserstoff in der Sekunde zu Helium! Die dabei auftretende Energie ist so gewaltig, daß sie - wie eine Masse - einen Druck erzeugt (Strahlungsdruck). Der Raum um eine Sonne herum, ist jedoch durch ihre Masse so stark gekrümmt, daß es dabei zu zwei Effekten kommt: a) Um die Sonne herum werden durch diese Raumkrümmung Planeten auf Bahnen gelenkt; eigentlich "fliegt" auch z.B. die Erde fortwährend "geradeaus", doch durch die Raumkrümmung wird diese Geradeausbewegung zu einer Kreisbahn (um die Sonne herum) verzerrt. b) Da die Raumkrümmung ist ja im Zentrum der Masseansammlung am Größten ist, wird die Materie der Sonne stark zusammengehalten ("Schwerkraft"). Sie dehnt sich gerade soweit aus, bis sich der Strahlungsdruck der erzeugten Energie und die Gravitation ihrer Masse gerade die Waage halten. Solange die Sonne nun Wasserstoff fusioniert, besteht zwischen den beiden Effekten ein recht stabiles Gleichgewicht. Eine Sonne durchlebt grob fünf Stadien, in welchen sie fortwährend Kerne fusioniert und dabei ungeheuere Energiemassen freisetzt: 1. DIE HELIUMFUSION Solange genügend Wasserstoff in einer Sonne vorhanden ist, entsteht durch die Fusion in erster Linie Helium. Dies geschieht in drei Schritten: Zunächst wird aus zwei Wasserstoffkernen (Protonen) ein Deuteriumkern. (Siehe Schaubild rechts, Heliumfusion, erste Reihe). Deuterium ist chemisch gesehen, ebenfalls Wasserstoff, der jedoch neben seinem Proton auch ein Neutron enthält. Dieser fusioniert mit einem weiteren Wasserstoffkern (Proton) zu dem Heliumisotop 3 (Schaubild rechts, Heliumfusion, zweite Reihe). Bei beiden Prozessen werden große Energiemengen frei. Der letzte Fusionsschritt besteht darin, daß zwei dieser He-3-Kerne über die Zwischenstufe Be-6 (Berylliumkern, 4 Protonen und 2 Neutronen) zu He-4 unter Ausschleudern von zwei Protonen fusionieren (Schaubild rechts, Heliumfusion, dritte Reihe). Solange genügend Wasserstoff vorhanden ist, ist dies der letzte Schritt der Fusion. So verbraucht also die Sonne mit der Zeit immer mehr Wasserstoff und wird immer heliumreicher. 2. DIE KOHLENSTOFF-FUSION (3-Alpha-Prozeß). Ist nun der Wasserstoff in einer Sonne durch den fortschreitenden Fusionsprozeß aufgebraucht, so läßt der Strahlungsdruck zunächst nach, da die Temperatur im Inneren der Sonne abfällt. Das Fusionsfeuer droht zu erlöschen. Nun zieht sich - da der Strahlungsdruck ja abnimmt - die Sonne infolge der Gravitation zusammen. Dadurch entsteht aber infolge der Verdichtung und damit der Reibung weitere Wärme. Sobald daraufhin eine Temperatur von 1,6 Mrd °C erreicht wird, beginnt die zweite Fusionsstufe: Nun sind genügend große Energiemengen vorhanden, um Helium zu fusionieren. Zwei He-4-Kerne verschmelzen im ersten Schritt zu einem Be-8-Kern, der jedoch nicht sehr stabil ist (Schaubild rechts, Kohlenstofffusion, erste Reihe). Gelingt es diesem Be-8-Kern jedoch, vor seinem Zerfall einen weiteren He-4-Kern einzufangen, so entsteht das überaus stabile Kohlenstoff-Isotop 12 daraus (Schaubild rechts, Kohlenstofffusion, zweite Reihe). Treffen gar zwei Be-8-Kerne aufeinander, so wird Sauerstoff fusioniert (O-16, Schaubild rechts, Kohlenstofffusion, dritte Reihe). Diesen Fusionsprozeß bezeichnet man auch als 3-Alpha-Prozeß, da bei ihm drei He-4-Kerne (= Alphateilchen) in Reaktion treten. In der Hauptsache entsteht also daraus Kohlenstoff und Sauerstoff in Spuren. Bei diesen Fusionsprozessen werden noch viel gewaltigere Energiemengen frei, als bei der Heliumfusion. Dies hat zur Folge, daß sich die - im ersten Schritt verdichtete Sonne - nun aufzublähen beginnt. Und zwar so weit, bis sich wiederum Strahlungsdruck und Gravitation die Waage halten. Da der Strahlungsdruck jedoch viel höher ist, als er es bei der Heliumfusion der Fall war, wird dieses Gleichgewicht erst bei einer viel größeren räumlichen Ausdehnung erreicht: Aus der Sonne entsteht ein Roter Riese. Dies wird in unserem Sonnensystem in schätzungsweise 5 Mrd. Jahren der Fall sein. Während die Heliumfusion recht lange andauert, und über insgesamt (bei einer Sonne der M-Klasse) 10 Mrd. Jahren konstant Energie liefert, läuft die Kohlenstofffusion - dank höherer Temperaturen - schneller ab. In einem Zeitraum von nur 100-200 Mio. Jahren wird der Rote Riese sämtliches Helium zu Kohlenstoff und Sauerstoff fusioniert haben. 3. DIE PROGRESSIVE EISENFUSION: Daraufhin passiert dann zunächst wieder dasselbe, wie schon zuvor durch die nahende Erschöpfung des Wasserstoffvorrates bei der Heliumfusion: Das Fusionsfeuer droht abermals zu erlöschen, der Strahlungsdruck nimmt rapide ab, der Rote Riese kollabiert regelrecht. Doch durch den Kollaps verdichtet sich abermals seine Materie, und damit erhöht sich wiederum die Temperatur. Das "Spiel" beginnt von Neuem, und es werden bei noch höheren Temperaturen in noch kürzerer Zeit stufenweise immer schwerere Kerne fusioniert. Der schwerste Kern, bei dessen Fusion noch Energie frei wird, ist der Eisenkern (Fe-56). Ist also - nach einer Abfolge von Aufblähung und anschließendem Kollaps, in immer kürzer werdenden Intervallen - schließlich ein Stadium erreicht worden, in welchem soviel Fe-56 fusioniert wurde, daß die Konzentration der übriggebliebenen leichteren Elementen nicht mehr ausreicht, um weiter zu fusionieren ("mehr Asche als Brennstoff"), so nimmt der Strahlungsdruck der sterbenden Sonne ein letztes Mal ab, und es setzt wiederum ein Kollaps ein. 4. DIE SUPERNOVA-EXPLOSION. Die Sonne zieht sich immer mehr zusammen, erreicht daraufhin immer höhere Temperaturen (mehrere Billionen Grad Celcius), bis es schließlich zu einer gigantischen Explosion kommt, bei welcher ein Großteil der Sonnenmasse mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in den freien Weltraum katapultiert wird. Das ist das Ende eines Sonnensystems: Die Supernova-Explosion. Dabei werden auch viele Atomkerne zertümmert, es treten Massen freier Neutronen auf, die nun andere - noch intakte Kerne - regelrecht bomardieren (Schaubild rechts, Feld rechts unten). Durch dieses Bombardement entstehen fortwährend schwerere Kerne, dieser Neutronenfang führt bis zu Kernen von einer Masse über 300 u. Durch anschließenden radioaktiven Zerfall dieser Kerne, entstehen nach und nach stabile Kerne. Es werden im Endeffekt alle Elemente von Cobalt (OZ 27) bis etwa Element 118 gebildet. Die schwereren Kerne zerfallen jedoch recht rasch; am Ende dieser Zerfallsreihen steht das Blei. Deshalb ist Blei (OZ 82) im Universum bei weitem häufiger als die beiden Nachbarkerne Thallium (81) und Wismut (83). Von den schwereren Kernen als Blei verbleiben einzig Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium in größeren Mengen, da sie entsprechend hohe, zwischen 100 Mio und mehreren Milliarden Jahren lange Halbwertzeiten haben. Auch die leichten - und auffallend seltenen Elemente Lithium, Beryllium und Bor (OZ 3-5), entstehen erst beim Zertrümmerungsprozeß, und nicht durch die Fusion! Häufige Zerfallsprodukte aus Radionukleiden mittlerer Massenzahlen sind die Elemente Tellur (OZ 52), Zinn (OZ 50), Nickel (OZ 28) und Calcium (OZ 20), die aus diesem Grunde - genau wie Blei - ebenfalls auffallend häufig sind. 5. GRAVITATIONSKOLLAPS An Stelle der Sonne - durch die während der Explosion noch vorhandene extrem starke Raumkrümmug - wird jedoch nicht alle Materie ins freie All geschleudert, sondern ein immenser Teil zurückgehalten. Je nach Größe dieser verbleibenden Masse, die hauptsächlich aus Eisen besteht, können jetzt drei Endzustände erreicht werden: a) Weißer Zwerg. Ist die verbleibende Masse relativ gering, so verdichtet sie sich lediglich so, daß die Struktur von Atomkern und Atomhülle zwar stark zusammengezogen sind; sie aber strukturell intakt bleiben. Es entsteht ein so genannter weißer Zwerg, der aus Materie von hoher Dichte besteht. Weiße Zwerge können theoretisch "Keime" für neue Sonnensysteme sein: Können sie infolge der Raumkrümmung, die sie verurachen, Wasserstoffwolken an sich heranziehen, kann daraus eine neue Sonne entstehen, die abermals die Fusion beginnt. Ansonsten wird der weiße Zwerg über Jahrmilliarden unverändert durchs All treiben, und sich - durch fortwährende geringe Abstrahlung von Energie - irgendwann aufgelöst haben. b) Neutronenstern. Ist die verbleibende Masse so groß, als das die Gravitation imstande sein wird, die Atomhüllen in die Kerne zu ziehen, so entstehen aus den Atomen vollständig Neutronen (Proton+Elektron -> Neutron + Energie). Neutronensterne haben im Wesentlichen zwei Eigenschaften: Sie rotieren in sehr hoher Geschwindigkeit um sich selber, und geben dadurch Energie in Form von Gravitationswellen ab. Da diese das Raum-Zeit-Gefüge wellenartig verzerren, scheinen sie - betrachtet man sie im Roentgenlicht - zu pulsieren. Daher nennt man sie auch "Pulsare". Außerdem haben Neutronensterne eine immens hohe Dichte. Ein Kubikzentimeter Neutronen wiegen (theoretisch) über 300.000 Tonnen (!). Dies hat eine extreme Raumkrümmung zur Folge; um Neutronensterne herum herrscht also ein starkes Schwerefeld und die Zeit verstreicht deutlich langsamer. c) Singularität, Schwarzes Loch. Ist die Masse noch größer, so werden selbst die Strukturen der Neutronen (Quarks) in sich zusammengezogen. Dadurch erleidet diese Masse einen Gravitationskollaps; sie fällt komplett in sich zusammen. Die dabei entstehende, extreme Raumkrümmung ist so stark, daß diese Materie auf ein kleinstes Volumen - wenn man überhaupt noch, dank einem völlig verzerrten Raum-Zeit-Gefüge von Volumen sprechen kann - komprimiert. Die Gravitation nimmt eine solche Intensität an, daß bis zu einer gewissen "Entfernung" selbst die Lichtgeschwindigkeit nicht ausreicht, um die entstandene Raumkrümmung zu überwinden, sprich - dem Raum um das Schwarze Loch herum, zu entkommen: Selbst Energie kann aus einer Singularität nicht nach außen dringen. Daher sind solche Phänomene nicht direkt sichtbar, weswegen man sie als "Schwarze Löcher" bezeichnet. Das Schwarze Loch ist der Endzustand der Materie; in gewisser Weise stellt es das genaue Gegenteil des Prozesses dar, der beim Urknall die Materie erzeugte. Man kann darüber mutmaßen, ob Schwarze Löcher nichts anderes als Subraumöffnungen sind, in welchen durch einen Urknall ein neues Universum erzeugt wird. In diesem Falle wäre auch unser Universum nichts anderes als die Subraumöffnung eines anderen Universums ("Hyperraum"), in welchem vor ca. 13 Mrd. Jahren eine Sonne durch einen Gravitationskollaps zu einer Singularität kollabierte. Durch solche Prozesse entstanden also nach und nach alle Elemente, die schwerer als Helium sind. Dennoch besteht unser jetziges Universum noch immer zu 90% aus Wasserstoff und zu 9% aus Helium. Fast ein weiteres Prozent machen die Elemente Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Neon und Eisen aus. Alle anderen Elemente bilden einen verschwindend geringen Anteil, aus welchem sich jedoch alle Planeten und Lebensformen zusammensetzen. Für die Zukunft gilt also, daß der Wasserstoff- und Heliumanteil fortwährend geringer wird, während das Eisen stets häufiger wird. Vielleicht ist Eisen eines Tages in einer sehr fernen Zukunft das einzige, überhaupt noch existierende Element (neben Spuren der schwereren und leichteren Elemente).