REFRAKTOMETRIE – Teil 1

Gleich soll es losgehen, mit dem Verstehen lernen eines Handrefraktometers. Zuerst muss das Ziel absteckt werden. Es geht hier lediglich um das Verständnis der Funktionsweise. Mit diesem Wissen kannst du noch lange kein Handrefraktometer mit der Präzision des 8-$-Gerätes nachbauen.

Vermutlich gibt es keine Person, die das Wissen und die Fertigkeit hat, um nur ein Kunststoffgehäuseteil des Refraktometers eigenständig zu produzieren. Diese Person müsste beispielsweise Erdgas fördern, zu Kunststoff polymerisieren, die nötigen Zusatzstoffe beimischen, damit der Kunststoff verarbeitbar ist und als Bauteil die gewünschten langlebigen Eigenschaften hat. Als nächstes bräuchte sie eine Gussform. Aus Eisenerz und Kohlenstoff müsste sie Stahl herstellen, um daraus eine Form zu fräsen. Ein Fräser müsste her … Eine schier endlose Kette an Produktionsmitteln und Produktionsschritten, die ein unvorstellbares Wissen und Können voraussetzt. Nur um ein kleines Kunststoffspritzgussteil mit wirtschaftlichem Wert von wenigen Rappen herzustellen.

Wie komplex ist erst das Wissen, um ein Smartphone herzustellen? Unsere Errungenschaften und unser Wissen sind kollektive Werte unzähliger Generationen, die ohne Sprache oder Bildung nicht vorhanden wären. Stell dir vor du landest auf einen erdgleichen Planeten ohne Menschheit. Du würdest vermutlich keinen Tag überleben.

In der Ubuntu-Philosophie der Bantuvölker im südlichen Afrika gibt es ein passendes Sprichwort: «Ich bin, weil wir sind». Darüber ist sich offensichtlich nicht jeder bewusst. Das wurde mir während der Corona-Pandemie erst klar.

Ich bin vom Thema abgedriftet. Es geht hier um das Verständnis des Handrfraktometers und um die Tiefe des Verstehens.

Frage: Kann überhaupt irgendetwas bis ins letzte Detail verstanden werden?

Ich fange jetzt einmal mit dem Verstehen an und gehe dabei vor wie der Welterklärer aus der Sendung mit der Maus, Armin Maiwald: «Wir fangen mit etwas Bekanntem an und gehen Stückchen für Stückchen weiter.»

Beim nächsten Mal stelle ich dir unser vollautomatisches Gerät vor und analysiere und thematisiere damit Zucker. Ich habe bereits Fanta aus mehr als zehn Ländern gesammelt und möchte dir unter anderem zeigen, wie eine Blindverkostung und eine Doppelblindstudie funktioniert.

Dieses Gerät funktioniert gänzlich anders und nutzt tatsächlich das Phänomen der Totalreflexion, um damit den Zucker-, Salz- oder Alkoholgehalt indirekt zu bestimmen.

Autor: Dr. Martin Novotny

Editor-in-Chief und Projektleiter: Dr. Alfred Steinbach

Herausgeber: Prof. Dr. Nicolas Robin
Berzelius-Editorial-Team in alphabetischer Reihenfolge:
Dr. Adrian Brugger, Dr. Martin Novotny, Markus Roth, Dr. Alfred Steinbach, Eva Steingruber, Dominik Tschirky
Kamera, Film und Schnitt: Dr. Martin Novotny,
Patrick Massen (Medienwerkstatt PHSG)

Berzelius – Im Hightech-Labor der Naturwissenschaften ist ein gemeinsames Projekt des  Instituts Mathematische, Naturwissenschaftliche und Technische Bildung der PHSG (vormals Institut Fachdidaktik Naturwissenschaften) und der Metrohm Stiftung.

Vermutlich hat fast jeder als Kind einen Obstkern in die Erde gesteckt aus dem ein Pflänzchen gewachsen ist. Mein Apfelbaum ist leider verkümmert, lange bevor er Früchte tragen konnte. Bis heute dachte ich, dass mein Baum genau so leckere Früchte tragen würde, wie diese süsse Frucht, deren Kern ich eingesetzt habe.

Mit biologischen Fragestellungen bin ich als Ingenieur kaum konfrontiert. Bis an dem Tag, an dem ich das Video im Kirschsortengarten gedreht habe, um den Einsatz des Handrefraktometers zu demonstrieren. Folgende SpezialistInnen des Landwirtschaftlichen Zentrums SG halfen mir weiter: Herr Richard Hollenstein für Obst, Herr Simon Strahm für Getreide und Frau Vivienne Oggier für Gemüse.

Der junge Bertrand Russell war fasziniert von der Klarheit und Eindeutigkeit der Geometrie – bis er auf das Parallelenaxiom stiess: die Tatsache, dass ein Punkt ausserhalb einer Geraden von nur einer Parallelen zu dieser Geraden durchlaufen werden kann.

Was nutzt ein Beweis, der auf so etwas Unbewiesenem aufbaut? Nun, sogar der griechische Mathematiker Euklid (3. Jahrhundert v. Chr.) musste irgendetwas als gegeben annehmen. Für Russell ein Moment grosser Enttäuschung, gleichzeitig aber auch Antrieb für den Rest seines Lebens.

Foto: "Bertrand Russell 1872 - 1970" by oneredsf1 is licensed under CC BY-NC-SA 2.0

Dass chinesische Händler billig nach Europa versenden können, ist auf ein Schlupfloch im Postrecht zurückzuführen. Seit 1874 gibt es den Weltpostverein, die United Postal Union (UPU), der China noch als Entwicklungsland führt und die Möglichkeit bietet die Waren zu Spottpreisen in die Welt zu verschicken.

Der Weltpostverein hat 2016 beschlossen, die Tarife für Kleinwarensendungen aus China von 2018 bis 2021 jährlich um 13 % zu erhöhen. Die Kostendeckung der Post hat sich dadurch etwas verbessert; die Portopreise sind aber immer noch vergleichsweise niedrig.

"Alle Dinge sind Gift, und nichts ist ohne Gift; allein die Dosis machts, dass ein Ding kein Gift sei." (Paracelsus)

Was Paracelsus (1493/94–1541), der Schweizer Arzt, Naturphilosoph und Alchemist, im bekannten Zitat anspricht, hat nichts von seiner Gültigkeit verloren. Heute hat die Dosis nur einige Lesarten mehr als zu Paracelsus' Zeiten: In Form mannigfaltiger Konzentrationsangaben ist sie in unserem Alltag allgegenwärtig, von der Qualität des Trinkwassers über die Zusammensetzung von Lebensmitteln und Kraftstoffen sowie Schadstoffen in Spielzeug und Kleidung bis hin zu den Wirk- und Trägerstoffen in Arzneimitteln. Die zulässigen Höchstkonzentrationen der Inhaltstoffe sind ebenso wie die einzusetzende Analysenmethode (Chromatographie, Spektroskopie, RFA oder Titration) weltweit in Normen festgelegt. Ziel der Grenzwerte ist es, Mensch und Umwelt zu schützen.

Die sogenannte Qualitätskontrolle im Labor zeigt an, ob die Grenzwerte über- oder unterschritten sind. Mit anderen Worten, ob das Produkt für den Gebrauch bzw. Verzehr zugelassen werden kann. Das passiert heutzutage mit der leistungsstarken, instrumentellen Analytik, also mit Hightech-Geräten wie wir sie im Berzelius-Projekt anbieten. Die Disziplin, die sich mit der qualitativen (was ist drin?) und quantitativen Analyse (wieviel ist drin?) beschäftigt, nennt sich Analytische Chemie. Hier spielen die beaknnten ISO- und DIN-Normen eine grosse Rolle. Weitere Normen zur Getränkeanalytik findest du im BLJ zur Ionenchromatographie . 

Wir werfen nun einen Blick in die Welt der Konzentrationsangaben. Nur so können Schadstoffgrenzwerte der Weltgesundheitsorganisation (World Health Organisation, WHO), unscheinbare Prozentangaben auf Etiketten oder Resultate der analytischen Chemie verstanden und eingeordnet werden. 

Wie funktioniert ein Fahrrad? Um diese Frage drehte sich die Studie der Psychologin Rebecca Lawson. Konkret bat sie 80 Versuchspersonen, einige vorgegebene Details in eine grobe Skizze eines Velos einzuzeichnen. Scheinbar ein Kinderspiel, so dachten die Teilnehmer. Weit gefehlt. Viele verbanden die Kette sowohl mit Vorder- als auch Hinterrad. Sollte wohl so eine Art Allradantrieb werden! 45 % der Teilnehmer konnten Kette und Pedale nicht positionieren. Bei vielen sassen die Pedale funktionslos irgendwo am Rahmen! «Ich ahnte nicht, wie wenig ich über diese Dinge wusste, bis ich sie zeichnen musste», kommentierte ein Proband seine Veloskizze. Du lachst? Dann nimm Papier und Bleistift zu Hand und erklärt anhand einer Skizze, wie eine Klospülung funktioniert.

Weitere einfache Fragen, welche die Psychologen Leonid Rozenblit und Frank Keil im Jahr 2002 in Rahmen einer Studie ihren Versuchsteilnehmern stellten, gingen um die Funktionsweise eines Reissverschlusses, Dosenöffners oder Tachometers. Auch hier waren die Beschreibungen ebenso dürftig wie bei der Fahrrad-Aufgabe. Die Forscher gaben dieser scheinbar instinktiven Selbstüberschätzung einen Namen: «Illusion der Erklärungstiefe». Illusion? Ja, weil die Probanden vorher angaben, all diese Dinge zu verstehen. 

Der griechische Philosoph Sokrates, wusste, dass er nichts wusste. Typisch Philosophen, diese schrägen Aussagen. Die Denkhaltung aber wohl eher eine Ausnahme. Denn auch die beiden US-amerikanischen Psychologen David Dunning und Justin Kruger schlossen in einer im Jahr 1999 veröffentlichten Publikation, dass Unwissenheit der Teilnehmer das Selbstvertrauen beflügele. Überrascht? Weitere Studien zur Selbsteinschätzung in Mathematik und Grammatik bestätigten, dass gerade die Teilnehmer, die ihre Kenntnisse als besonders gut eingeschätzt hatten, in den Prüfungen ein schlechtes Ergebnis erzielten. Umgekehrt erzielten diejenigen, die sich selbst unterschätzt hatten, deutlich bessere Ergebnisse. Das Überschätzen der eigenen Fähigkeit wurde fortan als Dunning-Kruger-Effekt bezeichnet.

Es scheint, dass das Erkennen der eigenen Dummheit bereits eine gewisse Intelligenz erfordert. Eine interessante Paradoxie, die auch der US-amerikanische Schriftsteller Jonathan Franzen in seinen Roman Unschuld aufgreift: Andreas Wolf, einer von Franzens Protagonisten, beschäftigt sich, kurz bevor er den Stiefvater seiner Geliebten ermordet, genau mit diesem Gedanken: «Dummheit missversteht sich als Intelligenz, während sich Intelligenz ihrer Dummheit bewusst ist.» 

Totale Anfänger überschätzen sich selten. Sie sind noch intelligent genug, um sich ihr Nichtwissen klarzumachen. Es sind gerade die Halbanfänger, die zur Überschätzung neigen. Heisst dies, dass es eine kritische Menge von Wissen gibt, die verdummt? Auch der englische Dichter Alexander Pope (1688–1744) erkannte die Gefahr des Halbwissens: «A little learning is a dangerous think». Unser Halbwissen zieht sich durch die Welt, von Klospülungen über Künstliche Intelligenz und Klimawandel bis hin zu den bei vielen Querdenkern beliebten Verschwörungserzählungen. Gerade während der Corona-Pandemie zeigte sich diese instinktive Selbstüberschätzung. Menschen, die Polymerase Chain Reaction (PCR) nicht einmal buchstabieren können und die Viren mit Antibiotika bekämpfen wollen, fühlen sich berufen, ihre Meinung zu den PCR-Tests und der Gefährlichkeit der Impfungen in die Welt zu posaunen.  

Helénes Interesse für die Wirtschaftswissenschaften war im Lauf der Jahre ziemlich erlahmt, Sämtliche Theorien, die wirtschaftliche Phänomene zu erklären und ihre Entwicklung vorherzusagen versuchten, kamen ihr immer unbegründeter und gewagter vor. Sie neigte inzwischen dazu, sie für reinen Schwindel zu halten. Sie fand es überraschend, dass es überhaupt einen Wirtschaftsnobelpreis gab, als könnten diese Fachrichtungen die gleiche methodologische Strenge und die geistige Gewissenhaftigkeit wie Chemie oder Physik für sich in Anspruch nehmen […] das geistige Niveau ihrer Studenten war erschreckend niedrig, man musste sich manchmal sogar fragen, was sie dazu veranlasst hatte, zu studieren. Die einzige Antwort darauf, dass wusste sie im Grunde, war ihr Wunsch, Geld zu verdienen, möglichst viel Geld zu verdienen; trotz einer kurz aufflammenden Begeisterung für humanitäre Belange war das das Einzige, was sie wirklich interessierte. Hélènes Berufsleben bestand im Grunde daraus, karrieregeilen Dummköpfen absurdes, widersprüchliches Zeug beizubringen, wenn sie es auch vermied, es sich in so deutlicher Form einzugestehen.