Die chemischen Elemente – sie sind die Bausteine der Stoffe und die Grundlage für die Entstehung des Lebens. Auf der Erde finden wir etwa neunzig natürlich vorkommende Elemente, vom Wasserstoff, dem leichtesten, bis zum Uran, dem schwersten Element im Periodensystem.

Wie ist es zu der Vielfalt der Elemente gekommen? Welche Prozesse spielten dabei eine Rolle?

Die Elementsynthese begann ungefähr eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, nachdem sich die ersten Galaxien und Sterne aus riesigen Wasserstoffwolken gebildet hatten. Durch die freigesetzte Gravitationsenergie wurde die Sternmaterie so aufgeheizt, dass im Inneren der Fusionsprozess von Wasserstoff zu Helium entfacht wurde. Seither vollzieht sich die Elementsynthese über komplexe Kernreaktionen in den Sternen. So verdanken auch wir Menschen unsere Existenz der Elementsynthese in den Sternen. Denn wie alle Materie um uns herum, so stammt auch jedes Atom unseres eigenen Körpers aus „Sternenstaub“ und wurde in früheren Sterngenerationen geschaffen.

Mit Kernfusion bis zum Eisen – Elementsynthese im Inneren der Sterne

Unsere Sonne – ein Stern mittlerer Größe wie unzählige andere im Universum. In ihrem Inneren entsteht über Fusion von Wasserstoff Helium. Die dabei frei werdende Energie spendet uns Wärme und Licht und ist somit unmittelbare Voraussetzung für unser Leben.

Die Sterne liefern aber auch die Bausteine für das Leben – die chemischen Elemente. Durch Fusionsreaktionen von kleineren zu immer größeren Kernen können in ihrem Inneren nach und nach alle Elemente bis zum Eisen gebildet werden. Danach kommt die Fusion zum Stillstand, da bei der Verschmelzung zu noch schwereren Elementen Energie benötigt wird.

Die Elementsynthese bis zum Eisen vollzieht sich aber nur in sehr schweren Sternen mit einem Vielfachen der Sonnenmasse. In unserer Sonne, einem nur mittelgroßen Stern, wird die Fusion, so haben Wissenschaftler berechnet, keine schwereren Elemente als Kohlenstoff und Sauerstoff hervorbringen.

Elementsynthese in Roten Riesen und Supernova-Explosionen

Die Elemente, die schwerer als Eisen sind, entstehen am Ende der Lebenszeit großer Sterne in sogenannten Roten Riesen oder in gewaltigen Supernova-Explosionen.

Voraussetzung für die Bildung der schweren Elemente sind freie Neutronen, die über Kernreaktionen im Inneren der Roten Riesen und – in noch größerer Zahl – in Supernova-Explosionen freigesetzt werden. Diese Neutronen lagern sich an die bereits vorhandenen leichten Kerne an. Auf diese Weise entstehen neutronenreiche radioaktive Kerne, die über Beta-Zerfall, das heißt die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, in das nächst schwerere Element übergehen. Über mehrfache Wiederholung dieses Prozesses werden alle Elemente bis zum Uran gebildet.

Allen dabei auftretenden „Produktionspfaden“ ist gemeinsam, dass sie über den Umweg radioaktiver Kerne zu den stabilen schweren Elementen führen. Wir verdanken die Vielfalt der Stoffe auf der Erde also einer Vielzahl von radioaktiven Kernen und Kernreaktionen, die als Zwischenglieder bei der Elementsynthese dienten.