Archäologische Funde präzise datieren oder die Herkunft von Treibhausgasen ermitteln, all das ist mithilfe von Radiokohlenstoffanalysen möglich. Das Radiokohlenstofflabor des Instituts für Geologie und Mineralogie kann selbst kleinste Proben sehr genau datieren. In diesem Jahr feiert es sein fünfzehnjähriges Bestehen.
Von Mathias Martin
Wenn die Lebensuhr abläuft und ein Organismus stirbt, beginnt eine andere Uhr zu ticken: die Radiokohlenstoffuhr. Mithilfe dieser Methode, auch bekannt als Radiokarbonmethode oder 14C-Datierung, können Wissenschaftler*innen das Alter von Organismen und anderen kohlenstoffhaltigen Materialien bestimmen – bis etwa 50.000 Jahre. Dazu ermitteln sie die in den Proben verbliebene Menge des radioaktiven Kohlenstoffisotops 14C.
Seit seiner Gründung im Jahr 2010 hat sich das von Professorin Dr. Janet Rethemeyer aufgebaute 14C-Labor im Institut für Geologie und Mineralogie zu einer führenden Einrichtung auf dem Gebiet der Radiokohlenstoffdatierung entwickelt. Es setzt die Arbeit eines früheren Labors fort, das vom Institut für Ur- und Frühgeschichte betrieben wurde und über viele Jahrzehnte hinweg eine zentrale Anlaufstelle für archäologische Datierungen in Köln und Umgebung war.
»Mit dem 14C-Labor wollten wir eine Infrastruktur sowohl für interdisziplinäre Forschung als auch für die Ausbildung junger Wissenschaftler*innen schaffen«, sagt die Leiterin des Labors und Professorin für Radiokohlenstoffdatierung und Organische Geochemie. Das Team bestimmt jährlich das Alter einiger hundert Proben, unter anderem für nationale und internationale Universitäten, Forschungsinstitute, Landesämter für Denkmalpflege und Bodendenkmalforschung sowie Museen.
Präzise Antworten für die Archäologie Das Labor verwendet für die Datierung ein modernes und sehr leistungsfähiges Analyseverfahren: die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS). Dafür setzen die Wissenschaftler*innen einen 6 Megavolt Tandetron-Beschleuniger ein, der sich im Institut für Kernphysik befindet. »Diese hochsensible Technik ermöglicht es uns, selbst kleinste Kohlenstoffmengen im Milli- bis Mikrogrammbereich mit höchster Genauigkeit zu datieren«, sagt Rethemeyer. Im Kölner 14C-Labor werden unterschiedliche kohlenstoffhaltige Probearten untersucht, zum Beispiel Holz, Holzkohle, Samen, Knochen, Zähne, Muschelschalen, Textilien oder Leder. »Unser Labor spielt eine zentrale Rolle in der archäologischen Forschung. Die Radiokohlenstoffdatierungen ermöglichen die genaue zeitliche Einordnung archäologischer Funde und Fundschichten «, so Rethemeyer. Besonders im Rheinland sind die Analysen des Labors sehr nachgefragt – unter anderem bei der Datierung römischer Artefakte wie zum Beispiel aus dem Neusser Koenenlager. »Bislang glaubte die Wissenschaft, dass das Leben in diesem Legionslager mit den Einfällen der Franken 275 n. Chr. ein Ende gefunden habe. Die 14C-Datierungen des Teams von Professorin Rethemeyer weisen jedoch auf eine längere römische Aktivität in und um die Stadt Neuss hin«, sagt Hermann Loosen von der Abteilung für Bodendenkmalpflege der Stadt Neuss.
Klimamodelle verbessern, Medizinrätsel lösen
Ein herausragendes Beispiel für die Innovationskraft des Labors ist die Arbeit des Geowissenschaftlers Dr. Jan Melchert, der maßgeblich zur Entwicklung neuer Methoden zur Radiokohlenstoffanalyse von Treibhausgasen beigetragen hat. Diese Methodik eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Kohlenstoffkreisläufen und Klimaveränderungen. »Wir wenden diese Methode an, um die Herkunft von Kohlendioxid und Methan aus tauenden Permafrostböden in der Arktis zu bestimmen«, erklärt Melchert. »Eine Unterscheidung zwischen fossilen und modernen Ursprüngen dieser Treibhausgase hilft uns, aktuelle Klimamodelle zu verbessern.«
Gelegentlich bearbeitet das Team des 14C-Labors auch ungewöhnliche Fragestellungen. So konnten sie beispielsweise helfen, den Zeitpunkt einer Operation zu bestimmen, bei der versehentlich ein Tupfer im Körperinneren eines Patienten verblieben war. Dabei nutzten sie die erhöhten ¹⁴C-Werte in der Atmosphäre, die durch die oberirdischen Atombombentests der 1950er- und 1960er-Jahre verursacht wurden. »Wir konnten anhand dieser markanten Anreicherung – dem sogenannten ›bomb spike‹ – rekonstruieren, dass der Tupfer erst danach im Körper vergessen wurde«, sagt Rethemeyer. Ein Rechtsstreit konnte so gelöst werden.
Auf die Reinheit kommt es an Das 14C-Labor arbeitet die sehr unterschiedlichen Probenarten aufwändig auf, bevor anschließend ihr Kohlenstoffgehalt im Beschleuniger-Massenspektrometer bestimmt werden kann. Im Labor müssen die Proben zunächst mit einer Vielzahl physikalischer und chemischer Methoden »gereinigt« werden, um den Kohlenstoff zu isolieren, der das wirkliche Alter der Proben widerspiegelt. Die Proben dürfen keinen fremden Kohlenstoff enthalten wie zum Beispiel Konservierungsmittel, die das Alter verfälschen könnten. Die Leistungen des ¹⁴C-Labors sind aus der Forschungslandschaft nicht mehr wegzudenken. Seine interdisziplinäre Ausrichtung macht es zu einer wichtigen wissenschaftlichen Einrichtung von regionaler und internationaler Bedeutung.
Wie tickt die Radiokohlenstoffuhr?
Das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C entsteht durch die Reaktion von kosmischer Strahlung mit Stickstoffatomen in der Atmosphäre. Das gebildete 14C reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, welches anschließend durch Photosynthese von Pflanzen aufgenommen wird. Über die Nahrungskette gelangt es in Menschen, Tiere und andere Organismen. Es ist auch im Wasser und Sedimenten von Flüssen, Seen, Ozeanen sowie in Böden und Sedimenten vorhanden und unterliegt einem ständigen Austausch im Rahmen des globalen Kohlenstoffkreislaufs.
Solange Organismen leben, bleibt die Menge an 14C in ihnen konstant, da sie kontinuierlich 14C über die Nahrung aufnehmen. Erst wenn Organismen sterben beziehungsweise kein Austausch von Kohlenstoff mit der Umgebung mehr stattfindet, beginnt die Radiokohlenstoffuhr zu laufen. Das vorhandene radioaktive 14C zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren. Anhand dieser Halbwertszeit und der verbliebenen Menge 14C im Vergleich zum stabilen Kohlenstoffisotop 12C in einer Probe kann ihr Alter bestimmt werden. Nach etwa 50.000 Jahren, das entspricht neun Halbwertszeiten, ist die Menge an radioaktivem Kohlenstoff allerdings zu gering, um sie präzise messen zu können, die Grenze des Verfahrens ist erreicht.
Die 14C-Analyse ist technisch anspruchsvoll, da der Anteil von 14C im Vergleich zum häufigeren 12C extrem gering ist: In der Atmosphäre liegt das Verhältnis bei etwa 1 zu 1 Billion, und in alten oder sehr kleinen Proben ist der 14C-Gehalt noch deutlich geringer. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Proben so aufzubereiten, dass kein probenfremder Kohlenstoff mehr vorhanden ist.