Galvanoplastik

Mit zuckenden Froschschenkeln begann es, unser Stromzeitalter. Kaum hatte der italienische Anatom Luigi Galvani 1780 dieses Phänomen – und damit die Galvanische Zelle – zufällig entdeckt, folgten die ersten Anwendungen: Alessandro Volta baute 1800 darauf aufbauend mit der Voltaschen Säule die erste Batterie. Damit führten der englische Chemiker William Nicholson und der deutsche Johann Wilhelm Ritter im gleichen Jahr die ersten Elektrolysen durch (Trennung von Wasser in Wasser- und Sauerstoff) und fünf Jahre später benutzte sie Luigi Brugnatelli für die erste Galvanisierung.

1837 erfand dann Moritz Hermann von Jacobi die Galvanoplastik und damit eine Möglichkeit zur Massenproduktion von Büsten und Plastiken. Galvanoplastiken werden nicht gegossen, sondern durch Metallablagerungen per Elektrolyse langsam aufgebaut. Wegen der daraus resultierenden geringen Wandstärken sind sie viel günstiger zu produzieren, vergleichsweise leicht, aber dennoch stabil. Außerdem lassen sich so extrem detaillierte Repliken anfertigen – weshalb diese Technik auch heute noch für die Arbeit von Archäologen und Museen unverzichtbar ist (siehe Video).

Hier ein Arbeitsheft der Landesämter für Denkmalpflege (PDF) mit umfassenden Informationen (175 Seiten!) zum Thema Galvanoplastik.

Elektro-Umrechnungsrad

Für den einen oder anderen vielleicht ganz hilfreich: Eine selbstgestrickte Übersicht, die hilft, vier elektrische Grundeinheiten zu ermitteln. Wenn also auf einem Handy-Netzteil “5V” und “0.7A” steht, wisst ihr nun, dass das Smartphone 5 x 0,7 = 3,5 Watt während der Aufladung verbraucht. Und wenn man das weiß, kann man einen Windgenerator bauen, der diese Leistung erzeugt – siehe vorheriges Posting… ;-)

Leistung berechnen

Naturwissenschaft kann so verdammt einfach sein, wenn man mal die ganze Korinthenkackerei weglässt. In den USA weiß man das schon lange, daher sind die meisten einfachen, pragmatischen Anleitungen auf englisch. Wer damit jetzt überfordert ist - hier ein paar, z.T. ergänzende, Infos zum Thema:
Um die Leistung zu berechnen, braucht man für dieses Experiment ein Gewicht, das hochgezogen werden soll. Mit Gramm oder Kilo wird man hier jedoch nichts, für die Berechnung benötigt man die Kraft, die notwendig ist, um das Gewicht zu heben. Die misst man in Newton. Im Video kommt ein Newtonmeter zum Einsatz, das braucht man aber nicht. Viel einfacher ist diese Formel:

Kraft (Newton) = Gewicht (kg) x Erdanziehung (g = 9,81 m/sec²).

10g (0,01 kg) ergeben beispielsweise 0,0981 Newton; für 123g müssen 1,20 Newton aufgewendet werden (123/1000 x 9,81). Anschließend kann die Arbeit in Joule berechnet werden:

Arbeit (Joule) = Kraft (Newton) x Strecke (Meter).

Im Video wird dazu einfach ein Bindfaden mit dem Gewicht aufgespult. Die zurückzulegende Strecke wird vorher gemessen. Im Beispiel sind das 2,5 Meter. Schafft es das Windrad, das Gewicht auf 2,5 Meter hochzuziehen, verrichtet es (mindestens) eine Arbeit von ... Joule. Bei 1,20 Newton und 2,5 Metern also beispielsweise 3 Joule. Nun lässt sich die Leistung in Watt ermitteln:

Leistung (Watt) = Arbeit (Joule) / Zeit (Sekunden).

1 Watt = 1 Joule pro Sekunde; bei 3 Joule und einer Zeit von 9 Sekunden (siehe Video) ergibt das 0,33 Watt. Die Kurzformel, die alle obigen Schritte zusammenfasst:

Leistung = Gewicht x 9,81 x Strecke / Zeit (in unserem Beispiel: 0,123 x 9,81 x 2,5 / 9)

Flink in eine Excel-Tabelle eingefügt, kann man mit den Werten herumspielen und sieht: Um die für ein Handy-Netzteil typischen 3,5 Watt (5 Volt, 0,7 Ampere) zu generieren, müssten zwei Kilo in zirka elf Sekunden auf zwei Meter Höhe gehievt werden.

DIY-Batterie (1)

Ein wunderbares Beispiel das zeigt, wie viel Energie uns umgibt und selbst in etwas Essig und einigen Münzen steckt. Diese Nutzung hat der junge Mann das natürlich nicht erfunden. Das war der Physiker Alessandro Volta, der 1800 mit seinem Vorläufer unserer Batterien, der Voltaschen Säule (PDF), eine der bedeutendsten Erfindungen der Menschheitsgeschichte machte – 20 Jahre nachdem der Anatom Luigi Galvani während eines Experiments bemerkte, dass Froschschenkeln zucken, wenn sie mit Kupfer und Eisen in Berührung kommen.

Galvani erzeugte unwissentlich aus zwei unterschiedlichen Metallen und einem Elektrolyt* („Salzwasser“ im Froschschenkel) einen Stromkreis. Er erkannte die Zusammenhänge nicht, legte aber die Grundlage für die Entwicklung Galvanischer Zellen durch Alessandro Volta. Wichtig fürs Verständnis: Die Elektrochemische Spannungsreihe.

*Elektrolyt = Stoffe, die zumindest teilweise als elektrische geladene Atome/Moleküle (Ionen) vorliegen. Beispiel: Essigsäure (schwaches Elektrolyt) oder gelöstes Kochsalz (starkes Elektrolyt). Die wichtigsten Elektrolyte sind entweder Säuren, Basen oder Salze.

Der Vollständigkeit halber hier noch der Hinweis auf einen anderen Energiespeicher, der bereits 1745 entdeckt wurde: Der Kondensator (in Form der “Leidener Flasche”). Das ist allerdings im Gegensatz zur Batterie ein physischer und kein chemischer Speicher.

Galvanisieren

Eine Form der Elektrolyse, 1780 von Luigi Galvani erfunden. Es gibt für knapp 16€ Galvano-Sets im Handel, das lässt sich aber auch improvisieren. Einfachstes Beispiel: Einen Zinknagel in Kupfersulfat (gibt's bei eBay, Conrad oder in der Apotheke, 250 ml ca. 7,50€) legen und warten. Etwas aufwendiger: Eine 5 Cent Münze mit dem Pluspol einer Stromquelle (= Anode), ein anderes Stück Metall mit dem Minuspol (= Kathode) verbinden. Es reichen 3-12 Volt, also zum Beispiel auch eine 9V-Batterie. Oder ein altes Handynetzteil. Wer mal sehen möchte, was man alles anzapfen kann, um 'ne zünftige Elektrolyse zu starten, besucht (auf eigene Gefahr) diese Homepage (englisch)...

So geht es weiter: Glas-/Plastikbehälter mit Kupfersulfat füllen. Es ist das Elektrolyt, in dem die abzuscheidenden Metall–Partikel gelöst sind. Münze und zu beschichtender Gegenstand in die Wanne legen. Sie dürfen sich unter keinen Umständen berühren, sonst gibt es einen Kurzschluss. Strom einschalten. Nach einiger Zeit erhält der Gegenstand eine Kupferschicht. Eine andere Variante ist das Tampon–Galvanisieren: Hier wird das Elektrolyt mit einem Schwämmchen (Tampon) an das zu behandelnde Teil gebracht. Weitere Infos dazu gibt es auf dieser Seite.

Was geht da vor sich? Bei der Galvanik wird Strom durch ein elektrolytisches Bad geschickt. An der Anode (+) befindet sich das Metall, das aufgebracht werden soll (z. B. Kupfer oder Nickel), an der Kathode (-)  der zu beschichtende Gegenstand. Der elektrische Strom löst Metallionen von der Verbrauchselektrode und lagert sie durch Reduktion auf der Ware ab. So wird der zu veredelnde Gegenstand gleichmäßig mit Kupfer oder einem anderen Metall beschichtet. Je länger sich der Gegenstand im Bad befindet und je höher der elektrische Strom ist, desto stärker wird die Metallschicht. Siehe dazu auch der Eintrag zum Thema Galvanoplastik.

Mit Silberleitlack (auch Leitsilber genannt, ca. 5-8€) kann man beliebige Gegenstände elektrisch leitend machen. Ich werde bei Gelegenheit mal testen, welche Mittelchen eventuell auch funktionieren (Lotpaste? "Magnetische" Wandfarbe? Graphitpulver + Kleber?) In der alten Zunft (ca. 1838) der Galvanoplastik ging’s ja auch - ein Modell aus Wachs + Graphitpulver + Elektrolyse = Reiterdenkmal, um es mal kurz zu machen... Tiefschürfendere Infos gibt's u.a. beim Westfalia Versand. Wie man mit ein wenig Bastelei Glasperlen verkupfert, wird auf dieser Seite hervorragend beschrieben.

Update: Ein TOP-Video, der die Vorgänge bestens veranschaulicht!