Aerosolforschung Die geheimnisvollen Kräfte des Staubs

Kleinste Materie löst vor allem eins aus: Putzwut. Dabei könnte der Mensch an ihr genau studieren, wie die Welt entsteht und vergeht - mitten im eigenen Wohnzimmer.

Von Olaf Tarmas und Philip Wolff


Das Experiment ist kinderleicht. Einmal die Zimmer daheim gründlich saugen und wischen, alle Krümel, Haare und den Staub vom Boden wegputzen – und am nächsten Tag: einfach mal nichts dergleichen tun. Lange schlafen, Kaffee trinken und vielleicht gründlich eine Zeitschrift lesen, am besten diese hier, dann lässt sich der Ausgang des Versuchs leichter begreifen: dass nämlich am Abend der Staub wieder da ist – ein gar nicht mehr triviales Ergebnis.

Wie aus dem Nichts haben sich winzige Flöckchen gebildet oder sogar Wollmäuse unter Möbeln versammelt. Alles ist wieder voller Staub. 6,2 Milligramm pro Quadratmeter sind es im Durchschnitt in einer deutschen Wohnung am Tag. Und sie fallen uns nicht einfach als größere oder kleinere Gewebeteilchen vom Pullover, aus den Kissen und vom Kopf, sie wehen nicht als Rußpartikel vom Schornstein des Nachbarn herein und legen sich so auf die Regalbretter. Die Urheber der verstaubten Wohnung sind unsichtbar, gehorchen ganz eigenen physikalischen Gesetzen und sind oft völlig unerwarteten Ursprungs: Sie können aus der gerade gelesenen Zeitschrift stammen, aber auch aus der Sahara, aus dem Atlantik oder sogar aus fernen Galaxien. Der Vorgang ist so alltäglich und doch so wundersam, dass sich neben dem Beruf der Reinigungskraft ein ganzer Wissenschaftszweig etablieren konnte: die Staub- beziehungsweise Aerosolforschung.

Auf dem Arbeitstisch von Jens Soentgen sieht es entsprechend schmutzig aus. Wie unterm Sofa des einen oder anderen Lesers versammeln sich hier Krümel, Sand, Flocken und Fasern. Doch arbeitet Soentgen, Chemiker, Philosoph und Leiter des Wissenschaftszentrums Umwelt der Universität Augsburg, mit extrem sauberen Methoden. Er sammelt und untersucht seinen Forschungsgegenstand nicht bloß in Blechdosen und Petrischalen auf seinem Experimentiertisch, er bearbeitet ihn nicht nur mit Pinseln und Wattebäuschen. Er lässt ihn, wenn es sein muss, auch nach Größen filtern, wiegen und chemisch analysieren.

Dank Soentgens Arbeit verfügt Augsburg über präzisere Daten zur Belastung durch Pollen, Dieselruß und Feinstaub als jede andere Stadt in Deutschland. Rasterelektronenmikroskope, Massenspektroskope und Gas-Chromatografen verraten Forschern die Zusammensetzungen von Staubproben und helfen so, die Herkunft der Partikel zu erkennen – aber auch ihr Geheimnis: jene unerklärlichen Zusammenhänge zwischen dem menschlichen Alltagskosmos und den Regeln unsichtbarer Miniwelten. "Staub ist Materie, die so klein ist, dass Naturgesetze ganz anders auf sie wirken als auf größere Dinge", erklärt Soentgen.

Für das tägliche Staubwunder ist vor allem die Größe der Objekte entscheidend. Sie liegt im Mikrometerbereich. Ein Mikrometer ist ein Tausendstelmillimeter. Die größten Staubpartikel bringen es auf einen Hundertstelmillimeter. Um zu verstehen, warum sie nach physikalischen Alltagsregeln unberechenbar und schlichtweg überall auftauchen, muss man eine Reihe komplizierter Gesetze berücksichtigen. Etwa jenes, nach dem die Masse eines Objekts, wenn es schrumpft, schneller abnimmt als seine Oberfläche. Die Oberfläche eines kugelförmigen Sandkorns zum Beispiel, das sich durch Abrieb auf Staubkorngröße verkleinert, schrumpft nur dem Quadrat seines Radius (r2) entsprechend, die Masse hingegen mit der dritten Radiuspotenz (r3). "Ab einer bestimmten Kleinheit wird daher die Oberfläche zur alles beherrschenden Größe, sodass dem Stoff, obwohl chemisch identisch, völlig neue physikalische Eigenschaften zukommen", erklärt Jens Soentgen.

Das heißt: Während für einen Stein oder ein dickes Sandkorn das Gesetz der Schwerkraft gilt, besteht Staub aus fast schwerelosen Flugobjekten und wird von Kräften bestimmt, die für den Menschen und die Gegenstände seiner Wahrnehmung kaum zählen: von feinsten Luftbewegungen, Adhäsionskräften und Elektrostatik, die man normalerweise ebensowenig spürt, wie man einzelne Staubpartikel sieht.

Bis der Mensch den Staub wahrnehmen und mit dem Putzen von vorn beginnen kann, vollziehen sich in der Nanowelt umwälzende Ereignisse. Hautschuppen, winzige Kleidungsfasern und der allergene Kot von Staubmilben, Pollen und Rußpartikel von Kerzen oder aus Schornsteinen, aber auch Feinstäube aus Autoabgasen schwirren in der Wohnungsluft herum. Darüber hinaus sind auch Botschafter aus entfernteren Regionen wie Salzkristalle dabei, die mit der Gischt aus Nord- und Ostsee bis in den Süden Deutschlands verweht werden. Das Meer, so seltsam es klingt, ist als Teilchenschleuder der bedeutendste Staubproduzent des Planeten. Und auch aus der zweitgrößten Staubquelle der Erde, den Wüsten, schwebt manches Partikel durch die deutsche Wohnung – meist aus der Sahara, in der pro Jahr die unglaubliche Menge von nahezu einer Milliarde Tonnen Mineralstaubs aufgewirbelt und mit dem Wind fortgetragen wird.

Treffen diese verschiedenen Teilchen nun aufeinander, können sie sich je nach Ladung elektrostatisch anziehen, auf chemischem Weg verkleben, "oder sie verhaken sich mechanisch", sagt Soentgen. "Vor allem organische Partikel, deren Oberfläche oft eine Schuppenstruktur wie Wolle und Haar aufweist, bleiben aneinanderhängen wie Äste in den Strömungswirbeln der toten Winkel eines Bachs." Auf solche Arten bindet sich Staub an Staub, seine Masse wächst mit der dritten Radiuspotenz, die Oberfläche aber nur mit der zweiten, bis irgendwann die Gravitation an Bedeutung gewinnt. Während Partikel von weniger als 0,1 Mikrometer Größe sich noch wie Gasmoleküle ohne jede Fallgeschwindigkeit benehmen, beginnen sie von einem Mikrometer an zu sinken – vorausgesetzt, die Luft steht still. Das Ergebnis sind irgendwann kleine, wie aus dem Nichts entstehende Staubflocken auf dem Boden oder auf dem Regalbrett.

Besonders gern entstehen diese Flöckchen in toten Strömungswinkeln der Nano-wildbahn Wohnung und wachsen dort zu ansehnlicher Größe weiter. Mikroluftströme, die Bewohner durch ihre Bewegungen erzeugen oder die über Heizungen aufsteigen und an kalten Außenwänden absinken, transportieren die Teilchen, bis diese sich in den Strömungsschatten solcher Wege sammeln, zum Beispiel zwischen Schränken. Dort finden die Partikel weiter zueinander. Haben sie eine gewisse Größe erreicht, verhaken sie sich auch mit gröberen Teilen wie Haaren: Erste Wollmäuse werden geboren.



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