Schema: Superschwere Elemente herstellen und charakterisieren. Um z.B. Flerovium herzustellen, jagt man einen Calcium-​Ionenstrahl (Ordnungszahl 20) durch einen Teilchenbeschleuniger und schiesst ihn auf ein schwereres Element wie z.B. ein Plutonium-​Target (Ordnungszahl 94). Mit Glück kollidieren die Atome und verschmelzen in dem Fall zu einem superschweren Flerovium-​Atom (Ordnungszahl 114), welches man nun charakterisieren kann. 

Speeddating mit radioaktiven Schwergewichten

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Sie haben bizarre Namen, bringen einiges auf die molekulare Waage, sind radioaktiv und künstlich: Superschwere Elemente oder Transactinoide sind die Exoten des Periodensystems und Patrick Steineggers ganze Leidenschaft. Am PSI und an Partnerinstituten nutzt der Radiochemiker z.B. Teilchenbeschleuniger, Plutoniumtargets und Gold, um die seltenen Gesellen aufzuspüren und zu charakterisieren. Als Assistenzprofessor am LAC will er das Feld nun auch Studierenden der ETH Zürich näherbringen.

Nicht weit vom Protonenbeschleuniger des PSI entfernt, öffnet Patrick Steinegger an diesem Morgen das Bürofenster und schmunzelt beim Gedanken an die alten Periodensysteme in so manchen Klassenzimmern. „Viele denken, das wäre eine abgeschlossene Sache. Dabei werden immer wieder neue Elemente und Isotope entdeckt“, er deutet auf eine bunte Karte an der Wand.  

„Uns Radiochemiker interessieren dabei die radioaktiven, also jene, die instabil sind und leicht zerfallen. Solche Zerfälle gibt es sogar in unserem Körper, hauptsächlich ist das Kalium-​40. Generell sind rund 90 Prozent aller bekannten Isotope und etwa ein Drittel aller bekannten Elemente radioaktiv.“ Manche von ihnen seien aufgrund ihrer Kurzlebigkeit aber kaum erforscht und „das ist es, was wir tun: Wir erzeugen solche Elemente, detektieren sie und lernen sie in Sekundenschnelle chemisch kennen“ – quasi atomares Highspeeddating, mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, dass es tatsächlich gelingt.

Ein Los und seine superschweren „Konsequenzen“

Klingt nach verrückter Forschung? Das habe er sich als Student in seinem Heimatort Bern auch gedacht, erinnert sich Steinegger lachend. Einige Jahre später war er dann aber trotzdem am PSI. Dass er dort bei den superschweren Elementen landete, entschied ein Los bei der Praktikumsverteilung. „Ich habe mein Los damals mit jemandem getauscht. So kam ich in die Gruppe von Robert Eichler, heute wieder mein Vorgesetzter und immer noch Vorbild.“ Später, nach seinem Master im Bereich Laserspektroskopie, kehrte Steinegger ans PSI zurück. Er doktorierte 2015 im Bereich Superschwere Elemente und arbeitete vier Jahre am Teilchenbeschleuniger in Dubna/Russland – Tür an Tür mit Yuri Oganessian, Namenspatron des bisher schwersten bekannten Elements. Zurück in der Schweiz, wurde Steinegger Gruppenleiter am PSI. Kurz darauf folgte der Ruf auf die neue Professur für Radiochemie der ETH Zürich. Hier soll er nun auch die Studierenden mit jenen radioaktiven Elementen vertraut machen, die für ihn Hobby, Beruf und Leidenschaft in einem sind.

Forschung am Limit des Machbaren

Konkret gehören die Elemente und dazugehörigen radioaktiven Isotope, um die sich Steineggers Forschung dreht, zu den Transactinoiden. Diese „Exoten“ der Periode 7, Gruppe 4 bis 18 tragen seltsame Namen wie Röntgenium oder Darmstadtium und gelten als superschwer, weil sie mehr als 103 Protonen im Atomkern haben. „Diese Elemente kommen für gewöhnlich nicht in der Natur vor“, erklärt Steinegger, „sie werden daher künstlich erzeugt, in dem man Elemente bzw. Atome mit bestimmten Ordnungszahlen kollidieren lässt.“

Bei der Erzeugung solcher Reaktionsprodukte arbeitet Steinegger eng mit Physikern zusammen. Sein Fokus als Radiochemiker liegt aber u.a. auf den Chromatographie-​Experimenten, die direkt im Anschluss durchgeführt werden: In einem goldbeschichteten Kanal mit Temperaturgradient zerfallen die entstandenen Elemente an einer gewissen Stelle nach einem bestimmten Muster. Dieses wird von Detektoren erfasst und in Form eines sogenannten Chromatogramms dargestellt. „Die Zerfallskette ist dabei je nach Isotop unterschiedlich“, erklärt Steinegger, „wie ein Fingerabdruck. Das brauchen wir für die Identifikation des Isotops und für weitere Analysen, die mehr über seine Chemie verraten.“

Der Output bei solchen Experimenten ist grundsätzlich gering: ein Atom am Tag, manchmal nur eines im Monat. Grund dafür ist die geringe Wahrscheinlichkeit, mit der superschwere Elemente entstehen. Zudem werden Atome mit steigender Protonenanzahl immer instabiler, was die Detektion und Analyse erschwert. Hinzu kommt, dass der Vorgang für eine signifikante Aussage mehrmals glücken muss und es bestimmte Beschleunigeranlagen dafür braucht: „Hier am PSI führen wir unter Zuhilfenahme der Neutronenquelle SINQ oder des Protonenbeschleunigers wichtige Vorexperimente durch und optimieren das Setting. Für die finalen Experimente brauchen wir dann spezielle Grossforschungsanlagen, die es nur an wenigen Orten gibt – etwa in Russland oder Japan“, erklärt Steinegger. Aus dem Grund pflege er weltweit gute Kontakte und arbeite interdisziplinär. Auch das mache die Radiochemie spannend.  

Von relativistischen Effekten bis Krebsforschung

Zweck dieser Forschung ist es, mehr über radioaktive Elemente zu erfahren. So lassen sich z.B. die Auswirkungen relativistischer Effekte erfassen, die besonders bei superschweren, aber auch schweren Elementen wie Blei oder Gold zum Tragen kommen. Diese Effekte beeinflussen die Beschaffenheit von Elementen, verleihen etwa Gold seine Farbe. „Auch 80% der Spannung von Bleiakkus, wie sie in Autos verbaut sind, sind zurückzuführen auf diese Effekte. Dafür braucht man Ergebnisse wie unsere, um das Verhalten solcher Elemente gut beschreiben oder vorhersagen zu können.“

Als Assistenzprofessor am LAC freut sich Patrick Steinegger nun auch den Studierenden der ETH Zürich die faszinierende Welt der Radiochemie näherzubringen, idealerweise mit dafür zugeschnittenen Vorlesungen und speziellen Praktika. „Die Radiochemie ist spannend und es braucht künftig gute Fachkräfte, etwa für den Rückbau von Atomkraftwerken, für die Diagnose und Therapie von Krebs durch die Radiopharmazie oder aber für Forschung, wie wir sie machen.“ Zusätzlich ist Steinegger nebst Lehre und Forschung auch die Öffentlichkeitsarbeit im Bereich Radiochemie ein grosses Anliegen.  

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Bezugsquellenverzeichnis