Hochtemperaturprozesse im Herzen Europas

Die Analysen deuten darauf hin, dass der Rohling der Himmelsscheibe vor etwa 4000 Jahren in einer Feuerstelle in Mitteleuropa bei über 1200 Grad Celsius gegossen wurde. Anschließend sei das Werkstück wiederholt auf circa 700 Grad Celsius erhitzt und umgeformt worden. „Ein Verfahren, das heutigen industriellen Prozessen erstaunlich ähnlich sei“, so Prof. Dr. Thorsten Halle vom Institut für Werkstoffe, Technologien und Mechanik der Universität Magdeburg.

Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreumessungen im Einsatz

Zur Analyse stand den Forschenden ein nur etwa fünf Kubikmillimeter großes Probenstück der Originalscheibe zur Verfügung. Dieses wurde im Labor mittels Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreumessungen (EBSD, Electron Backscatter Diffraction) untersucht. Die Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Delta Sigma durchgeführt, einer Ausgründung aus der Universität Magdeburg.

„Wir machten sogenannte Elektronenrückstreumessungen“, erläutert Prof. Halle. „Dabei gehen wir mit dem Elektronenstrahl über die Oberfläche des Metalls, rastern sie ab und daraus ergibt sich eine von der Werkstoffkonfiguration abhängige Rückstreuwirkung der Elektronen – also sowas wie ein Fingerabdruck der kleinsten Bestandteile des untersuchten Materials.“

Anhand der Orientierung, Größe und Deformation der kristallinen Körner konnten Rückschlüsse auf den thermomechanischen Behandlungsverlauf gezogen werden. Diese Körner – vergleichbar mit Eiskristallen auf einer Autoscheibe – geben Aufschluss darüber, wie oft und auf welche Weise das Metall erhitzt und bearbeitet wurde.

Rekristallisation als zentrales Prinzip

Im Fokus der Untersuchungen stand der Prozess der Rekristallisation: Wird ein Metall nach der Verformung erneut erwärmt, bilden sich im Inneren neue, ungeformte Kristallkörner. Innere Spannungen und Defekte verschwinden, das Material wird wieder weich und formbar. „Ein Prinzip, das auch heute noch in der Industrie genutzt wird, etwa bei der Herstellung von Aluminiumfolie oder Autoteilen“, so Halle.

Einblicke in die metallurgische Praxis der Bronzezeit

Die Ergebnisse waren eindeutig: „Die Scheibe wurde gegossen und danach mindestens zehn Mal gezielt erwärmt und ausgeschmiedet. Sie wurde also mehrfach geschmiedet und wieder warm gemacht, umgeformt, wieder warm gemacht und so weiter, bis der uns heute bekannte Zustand erreicht wurde", berichtet der Werkstoffforscher.

Für Halle gleicht die Forschung einem kriminaltechnischen Vorgang: „Wir betreiben hier gewissermaßen metallurgische Forensik und sehen in die Vergangenheit der Scheibe hinein, als wäre sie ein metallurgisches Tagebuch.“

Handwerkliche Präzision ohne Schrift und Messgeräte

Die technische Komplexität der Herstellung beeindruckt: „Das war reine Probierkunde: schlichtweg ausprobieren, was funktioniert, was funktioniert nicht“, sagt Halle. „Keine Ahnung, wie viele hunderte Male das schon schief gegangen war und die Scheibe gerissen ist oder sonst irgendetwas. Und unsere Vorfahren haben einfach immer weitergemacht.“ Der letzte Bearbeitungsschritt am Rand, wo die Scheibe besonders dünn ist, sei dann überwiegend kalt erfolgt.

Experimentelle Archäologie mit Repliken

Ein entscheidender Partner war Kupferschmied Herbert Bauer aus Halle, der Repliken der Scheibe mit Werkzeugen und Materialien herstellte, wie sie auch in der Bronzezeit verfügbar waren – darunter Steinhämmer und Holzkohleöfen. Diese Nachbildungen wurden anschließend im Labor unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht und mit dem Original verglichen. „Aus dem Vergleich der Mikrostruktur der Repliken und des Originals ließen sich Temperaturverläufe, Umformschritte und sogar Produktionsfehler ablesen“, erklärt Halle.

Breites Anwendungsfeld für die Werkstofftechnik

Für die Universität Magdeburg ist das Projekt ein Beispiel für die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten moderner Werkstofftechnik – ob bei Hochleistungslegierungen für die Raumfahrt, bei bioverträglichen Materialien für Implantate oder in der archäologischen Forschung. „Wir haben hier Analysegeräte, wie z. B. Rasterelektronenmikroskope, mit denen wir verborgene Prozesse aus der Vergangenheit wieder sichtbar machen können“, sagt Halle. „Das ist nicht nur spannend, sondern oft auch entscheidend, um künftige Probleme in Technik, Industrie oder Wissenschaft zu lösen.“

Mobile Werkstoffprüfung in der Archäologie

Das Forschungsteam arbeitet bereits an einer weiteren innovativen Anwendung: Mit einer am Institut entwickelten Wirbelstrom-App sollen Materialeigenschaften künftig zerstörungsfrei und mobil erfasst werden können – etwa bei archäologischen Grabungen. Halle: „Künftig könnten Archäologinnen und Archäologen bei Grabungen sofort mit dem Smartphone einen Hinweis erhalten, ob ein soeben freigelegtes Beil eher kalt oder warm umgeformt wurde, ohne es zu beschädigen.“

Originalpublikation:
Dieck, S., Michael, O., Wilke, M., Halle, T., Wunderlich, C.-H., Bunnefeld, J.-H., Bauer, H. R., & Meller, H. (2024). Archaeometallurgical investigation of the Nebra Sky Disc. Scientific Reports, 14, Article 28868. DOI:10.1038/s41598-024-28868-9

Quelle: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg