Zink in der Atmosphäre

Zink, das chemische Element mit der Ordnungszahl 30. In Spuren findet es sich überall. Und in Spuren ist es auch lebensnotwendig, als Bestandteil diverser Enzyme. Doch zuviel Zink ist giftig und schädigt unter anderem die Lunge. Genau deshalb versuchen Umweltchemiker, die Zink-Konzentrationen in der Luft so präzise wie möglich zu messen.

"Die Konzentrationen, ob es viel oder wenig ist, können wir schon relativ lange gut messen. Das ist nicht das Problem. Aber die Konzentration sagt uns nicht, von wo es kommt."

Dominik Weiss ist Schweizer, arbeitet aber schon lange am Imperial College in London. Sein Team hat eine Methode entwickelt, mit der sich nicht nur herausfinden lässt, wie viel Zink in der Umwelt steckt. Sie verrät auch, woher das Zink stammt – ob aus der Industrie oder aus dem Straßenverkehr. Der Trick dahinter: Zink ist nicht gleich Zink. Es gibt verschiedene Sorten von Zink, Zink-Isotope genannt. Diese Isotope haben zwar alle die gleichen chemischen Eigenschaften, sind aber unterschiedlich schwer. Das Entscheidende:

"Die Verhältnisse von diesen Isotopen sind verschieden. Es kommt darauf an, von wo das Zink eigentlich kommt. Man kann es vergleichen, als wenn es verschiedene Farben hätte: Wenn das Zink vom Autoverkehr kommt, können wir sagen, es ist rot. Und wenn es vom Abfallverbrennen kommt, ist es blau."

Nur: Wie trennt man bei einem Spurenelement, von dem sich gerade mal ein paar Nanogramm in einem Kubikmeter Luft finden, rot von blau? Um das zu schaffen, bedarf es extrem empfindlicher Messtechnik. Das Herzstück dieser Messtechnik steht im Labor von Dominik Weiss: eine Röhre aus Edelstahl, um die vier Meter lang, gebogen wie eine Banane –eine ausgesprochen krumme Banane.

"Das Instrument, mit dem wir diese Messungen machen, ist ein sogenanntes Massenspektrometer. Dieses Massenspektrometer hat die Möglichkeit, von einem Element die Isotopen zu trennen."

Das Prinzip: Am Anfang der Banane liegt eine Hochspannung an. Diese Hochspannung atomisiert die zinkhaltige Probe. Dabei wird das Zink elektrisch aufgeladen und fliegt dann durch das krumme Rohr. Hier passiert das Entscheidende.

"Wir haben einen Magnet. Die Isotopen werden abgelenkt entsprechend ihrer Massen, die sie haben. Und so können wir sie trennen und eine sehr hohe Präzision kriegen.""

Konkret: Ein Zinkteilchen mit der Massenzahl 66 ist ein bisschen schwerer als eines mit der Massenzahl 64. Dadurch wird vom Magneten nicht ganz so stark um die Kurve gelenkt wie das leichtere Zink-Teilchen. Die Folge: Am Ende der Banane landen unterschiedlich schwere Zink-Teilchen an unterschiedlichen Stellen – was sich mit einem Sensor messen lässt.

Im Prinzip gibt es solche Massenspektrometer zwar schon seit langem. Aber erst die neueste Generation ist empfindlich genug, um verschiedene Istopenverhältnisse bis auf ein 1000stel genau unterscheiden zu können. Und diese Empfindlichkeit braucht es, sagt Weiss – und untersuchte als Test die Luft von São Paulo auf ihren Zinkgehalt.

"Und die große Frage dort ist: Kommt es von der Verbrennung oder kommt es vom Verkehr? Das hat man nicht gewusst. Unsere Isotopenverhältnisse scheinen darauf hinzuweisen, dass es vom Verkehr kommt. Und dementsprechend können wir dann sagen: OK, wenn wir jetzt das Zink reduzieren, müssen wir beim Verkehr schauen und nicht beim Verbrennen vom Abfall."

Das Zink, sagt Weiss, kommt von den Bremsen der Autos. Wollte man die Emissionen verringern, müsste man künftig Bremsen mit weniger Zink oder weniger Abrieb verwenden. Und künftig will er seine neue Methode auf andere, vielleicht noch relevantere Schwermetalle übertragen – auf Kadmium etwa, und auch auf Quecksilber.