Wolframdraht und Ziehstein

Wolframdraht hat eine abenteuerliche Geschichte hinter sich: Als Element zufällig entdeckt, weil es Zinn zerfraß – global gefragt, um die Welt zu erleuchten – neu entdeckt, um die digitale Medizin voranzu bringen. Was die wechselhafte Historie zeigt: Das Element hat viele Alleinstellungsmerkmale zu bieten, womit auch die Zukunft gesichert ist.

Gefräßig wie ein Wolf – die mysteriöse Vorgeschichte

Wolfram war zunächst einmal ein großes Ärgernis. Chronisten des Bergbaus berichten Mitte des 16. Jahr hunderts erstmals von einem Mineral, das in den Minen Probleme bereitet. Zinnerz, das von diesem Element durchzogen ist, wird bei der Verhüttung zu einer Schlacke, aus der sich das Zinn nicht heraustrennen lässt: Also „frisst“ diese Substanz das Zinnerz, so wie ein Wolf eine Schafherde zerreißt. Der sächsische Gelehrte Georgius Agricola, Begründer der modernen Mineralogie, beschreibt das mysteriöse Mineral daher als „lupi spuma“ – „Wolfsspucke“. Mitte des 18. Jahrhunderts macht sich in Schweden der Mineraloge Axel Frederic Cronstedt mit seinem Lötrohr auf die Suche nach noch unentdeckten Gesteinen. In einem Stollen findet er einen von einer unbekannten Substanz durchzogenen Stein. Ihm fällt auf, dass er schwerer ist als gleich große Steine ohne dieses Element, also nennt er es „Tungsten“ – „schwerer Stein“. Aus Freiberg in Sachsen, wo seit 1765 eine Bergakademie beheimatet ist, lässt er sich Steine mit ähnlichen Eigenschaften schicken. Es sind Minerale der Art, wie Georgius Agricola sie zuvor entdeckt hat. Ab 1780 übernimmt der deutsch-schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele die Erforschung dieser Substanz. Es gelingt ihm, aus dem schweren Stein eine Säure zu lösen: tungsten-syra. Zwei spanische Chemiker setzen das Experiment fort und gewinnen aus der Säure durch Reduktion mit Kohlenstoff kleine, metallische Kugeln. Sie nennen das isolierte Element Wolfram, in Anlehnung an den Namen, den der Entdecker Georgius Agricola der Substanz gegeben hat. Bald beginnt ein Wirrwarr um die Bezeichnung des neuen Elements: In Deutschland versucht man zunächst, Carl Wilhelm Scheele zu verewigen, doch setzt sich die Bezeichnung „Scheelium“ nicht durch; im Englischen und Französischen bleibt man beim Begriff Tungsten. Aus gerechnet die Schweden, aus deren Sprache das Wort stammt, übernehmen wie die Spanier und letztlich auch die Deutschen den Namen Wolfram. Es gibt im Laufe der Zeit immer wieder Versuche, eine weltweit einheitliche Bezeichnung zu finden. Einige Jahre lang sollte Wolfram der global gültige Name des Elements sein, im Periodensystem trägt es das Symbol W, aktuell ist wieder Tungsten die offizielle Bezeichnung. Verwendet werden weiterhin beide Namen.

Ein Licht geht auf – das Wettrennen um das beste Glühdraht-Element

Dass bestimmte Drähte zu glühen beginnen, wenn man elektrischen Strom durch sie jagt, ist bereits Anfang des 19. Jahrhunderts ein bekanntes Phänomen. Die große Frage, die Forscher weltweit das ganze Jahrhundert über beschäftigen wird: Wie muss ein solcher Glühdraht und wie muss seine Umgebung beschaffen sein, damit die elektrische Lampe möglichst lange brennt, ohne dass der Draht reißt oder schmilzt? Gemeinhin gilt Thomas Alva Edison als Erfinder der Glühbirne, doch entwickelt der englische Physiker Joseph Wilson Swan bereits zwei Jahre früher ein erstes brauchbares Modell, das er mit einem Kohleglühfaden mit großem elektrischem Widerstand ausstattet. Edisons Verdienst ist es, die Technik und die industrielle Skalierbarkeit zu verbessern; dem Amerikaner ist klar, dass es sich um ein potenzielles Massenprodukt handelt, und so beginnt ab den 1880er-Jahren mit dem Einzug der Edison-Glühlampe die Elektrifizierung der Welt. Eine Lampenindustrie entsteht, die viel Geld in Optimierungen investiert. Was dabei gleich klar wird: Kohlefäden sind nicht der Weisheit letzter Schluss – aber es gibt Alternativen. Allen voran Osmium und Wolfram, zwei Metalle, die sehr hohe Schmelzpunkte besitzen, was verhindert, dass die Glühdrähte bei Temperaturen von bis zu 3.000 Grad Celsius wegschmelzen. Auftritt Carl Auer von Welsbach. Der Unternehmer aus Wien ist nicht nur der Entdecker von vier chemischen Elementen, sondern auch ein Mann für zündende Ideen. Er erfindet den Glühstrumpf im Gaslicht (auch „Auerlicht“ genannt) sowie den Zündstein im Feuerzeug („Auermetall“). 1898 entwickelt er die erste Metallfadenlampe, zum Einsatz kommt Osmium. Auer pulverisiert es, formt es dann zu einem Faden, den er verkohlt und zu einer Glühwendel wickelt. Das Leuchtergebnis kann sich sehen lassen, das Licht ist hell und weiß, vor allem aber hält die Lampe länger. Die Nachfrage nach elektrischen Glühlampen steigt in enormem Tempo, neben Auers Unternehmen bestimmen Elektrokonzerne wie Siemens, Philips oder General Electric den Markt. Allen ist klar: Die Glühlampe wird einen einzigartigen Siegeszug hinlegen. Das Problem an der Sache: Osmium ist selten, daher teuer. Es beginnt ein Wettstreit auf zwei Ebenen. Erstens: Wer sichert sich die limitierten Osmium-Vorkommen? Zweitens: Wer findet eine Alternative zum seltenen und noch dazu extrem spröden Osmium? Bald wird klar, dass Wolfram der bessere Kandidat ist; es findet sich häufiger und lässt sich zudem etwas leichter verarbeiten. „Der Schmelzpunkt von Wolfram liegt bei unerreicht hohen 3.422 Grad Celsius“, sagt Uwe Schleinkofer, Director of R&D bei CERATIZIT, einem Unternehmensbereich der Plansee Group. „Zwar ist auch Wolfram spröde, aber: Es bleibt unter bestimmten Bedingungen ein verformbarer Werkstoff. Was auch heißt: Man kann es industriell verarbeiten – was eine Grundvoraussetzung für technische Innovation ist.“ Wie viele andere Forscher zu dieser Zeit denkt nun auch Carl Auer von Welsbach um. Er ummantelt den Kohlefaden mit Wolframpulver, nennt die optimierte Glühlampe Osram, ein Kofferwort aus Osmium (dem Impulsgeber seiner Idee) und Wolfram (dem optimalen Element). Ab 1919 trägt auch das von Auer gegründete Unternehmen diesen Namen, und bis heute erinnert die Marke Osram an die kurze Zeit, als sich Osmium und Wolfram ein Wett rennen um das beste Material für die Glühwendel liefern.

Der Alchemist vom Plansee – Paul Schwarzkopf und seine Patente

Paul Schwarzkopf, geboren in Prag, Studium in Berlin, ist in der italienischen Glühlampenfabrik Lampada Zeta tätig, als er eine Methode entwickelt, Wolframdraht industriell herzustellen. Er nutzt die Technik der Pulvermetallurgie: Aus Wolframerz wird Woframoxid, das zu Pulver gemacht wird. Erhitzt man dieses Pulver auf bis zu 3.000 Grad, verfestigt es sich zu einem Werkstück mit enormer Dichte, Härte und Festigkeit, das dennoch verformbar bleibt. Die Pulvermetallurgie macht Wolfram handhabbar und industriell skalierbar. „Paul Schwarzkopf hat den Wolframdraht zwar nicht erfunden, er war aber ohne Zweifel der Pionier der industriellen Herstellung“, sagt Alexander Tautermann, Director of Marketing and Sales bei Plansee HLW, ebenfalls Teil der Plansee Group. Die Alchemisten des Mittelalters haben versucht, aus unedlen Metallen Gold zu gewinnen – Paul Schwarz kopf, der Alchemist des elektrischen Zeitalters, lässt aus „Wolfsspucke“ einen Draht entstehen, der die Welt erleuchtet. Zurück in Berlin erahnt Schwarzkopf Anfang der Zwanzigerjahre die enorme weltweite Nachfrage nach Glühdrähten. Er erkennt aber auch den hohen Energiebedarf bei der Herstellung und entscheidet, die industrielle Produktion von Wolframdrähten dort anzusiedeln, wo Energie günstiger ist als in Berlin. In der Zeitung liest er über ein neues Wasserkraftwerk am Plansee in Österreich; kurzerhand gründet er 1921 in Reutte die Metallwerk Plansee GmbH, Ahnin der heutigen Plansee Group.

Die Welt, in der wir leben, gäbe es ohne Hartmetall nicht. - Uwe Schleinkofer

Nur Wolfram bezwingt Wolfram – die Erfindung des Ziehsteins

Die Herstellung des Wolframdrahts bleibt eine technische Herausforderung. Wolfram ist wegen seiner Härte sehr abrasiv; es schleift und verschleißt andere Materialien und ist selbst nur schwer zu bearbeiten und zu verformen. Schwarzkopfs Gedanke: Nur Wolfram selbst kann es mit Wolfram aufnehmen. Er entwickelt den Ziehstein, der wie der Draht aus Wolfram hergestellt wird, das in diesem Fall zu Wolframkarbid verarbeitet wird. Noch heute werden Ziehsteine von CERATIZIT hergestellt. „Man fädelt einen Draht mit zu großem Durchmesser in das kleinere Loch des Ziehsteins und zieht den Draht mit enorm viel Kraft hindurch, sodass er am Ende dünner wieder herauskommt“, erklärt Uwe Schleinkofer das Prinzip der plastischen Verformung. Paul Schwarzkopf meldet neben dem industriell herstellbaren Wolframdraht auch den Ziehstein zum Patent an. „Mit diesen beiden Innovationen hat er den gesamten Produktionsprozess erneuert“, sagt Alexander Tautermann. Ziehsteine sind bis heute in Betrieb und bilden ein Beispiel für Hartmetallwerkzeuge – die Expertise von CERATIZIT. Für diese werden spröde Hartstoffe wie Wolframkarbid mit zähem Metall zusammengekittet. Das Resultat: ein Verbundwerkstoff, der beide Eigenschaften vereint, Härte und Zähigkeit. Man könne den Einfluss von Hartmetallen auf die Technikwelt kaum überschätzen, sagt Uwe Schleinkofer. „Die Welt, in der wir leben, gäbe es ohne Hartmetall nicht. Wir wären überhaupt nicht in der Lage, Metall so effizient zu bearbeiten, um Autos, Schiffe oder Tunnel zu bauen.“

Plötzlich überflüssig – mit der Glühlampe droht auch der Wolframdraht zu verschwinden

Über Jahrzehnte ist der weltweite Hunger nach Wolfram draht kaum zu stillen. Längst produzieren die großen Leuchtmittelhersteller ihre Glühwendeln selbst. „Sie sind das Herzstück einer jeden Lampe. Ist der Wolframdraht gut, taugt die Glühbirne, wenn nicht, dann nicht. Des halb nehmen die Anbieter die Produktion selbst in die Hand“, sagt Uwe Schleinkofer. Plansee HLW als Spezialist steigt daher in den Sechzigerjahren aus der Produktion von Wolframdraht für Glühbirnen aus, einfach weil die Leuchtmittelindustrie keinen Zulieferer für Wolframdraht mehr benötigt. Über Jahrzehnte ist die Glühlampe ein auf der ganzen Welt erfolgreiches Massenprodukt, Lichtquelle in Abermillionen Haushalten. Ab der Jahrtausendwende steht sie plötzlich in der Kritik – und schließlich vor dem Aus. Der Grund ist ihre miserable Energiebilanz: Nur fünf Prozent des eingesetzten Stroms werden in Lichtenergie umgesetzt, der Rest verpufft ungenutzt als Wärme. Der Einsatz von neuen LED-Lampen spart bis zu 90 Prozent Energie, und das ist in Zeiten der Klimakrise ein stichhaltiges Argument. Als erstes Land läutet Australien 2007 das Ende der Glühlampe ein, kurz darauf folgt eine EU-Richtlinie, die besagt, dass die herkömmliche Glühbirne auch in Europa ab 2009 schrittweise aus dem Handel genommen wird. Unmittelbar erscheinen in Zeitungen und Magazinen sentimentale Nachrufe auf die Lampe mit dem Wolframdraht. Die „Süddeutsche Zeitung“ glaubt: „Die Welt wird kühler“; der „Spiegel“ verabschiedet die Glühbirne mit den Worten: „Drahtig, heiß, ein Superstar“. Die „Kronen Zeitung“ hält es kurz: „Ausgebrannt!“ Der Deutschlandfunk berichtet von Hamsterkäufen von Glühbirnenliebhabern, die sich hunderte Birnen sichern, bevor es keine mehr gibt. Wie das Leuchtmittel selbst ist ab 2009 auch Wolfram draht ein „Produkt, das nicht mehr benötigt wird“, wie Michael Mark, Abteilungsleiter R&D bei Plansee HLW, es formuliert. Über Dekaden extrem gefragt, ist Wolfram draht nun eine Ware mit gigantischer Überkapazität. Doch genau in diesem Überangebot liegt die Chance. In den Unternehmen machen sich Spezialisten auf die Suche nach alternativen Einsatzgebieten. „Dabei wurde sehr pragmatisch gedacht“, sagt Alexander Tautermann, „nach dem Motto: Wir haben hier diesen überflüssigen Feindraht – wo könnte er mit seinen viel fältigen Eigenschaften sonst noch helfen?“

Auferstanden aus Ruinen – das Comeback des Wolframdrahts

Die Überkapazität wird also zum Treiber für Innovationen. Ein neues Einsatzgebiet findet der Wolframdraht in der modernen digitalen Medizin. Gebraucht werden hier Drähte, die bei minimalem Durchmesser absolut rissfest sind, die sich biegen lassen, ohne ihre Form zu verlieren, und die für den menschlichen Organismus gut verträglich sind. Bei allen Punkten überzeugt ultra feiner Wolframdraht mit einem minimalen Durchmesser von bis zu 0,01 Millimeter. „In medizinischen Robotern dienen gebündelte Wolframdrähte zur Steuerung bei präzisen und minimalinvasiven Eingriffen“, nennt Michael Mark ein Beispiel. Auch als Führungsdrähte bei Katheteroperationen werden Wolframdrähte verwendet. Als Spitze von chirurgischen Drahtinstrumenten nutzt man sie, um innere Gefäße mithilfe von Stromstößen oder hohen Temperaturen abzuschneiden oder zu veröden. Was Wolfram zudem auszeichnet, ist seine enorme Steifheit; in der Werkstofftechnik spricht man von einem hohen Elastizitätsmodul. Dieser Wert beschreibt, wie stark sich ein Material bei mechanischer Zugspannung elastisch verformt. Gummi hat ein sehr kleines Elastizitätsmodul, Stahl ein hohes, und Wolfram hat unter den Metallen das höchste, fünfmal höher als Gold. „Das ermöglicht die in der modernen Medizintechnik geforderte mechanische Präzision“, sagt Uwe Schleinkofer. „Vereinfacht gesagt: Ein Wolframdraht leiert nicht aus.“ Seine Eigenschaften spielt feiner Wolframdraht auch in den Frontscheiben von Autos aus. Zu sehen ist er dort natürlich nicht, sonst würde er ja den Blick versperren. Das Glas ist von dünnsten Drähten durchzogen, die als Heizdrähte verhindern, dass die Scheibe beschlägt oder zufriert. Auch in der Schifffahrt werden die feinen Drähte als Schutz gegen Frost genutzt. Weil Wolframdraht damit wieder eher ein Spezial- als ein Massenprodukt ist, ändert sich erneut der Markt. Die großen Leuchtmittelhersteller setzen auf LED-Lampen und haben die Produktion von Glühwendeln eingestellt. Diese Produktion wandert zurück in die Spezialunternehmen, Plansee HLW ist eines von ihnen – und hat gegen über der Konkurrenz einen großen Vorteil: Es hat immer genug Wolfram auf Lager. Das mit Abstand größte Vorkommen von Wolfram gibt es heute in China, drei Viertel der weltweiten Nachfrage werden von dort bedient. „Plansee HLW ist der einzige Hersteller von Wolframdrähten, der von China unabhängig ist“, sagt Uwe Schleinkofer. Wie das gelingt? „Knapp 90 Prozent des Wolframs, das wir einsetzen, gewinnen wir aus Recycling. Das ist kein einfacher Prozess, aber wir haben ihn selbst im Griff.“ Obwohl der Wolframdraht bei seiner abenteuerlichen und wechselhaften Geschichte eines Tages ausgedient haben wird? „Unwahrscheinlich!“ – Da sind sich alle drei Experten einig, dafür ist das Material einfach zu vielfältig einzigartig.