Der Tod startet die Stoppuhr – Radiocarbonmessung in NRW

Seit kurzem steht auch im Dynamitron-Tandem-Labor der RUB eine Anlage für Radiocarbonmessungen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Projekt-Partner der Bochumer Physiker in Neapel, stellten für die Anlage insgesamt 2 Mio. DM zur Verfügung. Diese Anlage ist die erste in NRW und nach Kiel und Erlangen die dritte in Deutschland.

Eine der besten Anlagen der Welt steht an der RUB

Wann lebte und starb Ötzi? Wie alt sind gefundene Tierknochen? Bei der Beantwortung solcher Fragen kann die Radiocarbonmethode helfen. Durch sie lässt sich der Tod von Lebewesen genau datieren. Seit kurzem steht auch im Dynamitron-Tandem-Labor der RUB eine Anlage für Radiocarbonmessungen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Projekt-Partner der Bochumer Physiker in Neapel, stellten für die Anlage insgesamt 2 Mio. DM zur Verfügung. Diese Anlage ist die erste in NRW und nach Kiel und Erlangen die dritte in Deutschland. Testmessungen mit der neuen Anlage Anfang November haben ergeben, dass sie 100 mal besser ist als die Anlage in Neapel. Damit gehört die Bochumer Anlage zu den besten der Welt.

Schwer, schwerer, am schwersten

Kohlenstoff (chemisches Symbol: C) ist als Grundlage aller organischen Moleküle zentraler Bestandteil des Lebens. Wie jedes chemische Element besitzen auch C-Atome verschieden schwere Atomkerne. Es kommen drei natürliche Gewichtsvarianten vor; die schwerste von ihnen wird als 14C bezeichnet und ist radioaktiv. Diese Gewichtsunterschiede haben keinen Einfluss darauf, wie ein Kohlenstoffatom mit anderen Stoffen reagiert. Pflanzen bauen deshalb alle drei möglichen Gewichtszustände als CO₂ (Kohlendioxid) bei der Photosynthese in ihre Zuckermoleküle ein. Über die Nahrungskette gelangt auch 14C in alle Lebewesen, die den Kohlenstoff als Knochen oder Muskel in ihre Körper einbauen. Sobald ein Lebewesen stirbt, nimmt es keinen Kohlenstoff mehr auf. Jetzt beginnt eine Stoppuhr der besonderen Art zu laufen.

Die Stoppuhr läuft…

Da 14C radioaktiv ist, zerfällt das Atom mit der Zeit. Egal, wie viele 14C -Atome zu Beginn vorliegen, nach jeweils 5760 Jahren existiert nur noch die Hälfte; der Rest zerfällt in Stickstoff. Dies macht sich die Radiocarbonmethode zu Nutze: Zeit seines Lebens baut ein Lebewesen auf 1 200 000 000 000 (= 1,2 x 1012) leichtere C-Atome ein einziges schweres 14C -Atom ein. So lange es lebt, nimmt es genauso viele 14C -Atome auf, wie in seinem Körper zerfallen. Nach dem Tod nimmt nur die Anzahl der schweren 14C -Atome durch Zerfall ab. Wenn man feststellt, wie viele radioaktive 14C -Atome noch vorliegen, lässt sich zurückrechnen, wann die Aufnahme von 14C stoppte und damit auch, wann das Lebewesen starb. So können Forscher das Alter jeglicher organischer Materialien bestimmen, darunter Knochenfunde oder – über die Pflanzen, aus denen sie gemacht sind – auch Bücher, Gemälde und Musikinstrumente.

Fliegende Teilchen

Die Mengenverhältnisse der einzelnen Gewichtstypen sowie die geringe Größe der Teilchen fordert die Messgeräte heraus. Erst nach mehreren Arbeitsschritten weiß man, wie alt Ötzi ist: Die Probe, z.B. pflanzlicher Mageninhalt, wird gereinigt, getrocknet und dann in Graphit umgewandelt, die beste Kohlenstoffform für die anschließenden Schritte. Um die verschieden schweren C-Atome voneinander trennen zu können, müssen sie in elektrisch geladene Teilchen (Ionen) umgewandelt werden. Dabei bewegen sie sich gemeinsam mit der gleichen, hohen Energie (also sehr schnell) in eine Richtung. Passieren sie ein Magnetfeld, schlagen die schwereren Ionen eine andere Flugbahn ein als die leichteren. Dies ermöglicht einer Filteranlage, die verschiedenen Teilchen voneinander zu trennen.

Extrem leistungsfähig

Anfang November ergaben Testmessungen, dass der Bochumer Filter ERNA (European Recoil seperator for Nuclear Astrophysics) in der Lage ist, eines der schweren Teilchen aus 1014 bis 1015 (Einhunderttausend Milliarden bis 1 Million Milliarden) leichteren herauszufiltern. Eine Anlage zur Präparation der Proben soll demnächst das System vervollständigen. Außerdem gibt es Ideen, wie das Messverfahren kürzer werden kann und so mehr Messungen möglich werden. Das Dynamitron-Tandem-Labor wird somit in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur interdisziplinären Forschung auf den Gebieten der Paläonthologie, Archäologie, Geschichtswissenschaft, Kunst und Umwelt leisten.

Weitere Informationen

Frank Schümann, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Physik und Astronomie, Institut für Experimentalphysik III, NB 3, Tel.: 0234/32-23597, E-Mail: schuemann@EP3.ruhr-uni-bochum.de