Metalle sind aus unserem Alltag einfach nicht mehr wegzudenken. Sie bilden die Grundlage des technischen Fortschritts: Kabel, Computer, Autos und vieles mehr. Das war aber nicht immer so. Bis einschließlich zur Steinzeit konnten Menschen weder Metalle gewinnen noch bearbeiten. Das änderte sich, als der Mensch lernte, Kupfer zu verarbeiten. Kupfer dann Bronze und danach Eisen veränderten die Welt so tiefgreifend, dass ganze Epochen nach ihnen benannt wurden. Lust auf eine kleine Zeitreise?
Kupfersteinzeit
Wie alles begann ...
Die Geschichte beginnt vor ungefähr 10.000 Jahren in Vorderasien, wo unsere Vorfahren anfingen grünes Kupfererz zu bearbeiten. Kupfererz hat eine schöne grün schimmernde Farbe, wie du in Abbildung 1 erkennen kannst. Zuerst wurde das Erz fein vermahlen und für Verzierungen verwendet. Irgendwann jedoch gelang es den Menschen aus diesem Erz reines Kupfer zu gewinnen. Dabei handelt es sich um einen sehr mühsamen und technisch aufwendigen Prozess.
Kupfer kommt in über 160 verschiedenen Mineralien vor, die für eine angemessene Menge Kupfer in großen Mengen abgebaut werden müssen. Hierfür konnten damals ausschließlich Steinwerkzeuge verwendet werden – ein sehr mühsamer Prozess. Die kleinen Höhlen in Abbildung 2 sind durch solchen Abbau entstanden.
Entwicklung der Gewinnung von Kupfer
Die Gewinnung des Metalls aus den Erzen wird als Verhüttung bezeichnet. Dabei laufen mehrere chemische Reaktionen ab, die hohe Temperaturen benötigen. Zunächst reagieren die verschiedenen Mineralien mit dem Sauerstoff aus der Luft unter anderem zu Kupfer(II)-oxid. Dieses reagiert mit Kohlenstoffmonoxid, das bei der Verbrennung von Kohle in geringen Mengen entsteht, zu Kupfer und Kohlenstoffdioxid.
\( \ce {2Cu2O + 2CO -> 4Cu + 2CO2} \)
Der Prozess findet erst bei ungefähr 1100 °C wirklich effektiv statt. Bei dieser Temperatur bildet das entstandene flüssige Kupfer kleine Töpfchen. Für ein Werkzeug müssen mehrere dieser kleinen Tröpfen erneut geschmolzen und anschließend in eine Form gegossen werden. Die bisherigen archäologischen Funde lassen vermuten, dass die Kupferverhüttung auf dem Balkan wohl kurz vor 5000 v. Chr. entstand. Das liegt ungefähr 2000 Jahre nach den Anfängen der Kupferbearbeitung. Daran erkennst du, wie komplex dieser Prozess für die Menschen damals gewesen sein muss. Eine Herausforderung war es, die hohen Temperaturen zu erzeugen. Dafür bauten sie sich vermutlich hohle Holzstäbe, die unten mit Ton ummantelt waren. Mit diesen bliesen sie Luft in ein Feuer, um es weiter anzufachen.
Ötzi und sein Kupfer-Beil
Das wohl bekannteste Kupferwerkzeug gehörte Ötzi, der ein Kupfer-Beil bei sich hatte. Das Beil ermöglichte es Ötzi, vermutlich Bäume zu fällen. Es könnte jedoch auch als Waffe gedient haben. Kupfer war zu dieser Zeit sehr wertvoll und es wurden nach wie vor größtenteils Steinwerkzeuge verwendet. Daher wird vermutet, dass Ötzi ein angesehener Mann gewesen war.
Bronzezeit
Einsatz von Bronze für Werkzeuge und Skulpturen
Erst in der Bronzezeit erreichten Metalle eine größere Bedeutung. Die Bronzezeit beginnt im Nahen Osten etwa 3000 v. Chr., also vor 5000 Jahren. Doch was ist eigentlich Bronze? Anders als bei Kupfer handelt es sich hier um kein Element, sondern um ein Gemisch aus 90 % Kupfer mit 10 % Zinn. Solch ein homogenes Gemisch aus mindestens einem Metall wird Legierung genannt. Solche Legierungen haben andere Eigenschaften als die enthaltenen Metalle. Bronze ist weitaus härter als Kupfer. Es war somit für eine Vielzahl an Werkzeuge geeignet. Das viel weichere Kupfer wurde vor allem für Werkzeuge zur Holzbearbeitung eingesetzt, da Holz ebenfalls ein weicher Werkstoff ist. Aus Bronze wurden aber nicht nur Werkzeuge, sondern auch Skulpturen wie die in Abbildung 4 hergestellt.
Weiterentwicklung der Öfen für die Verhüttung
Voraussetzung für die Herstellung von Bronze waren leistungsfähige Öfen für die Verhüttung und das Schmelzen der Metalle. Die ersten Öfen entstanden bereits in der Kupfersteinzeit. Dabei handelte es sich aber nur um ein Loch im Boden, das mit Steinen ausgekleidet war. Innerhalb einer erstaunlich kurzen Zeitspanne entwickelten die Menschen jedoch spezielle Öfen, die viel besser funktionierten. Für solche Öfen wurden Steine in einem Kreis übereinander geschichtet, sodass ein Zylinder entstand. Diese wurden in der Regel auf Hügeln errichtet und hatten an einer Seite eine Öffnung. Die Öffnung wurde so platziert, dass er Wind in den Ofen strömen konnte und die Glut so mit Sauerstoff versorgt wurde. Es waren also keine Blasrohre mehr nötig.
Handel mit Metallen und Erzen
Die Wissenschaft interessiert sich schon lange für die Frage, woher das Zinn für die Bronze kam. Im Nahen Osten, wo Bronze als Erstes in Erscheinung trat, kommen Zinnerze nämlich fast nicht vor. Schon in der Frühen Bronzezeit muss ein umfangreicher Handel mit Metallen und Erzen stattgefunden haben. Durch diesen Handel entstand ein Netz von Karawanenstraßen, das wir unter dem Namen Seidenstraße kennen.
Verbreitung der Metallgewinnung von Ost nach West
Mitteleuropa spielte bei der Metallgewinnung eine untergeordnete Rolle. Fast alle Innovationen begannen Südosteuropa und breiteten sich langsam nach Westen aus. Erst um 3 800 v. Chr. begann die erste selbstständige Verarbeitung von Kupfer im Alpenraum am Mondsee, der heute in Österreich liegt. In Europa beginnt hier also die Kupfersteinzeit, während im Nahen Osten schon fast die Bronzezeit beginnt. Anders als heute dauerte es sehr lange, bis Ideen von einem Ort auf der Welt zu einem anderen gelangen konnten.
Eisenzeit
Damit kommen wir zum letzten Zeitalter, das nach einem wichtigen Metall benannt wurde: der Eisenzeit. Eisen war den Menschen schon sehr lange bekannt, wurde aber anders als Kupfer nicht gezielt abgebaut und verarbeitet. Der Grund hierfür ist bis heute nicht geklärt. Wir wissen jedoch, dass sich die Verhüttung von Eisen in einigen Punkten von der Kupferverhüttung unterscheidet.
Gewinnung von Eisen in Rennöfen
Grund hierfür ist, dass Eisen und Kohlenstoff eine Legierung bilden. Kohlenstoff ist in Kohle, das zur Verhüttung verwendet wird, in großen Mengen vorhanden. Eine Legierung mit zu viel Kohlenstoff ist sehr spröde und lässt sich daher schlecht verarbeiten. Anders als bei Kupfer war in den Öfen wenig Sauerstoff und dafür viel Kohlenstoffmonooxid vorhanden. Das sorgte dafür, dass der Kohlenstoffgehalt in der Legierung geringer war. Das Eisen war leichter zu bearbeiten. Das Eisenerz im Ofen reagierte mit Kohlenstoffmonooxid zu festem Eisen. Unbrauchbare Bestandteile des Erzes schmolzen und bildeten eine flüssige Schlacke. Diese Schlacke floss durch eine Öffnung im Ofen ab. Solche Öfen werden Rennöfen genannt. Im Video (Abb. 4) kannst du dir einen Nachbau eines solchen Ofens anschauen.