Stephen Streiffer, Direktor des Oak Ridge National Laboratory, blickt in die Zukunft
Stephen Streiffer, der im Oktober 2023 Direktor des Oak Ridge National Laboratory wurde, spricht in seinem Büro darüber, warum er den Job liebt.
Fast 80 Jahre nachdem Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory ein extrem seltenes radioaktives Element namens Promethium entdeckten, veröffentlichte ein Team des Labors eine bahnbrechende Studie zu diesem Thema, die laut ORNL „Chemielehrbücher neu schreiben“ könnte.
In einer am 22. Mai in Nature veröffentlichten Forschungsarbeit haben Wissenschaftler erstmals wesentliche Eigenschaften des Elements aufgedeckt. Die Auswirkungen der Studie könnten jedoch weit über Promethium (Nr. 61 im Periodensystem) hinausgehen.
Eine der wichtigsten Entdeckungen der Forschung ist die Bindungslänge zwischen Promethium und den umgebenden Atomen, ein bislang unbekannter Messwert, der Aufschluss über einige der Eigenschaften des Elements gibt.
Zu jedem Zeitpunkt existiert auf der Erde nur etwa ein Pfund Promethium. Promethium wird hauptsächlich in der Forschung verwendet, aber auch in Atombatterien für Herzschrittmacher und in der Weltraumforschung.
Die neue Forschung könnte Wissenschaftlern helfen, diese Anwendungen zu erweitern und möglicherweise neue für ein Element zu entdecken, das noch relativ unerforscht ist.
ORNL ist der einzige Produzent von Promethium-147 in den USA. Seine einzigartigen Fähigkeiten verdankt es dem Hochfluss-Isotopenreaktor, einem der leistungsstärksten Forschungsreaktoren der Welt. Der Reaktor bombardiert Materialien mit einem konzentrierten Neutronenstrahl und erzeugt so einzigartige Materialien.
Zu diesen Materialien gehört Plutonium-238, das für Generatoren bei den Weltraummissionen der NASA hergestellt wird. Außerdem gibt es Californium-252, das zum Anheizen von Kernreaktoren verwendet wird.
Der seit fast 60 Jahren in Betrieb befindliche Hochflussisotopenreaktor ist eine der wenigen Anlagen weltweit, die künstliche Elemente erzeugen können, die schwerer sind als Uran.
Promethium wurde bis nach dem Manhattan-Projekt ein ORNL-Geheimnis gehalten
Promethium wurde erstmals 1945 von Charles Coryell, Jacob A. Marinsky und Lawrence E. Glendenin als Nebenprodukt der Uranspaltung im Graphitreaktor des Labors hergestellt.
Die Wissenschaftler benannten das neue Element nach Prometheus, einem Titanen und Gott des Feuers in der griechischen Mythologie, der den Göttern des Olymps ungehorsam war, indem er den Menschen das Feuer brachte. Die Wissenschaftler hielten die Entdeckung von Promethium bis Jahre nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs geheim, und Oak Ridges wissenschaftliche Mission ging über das Manhattan-Projekt hinaus.
Ihre Entdeckung des Promethiums füllte eine Lücke im Periodensystem. Alle anderen Elemente der Gruppe der Lanthanoide waren bereits entdeckt und untersucht worden.
Lanthanoide sind die 15 Elemente von Lanthan (Nr. 57) bis Lutetium (Nr. 71). Sie sind seltene Erden, die für moderne Technologien wie Smartphones, Laptops, Autobatterien, Laser und einige Krebsbehandlungen unverzichtbar sind.
ORNL-Forschung steigert Effizienz mit schwer zu untersuchendem Promethium
Promethium wurde jahrelang bei Studien zu Lanthanoiden nicht berücksichtigt, teilweise aufgrund seiner Seltenheit und Instabilität.
Das von den ORNL-Forschern produzierte Isotop Promethium-147 hat eine Halbwertszeit von nur 2,6 Jahren. Das heißt, dass das radioaktive Material zu dem Zeitpunkt, an dem die Wissenschaftler es tatsächlich produziert haben, bereits begonnen hat, in ein anderes Element zu zerfallen.
„Es ist ein ziemliches Unterfangen, eine angemessene Menge Promethium herzustellen, insbesondere in chemisch reiner Form“, sagte Ilja Popovs, ein Wissenschaftler, der die Studie mitleitete, gegenüber Knox News. „Die Herstellung und Handhabung ausreichender Mengen eines Promethiumisotops ist ziemlich anspruchsvoll und erfordert spezielle Einrichtungen und definitiv Fachwissen.“
Die Wissenschaftler benötigten mithilfe mehrerer weltweit führender Einrichtungen vier Monate, um die Promethiumprobe zu isolieren und zu reinigen.
Popovs leitete zusammen mit Alex Ivanov und Santa Jansone-Popova ein Team von 18 Autoren für die Studie. Die Gruppe nutzte den Hochfluss-Isotopenreaktor und die heißen Zellen des ORNL, um sich vor Strahlung zu schützen. Auch der Summit-Supercomputer des Labors, einer der zehn schnellsten Computer der Welt, wurde für die Forschung eingesetzt.
Neue Promethium-Entdeckungen fließen in die Technologie ein
Die Wissenschaftler machten neue Entdeckungen zur Kontraktion der Lanthanoiden, einem Phänomen, bei dem die Atome der Elemente mit zunehmender Ordnungszahl kleiner werden und sich so ihre Eigenschaften verändern.
Das Team fand heraus, dass sich die Schrumpfung entlang der Lanthanoiden nach Promethium erheblich verlangsamt.
Diese neue Entdeckung könnte die Effizienz der Trennung von Lanthaniden steigern, einem entscheidenden Prozess für die Verwendung dieser Elemente in modernen Geräten.
„Es ist äußerst wichtig, neue und bessere Wege zu finden, die eine effizientere Trennung von Lanthaniden ermöglichen, und eine ganze Reihe von Wissenschaftlern und Forschungsgruppen arbeiten auf diesem Gebiet“, sagte Popovs. „Wir hoffen, dass wir zusätzliche Informationen erhalten, die es uns ermöglichen, bessere Prozesse zu entwickeln.“
ORNL hat eine lange Tradition in der Entdeckung von Elementen
Dem ORNL wird die Entdeckung dreier Elemente zugeschrieben: Promethium im Jahr 1945, Moscovium im Jahr 2003 und Tennessee im Jahr 2010. Moscovium und Tennessee, die in Zusammenarbeit mit einem russischen Labor entwickelt wurden, wurden 2015 von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie als neue Elemente bestätigt.
Insgesamt hat das Labor bei der Entdeckung von neun Elementen eine entscheidende Rolle gespielt. Die anderen sechs sind Rutherfordium, Dubnium, Seaborgium, Flerovium, Livermorium und Oganesson, die letzte Chemikalie im aktuellen Periodensystem.
Für Ivanov, einen der Wissenschaftler, die die Studie leiteten, ist die Fortführung der langjährigen Tradition des Labors als führendes Institut für wissenschaftliche Innovation einer der lohnendsten Aspekte der Forschung. ORNL, das von UT-Battelle geleitet wird, ist das größte Wissenschafts- und Technologielabor des Energieministeriums.
Daniel Dassow ist ein Reporter für Wachstum und Entwicklung mit Schwerpunkt auf Technologie und Energie. Telefon 423-637-0878. E-Mail: [email protected].
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