Sauerstoffversorgung: menschliche Technik und tierische Meisterleistungen

Der Mensch kann ohne Sauerstoff nur wenige Minuten überleben. Vor allem in Extremlagen wie Bergwerken, Unterseebooten, Tunneln oder in den großen Höhen der Luft- und Raumfahrt bedarf es deshalb technischer Lösungen zur Aufrechterhaltung der Sauerstoffversorgung im Regelbetrieb sowie bei Unfällen oder Defekten. Insbesondere die Rolle der dort verwendeten Chemikalien und Verfahren zur Sauerstofffixierung und -freisetzung werden hier aufgezeigt.

Auch die Natur hat faszinierende Wege gefunden, mit dem Element Sauerstoff umzugehen. So werden neben dem anatomischen Aufbau des Atmungsapparats von Säugetieren wie Walen sowie Reptilien und Vögeln auch unterschiedliche Sauerstoff-Transportproteine im Blut betrachtet.

Vögel beispielsweise belüften ihre Lungen nicht mit Muskeln, sondern durch Volumenänderung der an den Lungen anhängenden Luftsäcken, die aber das Lungenvolumen selbst nicht verändern. Dadurch ist ein gleichmäßigerer und somit effizienterer Luftaustausch möglich, was das enorm energieintensive Fliegen in großen Höhen mit wenig Sauerstoff in der Luft erst ermöglicht. So fliegen europäische Gänse aus ihren Brutgebieten im Norden Europas in ihre Überwinterungsgebiete an der Nordküste Afrikas in Höhen bis zu 9.000 Metern.

Schwärme aus Millionen von Wanderheuschrecken können an einem einzigen Tag ganze Landstriche kahl fressen. Die Entscheidung, sich zu einem Schwarm zusammenzuschließen, treffen die Insekten in Abhängigkeit von Umweltreizen und ihrer Populationsdichte. Die Kommunikation der Tiere untereinander erfolgt dabei über chemische Signale. Diese könnten eine Möglichkeit bieten, die Bildung von Heuschreckenschwärmen im Keim zu ersticken.

Zahlreiche Flüsse in Europa und Nordamerika wurden seit der Industrialisierung zur Entsorgung von toxischen Abfällen missbraucht. Inzwischen werden sie vielerorts gesäubert und in einen naturähnlichen Zustand zurückgeführt. Ein Musterbeispiel fließt mitten durch das Ruhrgebiet: die Emscher (Abbildung 1).

Im Herbst und Winter steigt die Anzahl der Infektionen und mit ihnen die der guten Tipps, wie man vorbeugen oder zumindest den Verlauf der Infektion lindern kann. So steht Ingwer in dem Ruf, das Immunsystem zu stimulieren, und Zinksupplemente werden zur Vorbeugung und Therapie von Erkältungskrankheiten eingesetzt. Doch gibt es dafür eine wissenschaftliche Evidenz?

Der Mensch kann ohne Nahrung mehrere Wochen überleben, ohne Wasser mehrere Tage aber ohne Sauerstoff nur wenige Minuten. Eine ausreichende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der umgebenden Atemluft ist deshalb lebenswichtig. Vor allem in künstlichen Extremlagen wie Bergwerken, Unterseebooten, Tunneln oder in den großen Höhen der Luft- und Raumfahrt bedarf es deshalb technischer Lösungen zur Aufrechterhaltung der Sauerstoffversorgung im Regelbetrieb sowie bei Unfällen oder Defekten. Insbesondere die Rolle der dort verwendeten Chemikalien und Verfahren zur Sauerstofffixierung und -freisetzung werden hier aufgezeigt. Auch die Natur hat faszinierende Wege gefunden, mit dem Element Sauerstoff umzugehen und in scheinbar lebensfeindlichen Orten auf dem Planeten Erde zu nutzen. So werden neben dem anatomischen Aufbau des Atmungsapparats von Säugetieren wie Walen sowie Reptilien und Vögeln auch unterschiedliche Sauerstoff-Transportproteine im Blut betrachtet.

Die Eigenschaften biologischer Materialien sind oft mehr auf deren hierarchische Strukturen zurückzuführen als auf ihre chemische Zusammensetzung. Bio-inspirierte Materialentwicklungen haben zum Ziel, evolutionär entstandene Bauprinzipien auf künstliche, also von Menschen gemachte Materialien zu übertragen. Thema des ersten Artikels zu diesem Themenbereich waren Materialien, die mechanischen Belastungen standhalten können. Dabei stand die dreidimensionale Struktur im Vordergrund. Viele physikalische Phänomene und damit einhergehende Eigenschaften beruhen auf der zielgerichteten Zusammensetzung und Strukturierung von Oberflächen (Abbildung 1). Dies ist das Thema des vorliegenden zweiten Artikels.

Eine stabile Zufriedenheit reicht den Menschen meistens nicht aus. Seit Jahrtausenden suchen sie mit Hilfe von Genussgiften Entspannung, Erholung, Rausch oder Ekstase. Es ist die Suche nach Glück. Durch den technischen Fortschritt war es möglich, neue Stoffe des Glückes zu finden und altbekannte Glücksbringer in immer größerer Menge und vor allem auch höherer Konzentration zu produzieren. Aber unser Körper ist nicht für die Höhen andauernden Glückes geschaffen, so dass ein Mehr an Glücksstoffen Quelle eines trügerischen Glückes wurde. Alle diese Substanzen greifen in den menschlichen Organismus ein und beeinflussen unser biochemisches System unterschiedlicher Neurotransmitter. Dieser Artikel beleuchtet sieben besonders prominente „Glücksstoffe“, die in die Physiologie unserer Neurotransmitter eingreifen.

Titelbild der ChiuZ 3/2024

Oberflächen- und Grenzflächenspannungen spielen eine wichtige Rolle für viele Prozesse in Natur, in unserem täglichen Leben und in der Industrie. Die Möglichkeiten von Demonstrationen von Ober- und Grenzflächenspannungen und deren Veränderung ist wegen der Giftigkeit verschiedener Flüssigkeiten (wie Quecksilber) im Unterricht und im Studium derzeit primär auf wässrige Systeme mit Tensiden und Wasser-Öl-Systeme beschränkt. Jedoch weisen andere flüssige Metalle, wie Gallium und dessen Legierungen, eine geringe Toxizität auf und können in entsprechend designten Experimenten Grenzflächenspannungsphänomene und -änderungen gut visualisieren.

Die Arbeitsgruppe „Schule Bildung Beruf“ der Senior Expert Chemists stellt auf ihrer überarbeiteten Website Angebote für Chemielehrkräfte zur Verfügung. Ziel ist es, den Experimentalunterricht mit konkreten Angeboten zu unterstützen.

Der Naturstoff Zucker, chemisch korrekt Saccharose, ist wohl zugleich die organische Verbindung, die weltweit in der größten Menge kristallin hergestellt, chemisch exakt gesagt, isoliert wird. Die Weltzuckerproduktion liegt seit 2020 jährlich bei rund 180 Mio. t. Davon werden ca. 80 % aus Zuckerrohr (1,9 Mrd. t in den Tropen und Subtropen) und ca. 20 % aus Zuckerrüben (180 Mio. t in den gemäßigten Zonen) gewonnen. Hauptanbauländer für Zuckerrohr sind Brasilien, Indien, China, für Zuckerrüben USA, Russland, Frankreich, Deutschland. Bei uns werden ca. 4,5 Mio. t Zucker/Jahr isoliert. 2021 verbrauchten wir 32,5 kg Zucker pro Kopf, also täglich rund 90 Gramm – zu viel.

Carl Bosch wurde am 27. August 1874 in Köln geboren. In diesem Jahr, anlässlich seines 150. Geburtstags, erinnern wir uns an einen der bedeutendsten Chemiker und Industriellen des 20. Jahrhunderts (Abbildung 1).