Technetium: Der erste künstliche Element, der Millionen von Leben gerettet hat

In der Periodischen Tabelle von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew gibt es eine Zelle unter der Nummer 43. Für viele Jahre blieb sie leer. Ihr Bewohner gab sich den Chemikern des 19. Jahrhunderts nicht her, er floh vor den eifrigsten Jägern nach Elementen. Aber es zeigte sich, dass es nicht an der Schwierigkeit der Extraktion lag, sondern an der Natur dieses Stoffes: Es konnte einfach nicht auf der Erde seit ihrer Entstehung erhalten bleiben. Heute kennen wir diesen Element als Technetium — den ersten künstlich erstellten Element und gleichzeitig den Element, der täglich Tausende von Leben in Krankenhäusern auf der ganzen Welt rettet.

Technetium ist der einzige Element, leichter als Blei, das keine stabilen Isotope hat. Sein Platz in der Tabelle ist ein Triumph der prädictiven Kraft der Wissenschaft und gleichzeitig ein Denkmal der menschlichen Erfindungsgabe.

43. Element: Das Prophezeiung Mendeleews

Im Jahr 1869, als Dmitri Iwanowitsch Mendelejew seiner Periodischen Tabelle die Welt präsentierte, gab es 63 Elemente und einige leere Stellen. Er ließ nicht einfach Lücken, sondern prophezeite die Eigenschaften noch nicht entdeckter Substanzen. Für das Element unter der Nummer 43, das unter dem Mangang in der siebten Gruppe stand, voraussagte der Wissenschaftler die Eigenschaften und nannte es «eka-Mangan» (von Sanskrit «eka» — eins).

In den folgenden Jahrzehnten suchten Chemiker nach dem fehlenden Element in Mangangerzen, Mineralien und komplexen Rückständen chemischer Produktion. Es gab auch laute Behauptungen über die Entdeckung: Das Element wurde «Iلمenium», «Nipponium», «Lurium» genannt. Doch nichts davon wurde bestätigt. Heute wissen wir warum: Technetium ist radioaktiv, und seine längsten lebenden Isotope mit einer Halbwertszeit von etwa 4 Millionen Jahren sind seit der Entstehung der Erdkruste verschwunden.

Warum «Technetium»? Die künstliche Herkunft des Namens

Seinen Namen erhielt das Element vom griechischen Wort «τεχνητός» (technetos), was «künstlich» bedeutet. Der Name erwies sich als doppelt prophetisch: Technetium wurde der erste chemische Element, der künstlich hergestellt wurde, und nicht aus natürlichen Rohstoffen gewonnen.

Die Geschichte der Entdeckung: Das Molibdenplatine aus Berkeley

Im Jahr 1937 arbeitete der italienische Physiker Emilio Segrè in den USA, in der Laboratorium von Ernest Lawrence — Erfinder des Cyclotrons. Segrè bemerkte die seltsame Radioaktivität einer der abgearbeiteten Teile des Beschleunigers — einer Molibdenfolie, die als Ziel für Deutronen diente.

Der Wissenschaftler vermutete, dass durch Kernreaktionen in Molibden (Atomzahl 42) ein neuer Element mit der Nummer 43 entstanden war. Er nahm die Folie mit nach Palermo, wo er zusammen mit dem Mineralogiker Carlo Perrier eine Reihe von komplexen chemischen Operationen durchführte. Es gelang ihnen, den neuen radioaktiven Element in reinen, wenn auch mikroskopischen, Mengen zu isolieren.

Grundlegende Eigenschaft: Der leichteste ohne stabile Isotope

Technetium ist der leichteste Element der Periodischen Tabelle, das keine stabilen Isotope hat. Seine «dauerhaften» Formen: Tc-97 (Halbwertszeit 2,6 Millionen Jahre), Tc-98 (4,2 Millionen Jahre) und der am häufigsten verwendete Isotop — Tc-99 (Halbwertszeit 211 000 Jahre).

Aber es gibt auch natürlichen Technetium auf der Erde. In geringen, Spurenmenge (etwa 1 Nanogramm pro Tonne Uranerz) wird es im Prozess des spontanen Zerfalls von Uran-235 gebildet. In jedem Moment befinden sich in der Erdkruste etwa 18 000 Tonnen Technetium — aber dieser Metall «gelöst» in riesigen Mengen von Gesteinen.

Unerwartete Eigenschaften: Von Supraleitfähigkeit bis chemisches Kovalenz

Physikalische Eigenschaften. Technetium ist ein silberfarbener Übergangsmetal. Seine Kristallstruktur bei Standardbedingungen ist hexagonal, er ist formbar und plastisch. Überraschend aber wird Technetium bei niedrigen Temperaturen ein Supraleiter.

Chemische Vielseitigkeit. Für Technetium sind Oxidationsstufen von −1 bis +7 charakteristisch, die stabile Form ist die siebenvalente Form von Technetium (Tc⁷⁺). Dennoch vergleichen Chemiker ihn oft mit Rhenium. Diese Vielseitigkeit verursacht erhebliche Probleme bei der Verarbeitung von verbrauchtem Kernbrennstoff: unvorhersehbare Redoxreaktionen mit Beteiligung von Technetium erschweren die Trennung von Uran und Plutonium.

Hauptanwendung heute: Nuklearmedizin und Technetium-99m

Heute wird das größte Teil des Technetiums aus den Abfällen der Atomindustrie gewonnen — aus den verbrauchten Brennstäben der Kernreaktoren. Der Ausgang des Isotops Tc-99 bei der Spaltung von Uran-235 beträgt etwa 6%. Doch im Mittelpunkt des Interesses steht nicht der lange haltende Tc-99, sondern sein kurzhaltiger nuklearer Isomer — Tc-99m (m bedeutet metastabil, kernphysikalisch angeregtes Zustand) mit einer Halbwertszeit von nur 6 Stunden.

Dieser Isotop ist einer der Grundpfeiler der modernen Nuklearmedizin. Auf seiner Basis werden Radiopharmaka für die Diagnose bösartiger Tumoren, die Bewertung des Blutflusses im Herzen und die Untersuchung der Funktionen vieler innerer Organe hergestellt. Der Mechanismus ist so: Tc-99m gibt Gammastrahlen ab, die leicht durch spezielle Kameras erfasst werden. Der Isotop wird in den Körper eingeführt (oft in Verbindung mit Molekülen, die bestimmten Geweben zugeordnet sind) und gibt ein Signal ab, das es den Ärzten ermöglicht, Tumoren, Entzündungsherde oder Bereiche der Myokardischämie «zu sehen».

Der kurze Halbwertszeit des Radioisotops ermöglicht eine genaue Bildgebung und eine schnelle Beseitigung des Stoffes aus dem Körper, was den Strahlenbruch minimiert. Jährlich werden weltweit mehr als 20 Millionen diagnostische Verfahren mit der Anwendung von Technetium-99m durchgeführt. In Russland werden Generatoren von Technetium-99m von Unternehmen des wissenschaftlichen Divisions «Rosatom» hergestellt.

Gefahr und Ökologie: Der lange haltende Abfall

Der lange haltende Technetium-99 (T_1/2 = 211 000 Jahre) stellt eine erhebliche ökologische Bedrohung dar. In verbrauchtem Kernbrennstoff erreicht sein Gehalt Hunderte von Gramm pro Tonne. Dieser Isotop ist in der Umgebung aktiv und kann in biologischen Objekten anreichern. Daher ist die Verlegung von Tc-99 eine der Aufgaben bei der Schaffung von Lagern für radioaktive Abfälle. Sein Halbwertszeit und chemische Mobilität zwingen dazu, spezielle Matrizen für eine sichere Isolation zu suchen.

Zukunft des Elements: Katalysatoren, Supraleiter und neue Radiopharmaka

Heute bleibt Technetium ein Nischen-, aber extrem wichtiger Element in der diagnostischen Medizin. Sein Potenzial ist jedoch breiter. Technetium ist ein vielversprechender Material für die Herstellung von Katalysatoren (z.B. für die Dehydrierung organischer Verbindungen) und Komponenten von Hochtemperatur-Supraleitern. Chemiker entwickeln auch Methoden zur Abscheidung von Technetium aus flüssigen radioaktiven Abfällen mit Sorbentien und neue Verbindungen für gezielte Nuklearmedizin, einschließlich der Teranostik (Diagnostik und Therapie einer Molikul).

In der Zukunft ist es wahrscheinlich, dass neue Methoden zur Extraktion von Tc-99m aus den Rückständen der Reaktoren und Beschleuniger entwickelt werden, was die Diagnostik noch zugänglicher machen wird. Auch die Verwendung des Isotops Tc-99 in Kernbatterien für Geräte, die Jahrzehnte ohne Aufladung arbeiten, ist vielversprechend.

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