Wie entsteht Bernstein?

Wie entsteht Bernstein?

Als Schmuckstück betrachtet, ist Bernstein ein rein organisches Material, das aus dem Harz ausgestorbener Baumarten gewonnen wird. In den dichten Wäldern der mittleren Kreidezeit und des Tertiärs, vor 10 bis 100 Millionen Jahren, fielen diese harzigen Bäume und wurden von Flüssen in die Küstenregionen getragen. Dort wurden die Bäume und ihre Harze mit Sedimenten bedeckt, und über Millionen von Jahren härtete das Harz zu Bernstein aus. Viele Bernsteinablagerungen verbleiben zwar in den Ozeanrückständen, geologische Ereignisse haben den Bernstein jedoch oft anderswo zu Tage defördert.

Seit Jahrtausenden wird Bernstein in Perlen, Schmuck und andere Arten von Ornamenten geschnitzt und verarbeitet. Heute wird Bernstein jedoch vor allem wegen seiner erstaunlichen Vielfalt an Fossilien geschätzt. Als klebriges Harz von den Bäumen abgesondert wurde, wurden Tiere, Mineralien und Pflanzenmaterial darin eingeschlossen. Als das Harz aushärtete, waren diese Fossilien – die so genannten Einschlüsse – perfekt erhalten und lieferten den Wissenschaftlern heute unschätzbare Informationen über ausgestorbene Arten.

Im Gegensatz zu anderen Arten von Fossilien sind Bernsteinfossilien dreidimensional, mit lebensechten Farben und Mustern. Auch die inneren Strukturen der Zellen können intakt sein. Oft wurden Insekten mit ihren Raubtieren, Beutetieren, inneren und äußeren Parasiten vom Harz in aktiven Posen gefangen. In Bernstein wurden bisher unbekannte Gattungen von versteinerten Insekten entdeckt. Intakte Frösche und Eidechsen, Schlangenhäute, Vogelfedern, Haare und Knochen von Säugetieren und verschiedene Pflanzenmaterialien sind in Bernstein erhalten. In einigen Fällen kann Desoxyribonukleinsäure (DNA) aus den versteinerten Organismen extrahiert und mit den heutigen verglichen werden.

Geschichte
Bernstein ist seit frühester Zeit ein hoch geschätztes Material. Bearbeiteter Bernstein aus dem Jahr 11.000 v. Chr. wurde an archäologischen Stätten in England gefunden. Man glaubte, dass Bernstein magische Heilkräfte hat. Es wurde bereits 250 v. Chr. zur Herstellung von Lacken verwendet, und Bernsteinpulver wurde als Weihrauch geschätzt. Bernstein wurde auch weltweit gehandelt. Durch die Identifizierung der Bernsteinart, die in antiken Artefakten verwendet wird, können Wissenschaftler die geographische Herkunft des Bernsteins bestimmen und Rückschlüsse auf frühe Handelsrouten ziehen.

Um 600 v. Chr. rieb der griechische Philosoph Thales den Bernstein mit Seide ein, wodurch er Staub und Federn anzog. Diese statische Elektrizität galt bis ins 16. Jahrhundert als einzigartige Eigenschaft des Bernsteins, als der englische Wissenschaftler William Gilbert bewies, dass sie für zahlreiche Materialien charakteristisch ist. Er nannte es Elektrifizierung, nach Elektron, das griechische Wort für Bernstein.

In der westlichen Hemisphäre schnitzten die Azteken und Mayas Bernstein und verbrannten ihn als Weihrauch. Die Taino-Indianer der Insel Hispaniola schenkten Christoph Kolumbus Bernstein.

Die dekorative Verwendung von Bernstein gipfelte 1712 in der Fertigstellung eines kompletten Bankettsaals aus Bernsteinplatten für König Friedrich I. von Preußen. Im 19. Jahrhundert erlangte Bernstein eine neue Bedeutung, als deutsche Wissenschaftler begannen, die darin eingebetteten Fossilien zu untersuchen.

Rohstoffe
Harze sind komplexe Substanzen, die ölige Verbindungen, sogenannte Terpene, enthalten. Im Laufe der Zeit verdunsten einige Terpene, andere kondensieren und vernetzen sich zu harten Polymeren. Verschiedene Baumarten produzieren jedoch unterschiedliche Arten und Mengen an Harzen. Die genaue Struktur und Zusammensetzung des Bernsteins hängt von der Zusammensetzung des ursprünglichen Baumharzes, dem Alter des Bernsteins, der Umgebung, in der er abgelagert wurde, und den thermischen Bedingungen und geologischen Kräften ab, denen er ausgesetzt war. So kann auch Bernstein, der an ähnlichen Stellen gewonnen wird, in seiner chemischen Struktur und seinen physikalischen Eigenschaften variieren.

Bernsteinarten
Der Bernstein kommt weltweit vor, am bekanntesten ist jedoch der Bernstein von der Ostseeküste. Es wird Bernstein genannt, weil es einen erheblichen Anteil an Bernsteinsäure enthält. Der meiste baltische Bernstein stammt aus Kiefernharz. Bernstein ohne Bernsteinsäure wird als Retinitbernstein eingestuft.

Bernstein aus Mexiko und der Dominikanischen Republik bildete sich vor 20 bis 30 Millionen Jahren aus den Harzen ausgestorbener Hymenaea- oder Algarrobo-Bäume. Diese blühenden Bäume gediehen im Vordach ausgedehnter tropischer Regenwälder. Sie produzierten reichlich Harz, das schließlich zu Bernstein aushärtete. Sintflutartige Regenfälle spülten den Bernstein zu Tälern, wo er mit Schlamm bedeckt war. Als sich der Meeresspiegel änderte, setzte sich der Bernstein auf dem Meeresboden ab und das Sediment darüber verhärtete sich zu Gestein. Später drückte die Bergformation die Felsen hinauf.

Physikalische Eigenschaften
Viele Bestandteile von Bernstein ähneln denen moderner Harze. Die Vernetzung dieser Verbindungen macht den Bernstein jedoch hart, mit einem hohen Schmelzpunkt und geringer Löslichkeit. Bernstein hat eine Härte von 2-3 auf der Mohs-Skala, dem Standard für Mineralien und Edelsteine. Auf dieser Skala ist Talkum I und Diamant 10. Bernstein wird bei 150°C (302°F) weich und schmilzt bei 250-350°C (482-662°F). Mit einem spezifischen Gewicht von 1,05-1,12 ist Bernstein nur wenig dichter als Wasser. Es löst sich nicht vollständig in organischen Lösungsmitteln.

Bernstein tritt in der Regel als kleine unregelmäßige Masse, Knötchen oder Tröpfchen auf. Obwohl es viele verschiedene Farben sein können, ist es meist blass bis goldgelb oder orange und kann fluoreszierend sein. Nach einigen Jahren der Einwirkung von Licht und Luft färbt sich Bernstein oft dunkelrot und entwickelt zahlreiche Risse an der Oberfläche. Etwas Bernstein ist lichtdurchlässig oder sogar transparent. Allerdings können eingeschlossene Luftblasen dazu führen, dass Bernstein trüb oder undurchsichtig wird. Bernstein ist ein schlechter Wärmeleiter und große Temperaturschwankungen können zum Bruch führen.

Herstellung
Prozess
Die Bernsteingewinnung erfolgt je nach Standort unterschiedlich. Ostsee-Bernstein spült sich entlang der Ostsee und bis nach Dänemark, Norwegen und England. Die größten Vorkommen von nordamerikanischem Bernstein befinden sich auf der Oberfläche von offenen Tonminen in Arkansas.

In New Jersey wird kreidehaltiger Bernstein aus dem Sand und Ton von verlassenen Grubenminen gegraben. Es wird gesiebt, gewaschen und auf Einschlüsse untersucht.

In Asien wird Bernstein in Kohlebergwerken gefunden. Bis in die Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts wurde in tiefen Gruben im Norden Burmas (heute Myanmar) hochpreisiger Bernstein abgebaut.

Bergbau und Waschen
Tropfen oder Blöcke baltischen Bernsteins werden aus offenen Gruben von 40-60 Millionen Jahre altem Glaukonitsand gewonnen. Glaukonit ist ein hydratisiertes Kalium-Eisen-Silikat-Mineral und diese Ablagerungen werden wegen ihrer blau-grünen Farbe „blaue Erde“ genannt. Nachdem die Oberfläche geräumt ist, wird die blaue Erde mit Hilfe von Schaufeln und Baggern ausgegraben.

Er wird in einer Waschanlage durch Gitterroste geschüttet, in denen mit Hilfe von Wasserströmen der Bernstein vom Sand getrennt wird. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden bis zu einer Million Pfund (450.000 kg) Bernstein pro Jahr aus der blauen Erdschicht der Samland Halbinsel in der östlichen Ostsee gewonnen.

Mexikanischer und dominikanischer Bernstein kann durch Erdrutsche an steilen Berghängen freigelegt und mit Spitzhacken und Schaufeln gewonnen werden. Es wird auch aus tief in den Boden gegrabenen Gruben abgebaut. Viel Dominikanischer Bernstein wird aus engen Tunneln abgebaut, die bis zu 183 m (600 ft) in die Seiten der Berge gegraben wurden. Es wird Wasser aus den Tunneln gepresst oder gepumpt und die Bergleute kriechen hindurch, meißeln am Fels und nehmen den freigelegten Bernstein heraus.

Klarheit und Färbung
Große eingeschlossene Luftblasen führen zu einem schaumartigen oder leicht schäumenden Bernstein. Durch mikroskopische Blasen entsteht knöcherner oder knöcherner Bernstein, der wie getrockneter Knochen aussieht. Sehr trübe Amber wird Bastard genannt. Bernstein wird durch Erhitzen in Rapsöl geklärt.

Das Öl dringt in oberflächennahe Blasen ein und reduziert die Trübung, so dass selbst knöcherner oder bastardischer Bernstein transparenter wird. Bernstein kann auch durch Erhitzen unter Druck mit Stickstoff und anschließendes Backen im Ofen geklärt werden.

Durch die Klärung wird der Bernstein verdunkelt und es entstehen scheibenförmige Druckstellen, die als „Sonnenflecken“ bezeichnet werden. Bernstein kann grün oder rötlich gefärbt sein. Mexikanischer und dominikanischer Bernstein ist in der Regel klar und transparent und bedarf keiner Klärung.

Schneiden und Umgestalten
Für Schmuck oder Schnitzereien wird Bernstein meist von Hand mit einer Juweliersäge und feinverzahnten Feilen bearbeitet. Mit einem 320er Korn und einem 400er oder 600er Nassschleifer wird er nass geschliffen. Es kann mit Stahlbohrern mit geringer Drehzahl und geringem Druck gebohrt werden, um Erwärmung und Rissbildung zu vermeiden.

Um eine klare Sicht auf Einschlüsse zu erhalten, kann ein Ende eines Bernsteinstücks abgetrennt werden. Bernstein mit Einschlüssen kann zur Untersuchung der biologischen Probe oder zur Trennung von zwei Proben geschnitten oder umgeformt werden. Der Zuschnitt erfolgt mit einer Juwelier-Handsäge oder, bei größeren Teilen, mit einer Hochgeschwindigkeits-Kappsäge mit Diamantscheibe, bei Drehzahlen bis zu 4.200 U/min.

Die Umformung erfolgt mit verschiedenen Sandpapiersorten. Raue Kanten des Sägeblattes können mit 200- und 400-er Körnung von Hand oder mit einer Bandschleifmaschine mit Wasserkühlung geglättet werden, um Staub zu entfernen und Überhitzung und Bruch oder Scheibenbildung zu vermeiden.

Polieren
Bernstein für Schmuck wird mit Zinnoxid oder Ceroxid poliert, mit einem Lederpoliergerät, einem Laufrad oder Kissen oder einem Waschbrett. Periodisches Polieren mit einem Wachs auf Silikonbasis stellt den Glanz wieder her und vermindert die Verdampfung und Oberflächenoxidation.

Dominikanischer Bernstein wird mit einem Schleifgerät nach den natürlichen Konturen poliert. Die Oberflächenoxidation von Dominikanischem Bernstein vermindert die Fluoreszenz und die blaue, grüne oder violette Farbe. Durch Entfernen der äußeren Schicht und Nachpolieren wird die Fluoreszenz wiederhergestellt. Das Nachpolieren kann von Hand oder mit einer Polierscheibe aus Baumwolle unter Verwendung von Dentalpolierpaste, einem Schleifmittel für Kunststoffe oder anderen feinen, farbneutralen Polierpasten erfolgen. Ein abschließendes manuelles Polieren entfernt die Polierpaste.

Der über 65 Millionen Jahre alte Kreidebernstein ist sehr spröde und gebrochen. Nach einigen Jahren der Exposition ist es anfällig für Zerfall. Die Umhüllung von Kreidebernstein mit Kunstharz hilft, diesen zu erhalten.

Pressen
Zur Herstellung von Edelsteinen werden kleine, klare Bernsteinstücke erweicht und im Vakuum mit Dampf bei 204°C (400°F) oder darüber verschmolzen.

Die Teile werden durch ein feines Stahlsieb oder -gewebe gepresst, gemischt und zu Blöcken gehärtet. Dieser gepresste Bernstein wird als Ambroid oder Ambrooid bezeichnet und kann Blasen enthalten, die sich unter der Hitze und dem Druck verlängert haben. Gelegentlich werden moderne Insekteneinschlüsse in gepressten Bernstein eingelegt und das Ambroid kann eingefärbt werden, meist dunkelrot.

Sonstige Verarbeitung
Kleine Bernsteinstücke von schlechter Qualität, darunter etwa 90% des baltischen Bernsteins, werden in riesigen, trockenen Eisenretorten destilliert. Etwa 60% werden als Bernstein-Kolophonium, ein hochwertiger Lack, gewonnen. Weitere 15-20% werden zu Bernsteinöl, das in Arzneimitteln, Gussteilen und Lacken höchster Qualität verwendet wird. Etwa 2% der Produkte sind destillierte Säuren, wie Bernsteinsäure, die für Medikamente und Lacke verwendet werden.

Qualitätskontrolle
Härterer und vermutlich älterer Bernstein gilt in der Regel als hochwertiger. Da die Bergbaukosten um 28% höher sind als der Wert des Rohbernsteins, beruht sein Wert in erster Linie auf seinen Einschlüssen oder auf seiner späteren Verarbeitung zu Schmuck und Kunstobjekten. Deshalb wird Bernstein nach seiner Größe und Schönheit sowie nach dem Vorhandensein und der Art der Einschlüsse sortiert.

Bernstein-Imitationen mit gefälschten Einschlüssen werden seit mindestens 600 Jahren hergestellt. Frische Harze, synthetische Polystyrole, Bakelit, Epoxidharze, Zelluloid, farbiges Glas, Kunststoffe und Polyester wurden alle für die Imitation von Bernstein verwendet. Echter Bernstein unterscheidet sich jedoch durch seine Härte, Schmelztemperatur, mangelnde Löslichkeit, Fluoreszenz, spezifisches Gewicht, Brechungsindex (Maß für den Grad, in dem er Licht biegt) und Geruch beim Brennen. Manchmal wird echter Bernstein gebrochen, ein Hohlraum für einen Einschluss in frisches Harz geschnitzt und das Stück wieder verschlossen.

Nebenprodukte/Abfall/Zukunft
Etwa 90% des weltweit extrahierbaren Bernsteins befindet sich in der russischen Region Kaliningrad an der Ostsee. Dort hat der Bernsteinabbau und die Verarbeitung zu einer weit verbreiteten Umweltzerstörung geführt. Mehr als 100 Millionen Tonnen Abfall wurden im vergangenen Jahrhundert aus dem Bergwerk Palmnicken (Yantarny) in die Ostsee eingeleitet. Dieser unlösliche Abfall verursacht eine hohe Trübung in der Ostsee. In der Ostsee brauchen die Gewässer 25 bis 30 Jahre, um sich zu erneuern.

Die leicht zu gewinnenden, oberen Schichten des baltischen Bernsteins waren Mitte des 19. Jahrhunderts erschöpft, aber es wird geschätzt, dass über 180.000 Tonnen Bernstein in der Mine Yantarny in Kaliningrad verbleiben. Bei der derzeitigen Förderrate könnte dort für weitere 300 Jahre Bernstein abgebaut werden. Zudem wurde der Bergbau in Myanmar wieder aufgenommen und der hochwertige burmesische Bernstein wird an Museen verkauft.


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