Wie entsteht Gold? Neutronensterne, Supernovae und kosmische Alchemie

Gold lässt sich nicht auf der Erde herstellen, zumindest nicht in nennenswerten Mengen. Das Edelmetall entsteht bei den gewaltigsten Ereignissen im Universum: wenn Neutronensterne kollidieren oder massereiche Sterne als Supernovae explodieren. Die Goldatome in deinem Schmuck, in Smartphones und in den Tresoren der Zentralbanken sind Milliarden Jahre alt und haben eine Reise vom Weltall auf unseren Planeten hinter sich. In diesem Artikel erfährst du, wie Gold im Kosmos entsteht, wie es zur Erde gelangte und warum die Alchemisten mit ihrem Traum vom künstlichen Gold letztlich scheitern mussten.

Der r-Prozess: Wie schwere Elemente im All entstehen

Sterne erzeugen durch Kernfusion Elemente bis hin zum Eisen. Dort ist Schluss, denn ab Eisen kostet die Fusion mehr Energie, als sie freisetzt. Für schwerere Elemente wie Gold, Platin oder Uran braucht es einen anderen Mechanismus: den sogenannten r-Prozess (rapid neutron capture process, also schneller Neutroneneinfang).

Beim r-Prozess werden Atomkerne in Sekundenbruchteilen mit einer enormen Flut freier Neutronen bombardiert. Die Neutronen lagern sich schneller an die Kerne an, als diese durch radioaktiven Zerfall wieder Teilchen verlieren. So entstehen extrem neutronenreiche, instabile Atomkerne, die anschließend durch Betazerfall in stabile schwere Elemente umgewandelt werden. Gold mit seinen 79 Protonen ist eines dieser Produkte.

Damit der r-Prozess funktioniert, braucht es extreme Bedingungen: Temperaturen von mehreren Milliarden Grad, eine extrem hohe Neutronendichte und genug Energie, um den gesamten Vorgang in weniger als einer Sekunde ablaufen zu lassen. Solche Bedingungen herrschen nur an zwei Orten im Universum: bei der Verschmelzung von Neutronensternen und bei bestimmten Typen von Supernova-Explosionen.

Neutronenstern-Kollisionen: Die Goldfabriken des Universums

Neutronensterne sind die ultradichten Überreste massereicher Sterne nach einer Supernova. Ein Neutronenstern hat typischerweise 1,4-mal so viel Masse wie unsere Sonne, ist aber nur etwa 20 Kilometer im Durchmesser. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt rund eine Milliarde Tonnen.

Wenn zwei Neutronensterne in einem Doppelsternsystem einander über Millionen von Jahren immer näher kommen und schließlich verschmelzen, setzt das eine unvorstellbare Menge Energie frei. Dabei wird Materie mit annähernder Lichtgeschwindigkeit ins All geschleudert. In dieser herausgeschleuderten Materie herrschen genau die Bedingungen, die der r-Prozess braucht.

Das Resultat ist eine sogenannte Kilonova: eine Explosion, die rund 1.000-mal heller leuchtet als eine normale Nova. In dieser kosmischen Schmiede werden innerhalb von Sekunden enorme Mengen schwerer Elemente produziert. Allein die 2017 beobachtete Kollision GW170817 erzeugte geschätzt 200 Erdmassen an Gold und rund 500 Erdmassen an Platin. Insgesamt wurden bei diesem Ereignis schwere Elemente mit etwa 6 Prozent der Sonnenmasse produziert.

GW170817: Der erste direkte Beweis

Am 17. August 2017 gelang der Wissenschaft ein historischer Durchbruch. Die Gravitationswellendetektoren LIGO (USA) und Virgo (Italien) registrierten ein Signal, das rund 100 Sekunden lang anhielt und damit das stärkste jemals gemessene Gravitationswellensignal war. Die Quelle: zwei verschmelzende Neutronensterne in der Galaxie NGC 4993, rund 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Erstmals konnten Forschende dasselbe Ereignis gleichzeitig über Gravitationswellen und elektromagnetische Strahlung beobachten. Rund 70 Observatorien weltweit richteten ihre Instrumente auf die Quelle. Die spektroskopische Analyse der Kilonova AT2017gfo lieferte den Nachweis, dass bei der Kollision tatsächlich schwere Elemente wie Gold, Platin und Lanthan entstanden waren. Dieses Ereignis gilt als Geburtsstunde der Multi-Messenger-Astronomie und bestätigte Jahrzehnte alte theoretische Modelle.

Trotz dieses Erfolgs bleiben offene Fragen. Berechnungen zeigen, dass Neutronenstern-Kollisionen allein die Menge schwerer Elemente im Universum nicht vollständig erklären können. Es gibt schlicht nicht genug solcher Verschmelzungen. Supernovae und möglicherweise andere exotische Prozesse wie Kollapsare (kollabierende rotierende Sterne) tragen vermutlich ebenfalls zur Produktion bei.

Wie Gold auf die Erde kam

Die Erde entstand vor rund 4,5 Milliarden Jahren aus einer Wolke aus Gas und Staub, die bereits schwere Elemente aus früheren Sternexplosionen und Neutronenstern-Kollisionen enthielt. Gold war von Anfang an dabei. Doch es gibt ein Problem: In der Frühphase war die Erde vollständig geschmolzen. Das flüssige Eisen sank ins Zentrum und bildete den Erdkern. Dabei nahm es siderophile (eisenliebende) Elemente wie Gold, Platin und Wolfram mit sich in die Tiefe.

Im Erdkern lagert so viel Gold, dass man damit die gesamte Erdoberfläche mit einer vier Meter dicken Goldschicht bedecken könnte. Dieses Gold ist für uns allerdings unerreichbar, es liegt rund 3.000 Kilometer unter unseren Füßen.

Dass wir trotzdem Gold in der Erdkruste finden, verdanken wir dem sogenannten Großen Bombardement (Late Heavy Bombardment). Vor 3,8 bis 4,1 Milliarden Jahren prasselte ein Hagel aus Asteroiden und Meteoriten auf die junge Erde. Diese kosmischen Geschosse lieferten 0,5 bis 1 Prozent zusätzliches Material in den Erdmantel, darunter auch Gold und andere Edelmetalle. Da der Erdkern zu diesem Zeitpunkt bereits fest abgetrennt war, blieben die neu eingetroffenen Metalle in den oberen Schichten. Britische Forschende der Universität Bristol bestätigten dieses Modell 2011 anhand von 3,8 Milliarden Jahre altem Gestein aus Grönland, das veränderte Wolfram-Isotopenverhältnisse aufwies.

Goldvorkommen auf der Erde

Weltweit wurden bisher rund 210.000 Tonnen Gold gefördert. Die größten Lagerstätten befinden sich in Südafrika (Witwatersrand-Becken), Australien, Russland und China. In Deutschland gibt es keine wirtschaftlich bedeutenden Goldminen, aber kleinere Vorkommen existieren durchaus.

Berühmt ist das Rheingold: Im Rhein zwischen Basel und Mannheim lagern geschätzt 52 Tonnen Gold als feine Flitter im Flusssand. Das Gold stammt ursprünglich aus den Schweizer Alpen und gelangt über die Aare in den Rhein. Bereits Kelten, Römer und Germanen wuschen hier Gold. Den Höhepunkt erreichte die Förderung während der Rheinbegradigung im 19. Jahrhundert: 1831 wurden allein in Baden 13 Kilogramm Rheingold gewonnen, am rechten Rheinufer waren 1838 bis zu 400 Goldwäscher aktiv. Heute ist Goldwaschen am Rhein ein beliebtes Hobby, wirtschaftlich lohnt es sich aber nicht.

Wenn du wissen willst, warum Gold überhaupt seine charakteristische gelbe Farbe hat, findest du die Antwort in unserem Artikel Warum ist Gold gelb?.

Kann man Gold künstlich herstellen?

Der Traum der Alchemisten, aus unedlen Metallen Gold zu erzeugen, ist Jahrtausende alt. Im Mittelalter scheiterten alle Versuche, weil chemische Reaktionen die Atomkerne nicht verändern können. Die Umwandlung eines Elements in ein anderes erfordert Kernphysik, nicht Chemie.

Tatsächlich ist die künstliche Goldherstellung heute möglich. Der Kernphysiker Glenn Seaborg erzeugte 1980 erstmals winzige Mengen Gold durch Beschuss von Bismut mit beschleunigten Teilchen. Am CERN in Genf gelang es zwischen 2015 und 2018, etwa 86 Milliarden Goldatome herzustellen, indem man Bleikerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander schoss. Durch elektromagnetische Dissoziation verliert ein Bleikern (82 Protonen) drei Protonen und wird zu Gold (79 Protonen).

Der Haken: Diese 86 Milliarden Goldatome wiegen zusammen nur 29 Pikogramm. Das ist ein unvorstellbar kleiner Bruchteil eines Gramms. Die Kosten für den Betrieb des Large Hadron Collider übersteigen den Wert des gewonnenen Goldes um viele Größenordnungen. Zudem existieren die erzeugten Goldkerne nur für Sekundenbruchteile, bevor sie in einzelne Teilchen zerfallen. Gold im industriellen Maßstab künstlich herzustellen bleibt damit auf absehbare Zeit unmöglich.

Fazit

Gold ist kein irdisches Produkt. Es entsteht bei den energiereichsten Ereignissen im Universum, vor allem bei der Verschmelzung von Neutronensternen, und gelangte durch Meteoriten auf unseren Planeten. Die Bestätigung durch die Gravitationswellenbeobachtung GW170817 im Jahr 2017 war ein Meilenstein der Astrophysik. Und obwohl die moderne Physik den Traum der Alchemisten technisch wahr gemacht hat, bleibt die Natur der einzige wirtschaftlich relevante Goldproduzent. Jedes Gramm Gold, das du in der Hand hältst, hat eine Reise von Milliarden Jahren und Millionen Lichtjahren hinter sich.