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Aluminium als Element

Das Wort Aluminium leitet sich aus dem lateinischen alumen für Alaun ab und ist im Periodensystem der Elemente in der 3. Hauptgruppe (auch Borgruppe genannt) zu finden. Das Element mit der Ordnungszahl 13 besitzt nur ein einziges stabiles Isotop (Al-27), wobei es weitere 8 Radionukleotide gibt.1 Durch seine niedrige Dichte von 2,7 g/cm3 gehört es neben Magnesium, Titan, Lithium, etc. zu den Leichtmetallen, wobei sein Schmelzpunkt bei nur 660,4 °C (Siedepunkt bei 2467 °C) liegt.3 Mit 8,1 Gewichtprozent ist Aluminium nach Sauerstoff und Silicium das 3. häufigste Element der Erdkruste, allerdings liegt es aufgrund seiner enormen Reaktionsfreudigkeit so gut wie ausschließlich in gebundener Form vor (mit einer hohen Affinität zu Sauerstoff).2 Den höchsten Aluminiumgehalt aller Verbindungen weist das Sedimentgestein Bauxit auf und dient somit als effizienteste Grundlage zur Aluminiumgewinnung (siehe auch Aluminiumgewinnung), da die natürlichen Reinvorkommen von Aluminium schwindend gering sind.

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017

Die Historie des Aluminiums

Die Verwendung des Aluminiums entwickelte sich schon sehr früh in der menschlichen Geschichte. Schon etwa 1000 v. Chr. nutzten die Ägypter und anschließend auch die Römer Alaun (heute bekannt als Tonerde oder chemisch Kaliumaluminiumsulfat) als Färbe- und Gerbmittel. Im 1. Jahrhundert n. Chr. berichtete der römische Schriftsteller Plinius von der Herstellung des "Alumen Romanum" aus syrischem Alaunschiefer, welches vornehmlich gegen innere Entzündungen verabreicht wurde. Im Anschluss daran änderte sich in der Verwendung des Aluminiums lange Zeit nicht viel, bis Mitte des 18. Jahrhunderts der wirtschaftliche Nutzen des Aluminiums erkannt wurde.

1754

der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Marggraf entdeckt eine „neue Erde“, die er Alaunerde (nach heutigem Stand Aluminiumoxid (Al2O3) nannte. Marggraf gelang sogar als erstem Menschen die Gewinnung von geringen Mengen stark verunreinigter Tonerde;1

1808

Humphrey Davy forschte an Bestandteilen von Eisenlegierungen und erkannte so die die Eigenschaften der Alaunerde, für welche er fortan den Namen Aluminium vorschlägt;3

1821

im südfranzösischen Les Baux (bei Arles) wird Bauxit entdeckt, welches von nun an bis heute der einzig sinnvoll verwendbare Ausgangsstoff zur Gewinnung von Aluminium ist, da es einen Anteil an Aluminiumoxid von etwa 50% hat (siehe auch Aluminiumgewinnung);2

1825

durch  Reduktion von Aluminiumchlorid mittels Kaliumamalgam erhält Hans Christian Oersted erstmals nahezu reines Aluminium in sehr geringen Mengen;3

1827

Friedrich Wöhler gelingt die Herstellung von 30g eines noch reineren Aluminiums über die Verwendung von metallischem Kalium (als Reduktionsmittel)1,2, zu dieser Zeit war Aluminium teurer als Gold (siehe auch Preisentwicklung des Aluminiums);

1852

Henri Saint-Claire Deville produzierte in einer Verfeinerung des „Wöhler-Prozesses“ größere Mengen Aluminium mit hohem Reinheitsgrad mittels Elektrolyse;4

1886

das Geburtsjahr der modernen Aluminiumindustrie: Charles Martin Hall und Paul Lois Toussaint Héroult entwickeln unabhängig voneinander die Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung von Aluminium und melden diese zum Patent an;1,2,4

1888

Karl Bayer lässt ein Verfahren der Gewinnung von Aluminiumoxid aus Bauxit zur billigen Aluminiumherstellung (Bayer-Verfahren) patentieren, dies sollte den Weg für den großtechnischen Einsatz des Leichtmetalls für die Zukunft ebnen2; zusammen ließen diese Errungenschaften den Preis für Aluminium um 80-90% fallen (siehe auch Preisentwicklung des Aluminiums);

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Bauxitvorkommen

Das 1821 entdeckte Erz Bauxit enthält ungefähr 50 % Aluminiumoxid (Tonerde) und diente seitdem als einzig effizienter Grundstoff zur Gewinnung von Aluminium. Nach der Einführung der Schmelzflusselektrolyse um 1887 nahm mit steigender Aluminiumproduktion auch der Bedarf an Bauxit rasch zu. So wurden 1885 nur 200 Tonnen und im Jahr 2012 etwa 50 Millionen Tonnen Bauxit verarbeitet.5 In der Folge wurden Abbaugebiete über 60 Ländern erschlossen.3 Die Hauptfördergebiete sind derzeit Australien, Asien (China, Indien, Kasachstan, Indonesien) und Südamerika (Brasilien, Venezuela, Suriname, Guyana). Die Hauptabbaugebiete Europas sind Teile Russlands, Frankreich, Ungarn, Griechenland, Bosnien und Herzegowina, stellen allerdings nur einen sehr geringen Anteil am weltweiten Bauxitvorkommen. Deutschland hat nur sehr geringe Ressourcen an Bauxit, die nicht gefördert werden.7 Die weltweit bekannten Vorräte an Bauxit werden auf über 22 Milliarden Ton­nen geschätzt.2

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017

Bauxitabbau

Bauxit wird über aufwendigen Tagebau gefördert und lohnt sich nur dann, wenn der Aluminiumoxidgehalt über 30 % (bei Vorort-Verarbeitung) bzw. über 50 % (bei Fernverarbeitung) liegt.2 Durch den Abbau des Erzes Bauxit (und dessen Aufbereitung mittels Bayer-Verfahren)  werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar werden.3 Glücklicherweise verstand man es früh genug, sich um die Rekultivierung der Abbauflächen zu bemühen, so dass heute ein Bauxitabbau nur in Kombination mit einem geeigneten Rekultivierungsplan einhergeht, wobei die Rekultivierungszeit etwa 5-10 Jahre bedarf, um den natürlichen Grundzustand wieder herzustellen.4 Dabei wer­den etwa 85 % der Bauxitabbauflächen neu aufge­forstet, 10 % für landwirtschaftliche Zwecke erschlossen und die verbleibenden etwa 5 % zum Beispiel für Wohn- oder Gewerbegebiete genutzt werden.2 Der Bauxitabbau wird von einem kontinuierlichen Umweltmo­nitoring begleitet, das Erosionskontrollen sowie Wasser- und Abfallmanagement einschließt.2

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Aluminiumgewinnung

Erst mit der Weiterentwicklung von anfänglich sehr aufwendigen Isolationsverfahren und der Entdeckung von Bauxit Anfang des 19. Jahrhunderts bekam die Gewinnung von Aluminium an Bedeutung. Über verschiedene Entwicklungsstufen zeigte sich schlussendlich die so genannte Schmelzflusselektrolyse als die effizienteste Methode, die in Kombination mit dem von Karl Bayer (Bayer-Verfahren) patentierten Verfahren zur Tonerdegewinnung seine volle Kapazität zeigte. Hierbei wird Bauxit zunächst mit Natronlauge behandelt, was zu einer Auswaschung des enthaltenen Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch führt, welches gefiltert und zur Stabilisierung gebrannt wird. Der anschließende Prozess zur Herabsetzung des Schmelzpunkts von Aluminiumoxid (über Kryolith) ist sehr energieaufwendig. Ist der Schmelzpunkt erst einmal herabgesetzt kann die eigentliche Schmelzflusselektrolyse beginnen. Hierbei handelt es sich nicht um eine klassische Elektrolyse in einem wässrigen Medium, sondern eine heiße Salzschmelze, die als Elektrolyt dient, da enorme Temperaturen zur Erschließung von Aluminium notwendig sind. Bei der Elektrolyse sammelt sich das flüssige Aluminium an der am Boden befindlichen Kathode, wobei sich oben an der Anode Sauerstoff sammelt, der mit dem Graphit (Kohlenstoff) der Anode zu Kohlendioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert. Das reine und flüssige Primäraluminium kann nun einfach vom Boden abgesaugt werden.3

Aufgrund des enormen Energieaufwandes zur Gewinnung von Primäraluminium (12,9–17,7 kWh pro produziertem Kilogramm Roh-Aluminium6) ist es umso wichtiger das Aluminium mit bis zu 100% seines Materials wiederverwertbar ist und dies bei einem minimalen Energieaufwand von nur 5% der eigentlichen Herstellungsenergie und ohne Qualitätsverlust des Materials.

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Verarbeitung

Aluminium ist ein unedles und damit sehr reaktionsfreudiges Element. Seine hohe Affinität zu Sauerstoff lässt reines Aluminium binnen kurzer Zeit mit der ihn umgebenden Luft reagieren, wodurch sich eine Oxidschicht von etwa 0,05 µm bildet (eine so genannte passivierende Oxidschicht), die es sehr korrosionsbeständig macht.3 Allerdings ist Aluminium ein relativ weiches Metall mit einer Zugfestigkeit von bei 49 MPa. Um seine Zugfestigkeit auf 300 bis 700 MPa und sein Elastizitätsmodul auf bis zu 70.000 MPa zu erhöhen kann Reinaluminium mit verschiedenen anderen Metallen und Nichtmetallen (z. B. Kupfer, Magnesium, Nickel, Zink, Zinn, Silicium, etc) legiert werden.3 Je nach Legierung verringert sich seine Korrosionsbeständigkeit, bleibt jedoch dehnbar und kann weiterhin durch verschiedene Verfahren verarbeitet werden, wobei es so in diversen industriellen Anwendungsgebieten (siehe auch industrielle Verwendung) als Baustoff dienen kann. Aluminiumlegierungen werden durch Schmelzen, Sintern oder mechanisches Vermengen hergestellt. Je nach Eignung für die Verarbeitung unterscheidet man Guss- und Knetlegierungen, dabei jeweils noch aushärtbare und nicht-aushärtbare Legierung2

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017

Industrielle Verwendung

Aluminium findet aufgrund seiner Eigenschaften in vielen Bereichen, wie z. B. der Elektrotechnik, der Elektronik aber auch als Verpackung und Behälter Verwendung.

Insbesondere dient es als Konstruktionswerkstoff bei der Luft- und Raumfahrttechnik sowie anderen Transportmitteln. Der Vorteil dabei ist, dass Aluminium durch seine geringe Dichte (2,7 gegenüber 8,9 g/cm3 von Kupfer)2 zur Gewichtsreduzierung und somit zu einem geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt und aufgrund von Legierung mit Magnesium, Silicium oder anderen Metallen dennoch eine enorme Festigkeit gewährleistet werden kann (siehe auch Verarbeitung).3

Eine weitere Eigenschaft von Aluminium und seinen Legierungen ist dessen leichte Umformbarkeit (Duktilität) und Korrosionsbeständigkeit. Diese kommen bei der Fertigung von Profilen zugute. Bei einem Umformverfahren, dem so genannten Strangpressen, wird eine Vielzahl unterschiedlicher Profile (meist Voll- und Hohlprofilen) aus Aluminium hergestellt. Diese unterscheiden sich aufgrund ihrer Querschnitte, Durchmesser, Länge und Legierungen.2

In der Elektrotechnik dient Aluminium als Leitmaterial für elektrischen Strom, da es eine hohe elektrische Leitfähigkeit (nach Kupfer das Zweitbeste aller Gebrauchsmetalle), eine mittlerweile hohe Kriechbeständigkeit aufweist und nicht Magnetisierbar ist. Aufgrund des niedrigen Preises ist auch aus wirtschaftlicher Sicht die Verwendung von Aluminium attraktiv im Vergleich zu anderen Metallen. So werden vor allem Stromschienen, Erdkabel und Freileitungsseile aus Leiteraluminium hergestellt. Da die Leitfähigkeit abhängig von der Reinheit eines Metalls und der Temperatur (je niedriger desto besser) ist, ist das Leiteraluminium entweder ein Reinaluminium oder Aluminium mit einer sehr niedrigen Legierung, dessen Elemente die Leitfähigkeit gar nicht oder nur kaum beeinträchtigen (z. B. Kupfer, Magnesium, Nickel, Zink und Zinn).2

Weiterhin findet Aluminium im Bereich der Elektronik eine vielseitige Anwendung. In „Chips“ werden Leiterdrähte (auch als Bonddrähte bekannt), die die verschiedenen Bauelemente miteinander verbinden, aus Reinaluminium gefertigt. Auch in optischen Speicherplatten (CDs) werden die Datenspuren mit Aluminium bedampft bzw. auf Aluminiumplatten aufgebracht.2

Allgegenwärtiger ist jedoch die Verwendung von Aluminium im Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaziebereich sowie als Verpackung oder Behälter. Aufgrund seiner Undurchlässigkeit für Flüssigkeiten, Gase und Licht wird das Metall zu Getränke- und Konservendosen,  zu Töpfen und anderen Haushaltsgeräte (z. B. Kaffeemaschinen und Bügeleisen) sowie zu Blister und Aluminiumfolie hergestellt.2

Da Aluminium einen hohen Reflexionsgrad aufweist, findet es zudem Verwendung in der Herstellung von Spiegelreflexkameras, Scheinwerfer und Scanner.3 Weitere Anwendungsbereiche finden Sie unter „Wussten Sie schon, dass…“

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Preisentwicklung des Aluminiums

Im Jahr 1827 – als die wirtschaftliche Nutzung von Aluminium noch in den Kinderschuhen stand – war Aluminium teurer als Gold. Erst mit der Erschließung von Bauxit als primären Aluminiumrohstoff, dessen adäquaten Abbau und der Weiterentwicklung der Aufreinigungstechniken (Schmelzflusselektrolyse) sank der Preis rapide. Allein in den Jahren 1827 – 1888 sank der Preis um etwa 90 % (von ca. 2400 €/kg auf ca. 13 €/kg).10 Auch in den Folgejahren sank der Preis stetig, bis 1998 ein Rekordtief von ca. 1 €/kg erreicht war.11 Von da an sank und stieg der Preis je akuter Nachfrage, wobei die Einführung von Aluminiumkontrakten an der Londoner Metall­börse 1978 sowie tiefgreifende Strukturveränderungen in der Alu­miniumindustrie Primäraluminium zu einer gewöhnli­chen Handelsware machten, sodass in der Folge finanzielle Interessen die Preiskalkulationen der Marktteilnehmer mit beeinflussten.3 Derzeit befindet sich der Preis für Aluminium auf einem Stand von ca. 1,5 €/kg.9

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017

Wussten Sie schon, dass …

  • Aluminiumpulver häufig als Pigment für Farben (Silber- oder Goldbronze) verwendet wird?3
  • viele Lebensmittel Aluminium als Spurenelemente enthalten?8
  • das Aufbewahren von Nahrungsmitteln in Aluminiumfolie oder das Kochen in Aluminiumbehältern dazu führt, dass wir täglich Aluminium zu uns nehmen? Allerdings handelt es sich um so geringe Mengen, dass es als unbedenklich eingestuft wird (Stand 2010).3
  • Aluminium als Schleif- oder Poliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet wird?3
  • Aluminium als Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt wird?3
  • Aluminium als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und der Papierindustrie eingesetzt wird?3
  • Aluminium in Waschmitteln zur Wasserenthärtung enthalten ist?3
  • der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 % aus Aluminiumpulver besteht?3
  • Aluminium der gebräuchlichste Brennstoff in Feuerwerken ist, wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt?3

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017

Quellen

09.02.2016 15:17Aktualisiert am: 21.08.2017