Sand

Sand ist ein Material, das in direktem Zusammenhang mit der Zeit steht. Man könnte ihn fast als materialisierte Zeit bezeichnen. Auf natürliche Weise entsteht Sand nur über sehr große Zeiträume. In Sanduhren wird er für die Messung von Zeit eingesetzt. Die größte Menge des vorhandenen Sandes ist Quarzsand. Dieser besteht, wie der Name schon verrät, aus Quarz, welches das Kernelement der allermeisten Uhren ist und für deren Taktung verantwortlich ist. Quarzuhren takten nicht nur unsere Armband- und Küchenuhren, sondern auch alle elektronischen Computer, Autos und Roboter. Ohne die Synchronisation der Computer durch Uhren wäre ein vernetztes Leben, wie wir es heute führen, unmöglich. Computer brauchen auch an anderer Stelle noch einen Inhaltsstoff des Sandes: das Silicium. Quarz ist reines Siliciumdioxid. Daraus wird durch Reduktion reines Silicium gewonnen, welches dann in Computerchips, als Substratmaterial und Halbleitern verbaut wird. Erst dadurch ist der Computer in der Lage schnelle Rechenvorgänge zu tätigen die dann wiederum von einer Quarzuhr getaktet werden.[1]

Formal definieren Geowissenschaftler Sand als partikuläres Gesteinsmaterial mit einer Korngröße zwischen 0,063 und 2 mm Durchmesser. Mit wenigen Ausnahmen sind Sande das Produkt mechanischer und chemischer Verwitterung von Gesteinen. Setzt sich ein Gestein aus verschiedenen Mineralen zusammen, beispielsweise ein Granit (besteht überwiegend aus Feldspat, Quarz und Glimmer), sind diese Minerale zumindest anfangs auch in seinem Zerfallsprodukt enthalten. Wird der Sand jedoch über weite Strecken transportiert oder unterliegt er einer intensiven chemischen Verwitterung, werden weichere bzw. chemisch weniger stabile Minerale, wie die Glimmer und die Feldspäte, nach und nach zerstört oder aufgelöst. Das Endprodukt ist dann meistens ein mehr oder minder reiner Quarzsand.[2]

Sand hat mehrere besondere Eigenschaften. Einige davon werden erst dann sichtbar, wenn man eine ausreichend große Menge an Sandkörnern hat. Ein einzelnes Sandkorn verrät nicht viel. Wenn Sand in Bewegung gerät hat er einen fließenden Charakter. Fließend hat er etwas Hypnotisches. Das liegt daran, dass die einzelnen Sandkörner sich so stark ähneln und es so viele sind, dass man sie nicht alle gleichzeitig erfassen kann und deshalb nur eine dynamische Bewegung eines Materials sieht, bei dem es so scheint, als gehörten alle Sandkörner zusammen. Eine andere wichtige Eigenschaft, die erst beim fließenden Sand sichtbar wird, ist, die Gleichmäßigkeit mit der sich der Sand bewegt. In einer Sanduhr rieselt der Sand bis auf die letzten Sekunden immer mit der gleichen Geschwindigkeit. Somit unterscheidet sich die Sanduhr von den Klepsydren, den Wasseruhren, die am Anfang, wenn sie noch voll sind, durch das hohe Gewicht des Wasser schneller laufen, und je leerer sie werden, desto langsamer laufen. An Wasseruhren kann also keine gleichmäßige Skala zur Messung gleichmäßig verlaufender Zeit angebracht werden und sie eignen sich eher zum bemessen von größeren Zeiträumen als von kleineren Zeitabschnitten. Die Oberflächenstruktur des Sandes ist verantwortlich für dieses Phänomen. Da Sandkörner nicht perfekt rund sind, verkeilen sie sich an ihren Unregelmäßigkeiten und bilden Kraftbrücken, die das Gewicht des obenliegenden Sandes auf die schräg zulaufenden Glaswände der Sanduhr ableiten. So kann der untenliegende Sand einfach durch das Loch rieseln. Macht dieser Platz, zerfallen die Kraftbrücken und es bilden sich Neue. Würde man ein Gewicht auf den Sand in einer Sanduhr stellen, so würde sie nicht schneller ablaufen. Ist sie also eine unbestechliche Uhr? Nicht ganz, denn es gibt einen Trick mit dem sich die Sanduhr doch beschleunigen lässt. Indem man die Sanduhr so schleudert, dass die Fliehkräfte den Sand in eines der Gefäße treiben, sorgt der schnellere Abtransport des Sandes an der Verengung dafür, dass Sand schneller nachkommen kann und die Uhr läuft schneller ab. Bei meiner Arbeit mit der beschleunigten Sanduhr stellte ich fest, dass der Sand ab einer gewissen Beschleunigung steckenbleibt, weil die Kraftbrücken nicht mehr brechen, sondern aufrecht erhalten bleiben, da sie durch das erhöhte Gewicht stabiler werden. Ein Versuch zur Stabilität der Kraftbrücken ist hier (Minute 01:16) zu sehen. Eine andere Möglichkeit eine Sanduhr ihrer Funktion zu berauben wäre es, sie an einen Ort zu bringen an dem Schwerelosigkeit herrscht. Dort ist die Uhr, wie es von Forschern der ESA experimentell bestätigt wurde, vollkommen nutzlos.

Sanduhr Experiment der ESA mit Sanduhr in der Schwerelosigkeit

Inwiefern die Schwerkraft Vorraussetzung für die Funktion vieler Uhren ist, beschreibt der Artikel Messen und Wahrmehmen von Zeit. Die Schwerkraft hat, wie wir seit Einsteins Relativitätstheorie wissen, einen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Quarzschwingung. Uhren (Quarz- und Atomuhren) in einem Gravitationsfeld laufen langsamer als außerhalb desselben.[3] Uhrenquarze werden übrigens meist künstlich und zwar in Schwerelosigkeit gezüchtet, da die Kristalle so eine reinere Form ausbilden, als in der Schwerkraft, wo das Kristallwachstum von dieser beeinflusst wird. Die Produktion des Quarzes, das möglichst genaue Schwingungen reproduziert muss also außerhalb seines zukünftigen Einsatzgebiets, der Schwerkraft, geschehen.

Das Aufnehmen von Videos von Sand wird erst durch den Sand möglich. Nicht nur für die Computerchips ist Sand bzw. Silicium ein wichtiger Grundstoff, sondern auch für das Glas der Linse wird Sand benötigt. Daraus wird hochreines Quarzglas hergestellt, welches eine gute optische Qualität ohne Verunreinigungen aufweist. Beim Filmen von Sand wird das Licht vom Sand reflektiert, fällt durch die Linse, wird dann vom Sensor absorbiert und von den Halbleitern aus Silicium