title: Enigma (Maschine)

text: Ein seit Jahrhunderten bekanntes und bewährtes Entzifferungsverfahren ist die „Methode des wahrscheinlichen Wortes“. Hierbei errät, vermutet oder weiß der Angreifer, dass im Text eine bestimmte Phrase (, ) auftritt, beispielsweise „OBERKOMMANDODERWEHRMACHT“. Liegt dem Angreifer zum Beispiel ein mit der Enigma verschlüsseltes Geheimtextfragment wie das folgende vor, so kann er ganz leicht ermitteln, an welcher Stelle im Text das vermutete wahrscheinliche Wort sich "nicht" befinden kann, indem er für jede mögliche Lage prüft, ob ein Zeichen in sich selbst verschlüsselt würde, was, wie er von der Enigma weiß, unmöglich ist. Dazu schreibt er das wahrscheinliche Wort in den verschiedenen Lagen unter den Geheimtext und prüft auf Kollisionen (), die im unteren Beispiel rot und unterstrichen hervorgehoben sind:


title: Enigma (Maschine)

text: Die Anzahl der durch Kollisionen auszuschließenden Lagen lässt sich nach folgender Überlegung abschätzen: Bei einem wahrscheinlichen Wort der Länge 1 (also nur ein einzelner wahrscheinlicher Buchstabe) ist die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision 1/26. Folglich ist die Wahrscheinlichkeit für "keine" Kollision 1−1/26. Bei einem wahrscheinlichen Wort wie oben mit der Länge 24 ist dann die Wahrscheinlichkeit für keine Kollision (1−1/26), das sind etwa 39 %. Das heißt, bei 27 untersuchten Lagen erwartet man im Mittel für 27·(1−1/26) der Fälle keine Kollisionen. Der Ausdruck ergibt etwa den Wert 10,5 und stimmt recht gut mit den im Beispiel beobachteten (und grün gekennzeichneten) acht kollisionsfreien Crib-Lagen überein.


title: Enigma (Maschine)

text: Mithilfe dieser äußerst simplen kryptanalytischen Angriffsmethode lassen sich so von den 27 möglichen Lagen des wahrscheinlichen Worts hier 19, also mehr als zwei Drittel, als unmöglich eliminieren – eine erhebliche Arbeitsvereinfachung für den Angreifer.


title: Enigma (Maschine)

text: Die Betreiber der Schlüsselmaschine Enigma waren der Meinung, dass die durch sie maschinell verschlüsselten Texte im Gegensatz zu fast allem, was bis 1918 gebräuchlich war, mit manuellen Methoden nicht zu knacken sind. Übersehen wurde, dass einer maschinellen Verschlüsselung durch maschinelle Entzifferung begegnet werden kann.


title: Enigma (Maschine)

text: Die Geschichte der Entzifferung der Enigma beginnt im Jahr 1932, als der für Frankreich unter dem Decknamen HE ("Asché") spionierende Deutsche Hans-Thilo Schmidt geheime Schlüsseltafeln für die Monate September und Oktober 1932 sowie die Gebrauchsanleitung (H.Dv.g.13) und die Schlüsselanleitung (H.Dv.g.14) an den französischen Geheimdienstmitarbeiter "Capitaine" (deutsch: Hauptmann) und späteren "Général" Gustave Bertrand gegen Geld verriet. Zu dieser Zeit waren erst drei Walzen (I bis III) im Einsatz und die Walzenlage wurde nur vierteljährlich und noch nicht, wie dann ab Oktober 1936, täglich gewechselt. Das "Deuxième Bureau" des französischen Geheimdienstes leitete die Unterlagen an britische und polnische Stellen weiter.


title: Enigma (Maschine)

text: Während es Franzosen und Briten nicht gelang, in die Verschlüsselung einzubrechen und sie die Enigma als „unknackbar“ einstuften, glückte dem 27‑jährigen polnischen Mathematiker Marian Rejewski bei seiner Arbeit in dem für Deutschland zuständigen Referat BS4 des "Biuro Szyfrów" (deutsch: „Chiffrenbüro“) bereits im Jahr 1932 der erste Einbruch in die Enigma. Dabei nutzte er eine legal gekaufte kommerzielle Maschine (vermutlich Modell C), bei der – anders als bei der ihm noch unbekannten militärischen Enigma I – die Tastatur mit der Eintrittswalze in der üblichen QWERTZ-Reihenfolge (Buchstabenreihenfolge einer deutschen Tastatur, beginnend oben links) verbunden war. Rejewski erriet die von den Deutschen für die militärische Variante gewählte Verdrahtungsreihenfolge, die den britischen "Codebreaker" Dillwyn „Dilly“ Knox selbst noch 1939 fast zur Verzweiflung brachte. Anschließend schaffte es Marian Rejewski mithilfe seiner exzellenten Kenntnisse der Permutationstheorie (siehe auch: Enigma-Gleichung), die Verdrahtung der drei Walzen (I bis III) sowie der Umkehrwalze (A) (siehe auch: Enigma-Walzen) zu erschließen – eine kryptanalytische Meisterleistung, die ihn mit den Worten des amerikanischen Historikers David Kahn „in das Pantheon der größten Kryptoanalytiker aller Zeiten erhebt“ (im Original: „[…] elevates him to the pantheon of the greatest cryptanalysts of all time“). Der englische Codeknacker Irving J. Good bezeichnete Rejewskis Leistung als „The theorem that won World War II“ (deutsch: „Das Theorem, das den Zweiten Weltkrieg gewann“).


title: Enigma (Maschine)

text: Die nächste Aufgabe, die gelöst werden musste, war, jeweils die richtige Walzenlage und Walzenstellung zu erschließen. Dazu nutzte Rejewski zusammen mit seinen 1932 hinzugekommenen Kollegen Jerzy Różycki und Henryk Zygalski einen schwerwiegenden verfahrenstechnischen Fehler aus, der den Deutschen unterlief: Um eine sichere Übertragung zu gewährleisten, wurde zu dieser Zeit der Spruchschlüssel noch zweimal hintereinandergestellt und verschlüsselt an den Anfang einer Nachricht geschrieben („Spruchschlüsselverdopplung“). Somit war der erste und vierte, der zweite und fünfte sowie der dritte und sechste Geheimtextbuchstabe jeweils demselben Klartextbuchstaben zuzuordnen. Mithilfe zweier, durch ihren Kollegen Antoni Palluth von der Firma AVA speziell zu diesem Zweck gebauter Maschinen, genannt Zyklometer und "Bomba", die zwei beziehungsweise dreimal zwei hintereinandergeschaltete und um jeweils drei Drehpositionen versetzte Enigma-Maschinen verkörperten, konnten die polnischen Kryptoanalytiker für jede der sechs möglichen Walzenlagen feststellen, bei welchen Walzenstellungen die beobachtete Zuordnung der Buchstabenpaare möglich war, und so den Suchraum erheblich einengen. Nach Analyse mehrerer Funksprüche war der korrekte Spruchschlüssel gefunden.


title: Enigma (Maschine)

text: Nachdem die Deutschen, die von alledem nichts wussten, am 15. September 1938 ihre Verfahrenstechnik änderten und drei Monate später mit Einführung der Walzen IV und V die Anzahl der möglichen Walzenlagen von sechs (= 3·2·1) auf sechzig (= 5·4·3) erhöhten, konnten die Polen nicht mehr mithalten und die Enigma war wieder sicher. Angesichts der drohenden Gefahr übergaben sie kurz vor dem deutschen Überfall auf Polen ihr gesamtes Wissen an ihre Verbündeten. Am 26. und 27. Juli 1939 kam es zum legendären Geheimtreffen französischer, britischer und polnischer Codeknacker im Kabaty-Wald von Pyry, knapp 20 km südlich von Warschau, bei dem sie den verblüfften Briten und Franzosen ihre Enigma-Nachbauten und ihre kryptanalytischen Maschinen präsentierten und ihre Methodiken offenbarten. Die erste Frage, die Dilly Knox bei diesem Treffen (laut Mavis Batey auf Französisch) gestellt hat, war: „Quel est le QWERTZU?“ (deutsch: „Was ist der QWERTZU?“; also sinngemäß: „Wie lautet die Verdrahtungsreihenfolge der Eintrittswalze?“). Dies hatte ihn schon lange gequält. Rejewskis Antwort war genial einfach: „ABCDEFG…“. Ein Gedanke, der Knox so abstrus erschien, dass er es nicht fassen konnte. Marian Rejewski hingegen kannte die „Tugend der Deutschen: den Ordnungssinn“, und dies hatte ihn bereits sieben Jahre zuvor die von den deutschen Kryptographen gewählte, denkbar simpelste aller Permutationen erkennen lassen – den Trivialfall der Identität. Daraus resultierte die für ihn leicht zu erratende gewöhnliche alphabetische Reihenfolge der Verdrahtung der Eintrittswalze.


title: Enigma (Maschine)

text: Mit diesem Anschub, vor allem mit den nun endlich bekannten Walzenverdrahtungen, konnten die britischen Kryptoanalytiker mit Ausbruch des Krieges im etwa 70 km nordwestlich von London gelegenen Bletchley Park (B.P.) einen erneuten Angriff auf die Enigma starten. Das wichtigste Hilfsmittel dabei war – neben ihrer intellektuellen Leistungsfähigkeit und dem hohen Personaleinsatz von später zehntausend bis vierzehntausend Frauen und Männern – vor allem eine spezielle elektromechanische Maschine, genannt die "Turing-Bombe", die als Nachfolgerin auf der polnischen "Bomba" aufbaute und vom englischen Mathematiker Alan Turing ersonnen wurde. Turings Idee zur Schlüsselsuche bestand darin, durch ringförmige Verkettung von mehreren, meist zwölf, Enigma-Walzensätzen die Wirkung des Steckerbretts komplett abzustreifen. Dadurch gelang es ihm, die praktisch unüberschaubare Anzahl von mehr als 200 Trilliarden Verschlüsselungsmöglichkeiten, auf die die deutschen Kryptographen ihre Hoffnungen setzten, drastisch zu reduzieren.


title: Enigma (Maschine)

text: Das Grundprinzip geht von der Enigma I aus, bei der drei Walzen aus einem Sortiment von fünf Walzen eingesetzt werden und nur die Umkehrwalze B zur Verfügung steht. Eine andere Umkehrwalze (UKW C), von den Briten lautmalerisch "Uncle Walter" genannt, tauchte kurzzeitig auf und verschwand schnell wieder. Für jede der 60 verschiedenen Walzenlagen gibt es 26³, also 17.576 Walzenstellungen. Wenn man bei der Schlüsselsuche von den Ringstellungen und vom Steckerbrett absehen kann, was mithilfe der durch die "Bombe" realisierten kryptanalytischen Angriffsmethode ermöglicht wurde, dann bleiben „nur“ noch 60·17.576, also 1.054.560 Möglichkeiten übrig. Diese etwa eine Million unterschiedlichen Fälle sind von Hand in vernünftiger Zeit praktisch nicht durchzuprobieren. Mithilfe der "Turing-Bombe" jedoch, die motorbetrieben mit 64 Umdrehungen pro Minute während jeder Umdrehung 26 Fälle abarbeiten konnte, brauchte man nur noch 1.054.560/(26·64) Minuten, also etwas mehr als zehn Stunden, um sämtliche Möglichkeiten durchzutesten. Hinzu kommt noch die Zeit zum Einstellen und Umrüsten der Maschine auf die sechzig verschiedenen Walzenlagen, wodurch die Zeit auf rund zwanzig Stunden verdoppelt wird. Leistet man sich den Aufwand, sechzig "Bombes" einzusetzen, jeweils eine für jede Walzenlage, dann schrumpft die Zeit für einen Durchlauf von etwas mehr als zehn Stunden auf gut zehn Minuten – eine durchaus erträgliche Zeit. Tatsächlich waren Anfang 1944 mehr als 330 "Bombes" im Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten in Betrieb, nachdem sich die Briten noch Ende 1941 mit nur zwölf "Bombes" begnügen mussten.


title: Enigma (Maschine)

text: Entscheidend wichtig für die Funktion der "Bombe" sind wahrscheinliche Wörter ("Cribs"), deren Auftreten man im Text erwarten kann. Fehlen diese, dann scheitert die Entzifferung. Beispielsweise gelang den Briten der Einbruch in zwei Schlüsselkreise der Deutschen Reichsbahn nicht, die in Bletchley Park nach der frühen Dampflokomotive "Rocket" als "Rocket II" und "Rocket III" bezeichnet wurden. Grund war, wie sie nach dem Krieg zu ihrer Überraschung feststellten, nicht eine besonders sichere Enigma-Variante, sondern die ungewohnte Eisenbahnersprache und die Art der Transportmeldungen, die ihnen das Erraten von wahrscheinlichen Wörtern nicht erlaubten. Militärische Meldungen hingegen waren häufig stereotyp abgefasst und enthielten viele leicht zu erratende "Cribs" wie OBERKOMMANDODERWEHRMACHT, die die britischen Codeknacker zur Entzifferung nutzen konnten.


title: Enigma (Maschine)

text: Darüber hinaus profitierten sie von der deutschen Gründlichkeit bei der Abfassung von Routinemeldungen, wie Wetterberichte, die jeden Morgen pünktlich zur selben Zeit und vom selben Ort gesendet wurden. Zwar verbot die deutsche Dienstvorschrift „Allgemeine Schlüsselregeln für die Wehrmacht“ (H.Dv.g.7) ausdrücklich „Regelmäßigkeiten im Aufbau, gleichlautende Redewendungen und Wiederholungen im Text“ und warnte eindringlich „Es muß auf jeden Fall vermieden werden, daß durch flüchtig ausgebildetes Personal Schlüsselfehler gemacht werden, die […] der feindlichen Nachrichtenaufklärung die Entzifferung ermöglichen“, dennoch passierten genau diese Fehler, die die Codeknacker wahrnehmen und ausnutzen konnten. Aus britischer Sicht war eine täglich frisch verschlüsselte Enigma-Meldung, die stets mit den Worten „WETTERVORHERSAGEBEREICHSIEBEN“ begann, ähnlich wertvoll wie es eine direkte öffentliche Bekanntgabe des jeweils gültigen Tagesschlüssels gewesen wäre. So wurde beispielsweise der Enigma-Schlüssel vom "D‑Day", also dem Tag der Landung der Alliierten in der Normandie ("Operation Overlord"), durch den "Crib" „WETTERVORHERSAGEBISKAYA“, den die britischen Kryptoanalytiker leicht erraten konnten und korrekt vermuteten, in weniger als zwei Stunden nach Mitternacht gebrochen.


title: Enigma (Maschine)

text: Nicht selten provozierten die Briten sogar bewusst Vorfälle, nur um die darauf prompt zu erwartenden deutschen Funksprüche mit bekanntem Inhalt (und mit aktuellem Tagesschlüssel verschlüsselt) zu erhalten, und nannten diese Technik "gardening" (deutsch: „Gärtnern“). Der britische "Codebreaker" Rolf Noskwith aus Baracke 8 beschrieb sie folgendermaßen: „Die RAF warf an bestimmten Stellen in der Nordsee Minen ab, so daß die Minenwarnung der Deutschen uns als Crib diente. Die Stellen waren sorgfältig ausgewählt, um bestimmte Ziffern, wie insbesondere 0 und 5, [als Koordinaten] zu vermeiden, für die die Deutschen unterschiedliche Buchstaben benutzten.“ Die Briten konnten sich so, unter Vermeidung der Fallunterscheidungen für „NULL“ und „NUL“ sowie „FUENF“ und „FUNF“, die Arbeit etwas erleichtern. Außer im Fall „ZWEI“ und „ZWO“ gab es für die übrigen Ziffern nur eine Schreibweise. Auch entzifferte Botschaften von kleineren Marineeinheiten, wie Hafenschiffen, die nicht über die Enigma verfügten und stattdessen Handschlüsselverfahren (Werftschlüssel oder Reservehandverfahren) benutzten, dienten den Briten als "Cribs" beim Bruch der Enigma. Die Deutschen versendeten nämlich viele Funksprüche, wie Minenwarnungen, wortgleich sowohl als Enigma-Geheimtexte als auch mit den Handverfahren verschlüsselt. Die Briten waren dankbar für diese „Geheimtext-Geheimtext-Kompromittierung“ und nannten sie "Kisses".


title: Enigma (Maschine)

text: So gelang es unter dem Decknamen „Ultra“, beginnend mit Januar 1940 zunächst die von der Luftwaffe und später auch die vom Heer mit der Enigma I verschlüsselten Nachrichten nahezu während des gesamten Zweiten Weltkriegs kontinuierlich zu brechen. Im Jahr 1943 beispielsweise wurden mehr als 80.000 Funksprüche pro Monat abgefangen und entziffert, also durchschnittlich mehr als 2500 jeden Tag, während des Krieges insgesamt waren es über zweieinhalb Millionen.


title: Enigma (Maschine)

text: Hartnäckiger zeigten sich die Verschlüsselungsverfahren der deutschen Kriegsmarine, die eine Variante (Enigma‑M3) mit drei aus acht Walzen (I bis VIII) sowie eine ausgeklügelte Spruchschlüsselvereinbarung nutzte. Hier gelang den Briten der Einbruch erst im Mai 1941 nach Kaperung des deutschen U‑Boots "U 110" und Erbeutung einer intakten M3-Maschine und sämtlicher Geheimdokumente (Codebücher inklusive der entscheidend wichtigen „Doppelbuchstabentauschtafeln“) durch den britischen Zerstörer HMS "Bulldog" am 9. Mai 1941. Eine für die Briten schmerzliche Unterbrechung ("Black-out") gab es dann, als am 1. Februar 1942 die M3 (mit drei Walzen) bei den U‑Booten durch die M4 (mit vier Walzen) abgelöst wurde. Dieses von den Deutschen „Schlüsselnetz Triton“ und von den Briten "Shark" (deutsch: „Hai“) genannte Verfahren konnte zehn Monate lang nicht gebrochen werden, eine Zeit, von den U‑Boot-Fahrern die „“ genannt, in der die deutsche U‑Bootwaffe erneut große Erfolge verbuchen konnte. Der Einbruch in "Shark" gelang erst am 12. Dezember 1942, nachdem der britische Zerstörer HMS "Petard" am 30. Oktober 1942 im Mittelmeer das deutsche U‑Boot "U 559" aufbrachte. Ein Prisenkommando, bestehend aus "Lieutenant" Tony Fasson (1913–1942), "Able Seaman" Colin Grazier (1920–1942) und dem jungen Tommy Brown (1926–1945), enterte das Boot und erbeutete wichtige streng geheime Schlüsselunterlagen, wie Kurzsignalheft und Wetterkurzschlüssel, mit deren Hilfe es die Kryptoanalytiker in Bletchley Park schafften, auch die Enigma‑M4 zu überwinden.


title: Enigma (Maschine)

text: Nun kamen auch die Amerikaner zu Hilfe. Unter Federführung von Joseph Desch produzierten sie ab April 1943 im "United States Naval Computing Machine Laboratory (NCML)", das seinen Sitz in der "National Cash Register Company (NCR)" in Dayton (Ohio) hatte, mehr als 120 Stück Hochgeschwindigkeitsvarianten der "Turing-Bombe". Diese sogenannten "Desch-Bombes" waren speziell gegen die M4 gerichtet. In schneller Folge kamen weitere amerikanische Behörden unterstützend hinzu, wie etwa die "Signal Security Agency (SSA)", die "Communications Supplementary Activity (CSAW)", und die "United States Coast Guard Unit 387 (USCG Unit 387)". Die Personalstärke wuchs schnell von wenigen Hundert auf mehr als zehntausend Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an, die täglich Tausende von Funksprüchen entzifferten.


title: Enigma (Maschine)

text: Danach waren die deutschen U‑Boote nie mehr sicher (siehe auch: U‑Boot-Krieg). Unmittelbare Folge der amerikanischen Entzifferungen war, beginnend mit "U 463" am 16. Mai 1943, einem U‑Tanker vom Typ XIV („Milchkuh“), bis "U 220" am 28. Oktober 1943, einem zur Versorgung eingesetzten Minenleger vom Typ XB, die Versenkung von elf der achtzehn deutschen Versorgungs-U‑Boote innerhalb weniger Monate im Jahr 1943. Dies führte zu einer Schwächung aller Atlantik-U‑Boote, die nun nicht mehr auf See versorgt werden konnten, sondern dazu die lange und gefährliche Heimreise durch die Biskaya zu den U‑Boot-Stützpunkten an der französischen Westküste antreten mussten.


title: Enigma (Maschine)

text: Es gilt als unbestritten, dass die Kompromittierung der Enigma von enormer strategischer Bedeutung für den Verlauf des Zweiten Weltkriegs war. Einige Geschichtswissenschaftler gehen davon aus, dass, falls die Enigma nicht hätte gebrochen werden können, sich am Ausgang des Krieges zwar nichts geändert hätte, er aber wesentlich länger gedauert hätte und noch weitaus blutiger verlaufen wäre. So äußerte sich der englische Historiker Sir Harry Hinsley, der in Bletchley Park mitgearbeitet hatte, zur Bedeutung von "Ultra" mit den Worten „shortened the war by not less than two years and probably by four years“ (). Die Vermutung erscheint gerechtfertigt, dass es den polnischen, britischen und amerikanischen Kryptoanalytikern und ihrer Leistung bei der Entzifferung der deutschen Maschine zu verdanken ist, dass der Zweite Weltkrieg erheblich verkürzt werden konnte und damit unzähligen Menschen auf allen Seiten das Leben gerettet wurde.


title: Enigma (Maschine)

text: Es gibt aber auch Historiker, Politiker und Militärs, die die nachrichtendienstlichen Erkenntnisse als „entscheidend“ für den Sieg der Alliierten ansehen. So äußerte sich beispielsweise der amerikanische Historiker Harold Deutsch, der im Zweiten Weltkrieg Leiter der Analyse beim Amt für strategische Dienste im Kriegsministerium der Vereinigten Staaten, dem OSS war:


title: Enigma (Maschine)

text: Experten, die Deutschs Ansicht teilen, berücksichtigen die Tatsache, dass die Entzifferungen nicht nur auf militärisch-taktischer Ebene (Heer, Luftwaffe und Marine) eine große Hilfe waren, sondern aufgrund der nahezu vollständigen Durchdringung des deutschen Nachrichtenverkehrs auf allen Ebenen (Polizei, Geheimdienste, diplomatische Dienste, SD, SS, Reichspost, Reichsbahn und Wehrmacht) auch einen äußerst genauen Einblick in die strategischen und wirtschaftlichen Planungen der deutschen Führung erlaubten. Speziell schätzten die Alliierten die Authentizität der aus Enigma-Funksprüchen gewonnenen Informationen, die aus anderen Quellen, wie Aufklärung, Spionage oder Verrat, nicht immer gegeben war. So konnten die Briten ihre zu Beginn des Krieges noch sehr begrenzten Ressourcen deutlich besser koordinieren und viel gezielter gegen die erkannten deutschen Schwächen einsetzen, als es ohne die Entzifferung der Enigma möglich gewesen wäre. Im späteren Verlauf des Krieges nutzten sie dann zusammen mit ihren amerikanischen Verbündeten die "Ultra"-Informationen, um die gemeinsame Überlegenheit noch besser auszuspielen.


title: Enigma (Maschine)

text: Einer der führenden ehemaligen "Codebreaker" aus Bletchley Park, der britische Schachmeister Stuart Milner-Barry, schrieb: „Mit Ausnahme vielleicht der Antike wurde meines Wissens nie ein Krieg geführt, bei dem die eine Seite ständig die wichtigen Geheimmeldungen von Heer und Flotte des Gegners gelesen hat.“ Ein ähnliches Fazit zieht ein nach dem Krieg verfasster amerikanischer Untersuchungsbericht: „Ultra schuf in der Militärführung und an der politischen Spitze ein Bewusstsein, das die Art und Weise der Entscheidungsfindung veränderte. Das Gefühl, den Feind zu kennen, ist höchst beruhigend. Es verstärkt sich unmerklich im Laufe der Zeit, wenn man regelmäßig und aufs genaueste seine Gedanken und Gewohnheiten und Handlungsweisen beobachten kann. Wissen dieser Art befreit das eigene Planen von allzu großer Vorsicht und Angst, man wird sicherer, kühner und energischer.“


title: Enigma (Maschine)

text: Der ehemalige Sicherheitsberater von US-Präsident Jimmy Carter, der polnisch-amerikanische Politikwissenschaftler Zbigniew Brzeziński zitierte den Oberbefehlshaber der alliierten Streitkräfte General Dwight D. Eisenhower, der "Ultra" als "decisive" () für den Sieg bezeichnete. Die polnischen Historiker Władysław Kozaczuk und Jerzy Straszak schrieben „it is widely believed that Ultra saved the world at least two years of war and possibly prevented Hitler from winning“. ().


title: Enigma (Maschine)

text: Der renommierte britische Historiker und Kryptologe Ralph Erskine sagte einfach und klar: Der Einbruch in die Marine-Enigma „rettete Großbritannien vor der Niederlage im U‑Boot-Krieg“. Auch Stuart Milner-Barry vertrat die Ansicht, dass „had we not at the most crucial times and for long periods read the U‑boat ciphers, we should have lost the war“ (). In einer Ausstellung über den "Secret War" (), die im Jahr 2003 in einem der bedeutendsten Kriegsmuseen weltweit, dem "Imperial War Museum" () in London stattfand, wurde der ehemalige britische Premierminister Winston Churchill zitiert, der seinem König George VI. gesagt hatte: „It was thanks to Ultra that we won the war.“ ().


title: Enigma (Maschine)

text: In seinem Buch "The Hut Six Story" beschreibt Gordon Welchman, der neben Alan Turing einer der führenden Köpfe der britischen "Codebreaker" in Bletchley Park war, die Gratwanderung, die die alliierten Kryptoanalytiker zu vollbringen hatten, um nicht den Anschluss an die von den Deutschen immer wieder neu eingeführten kryptographischen Komplikationen zu verlieren. Mehrfach stand die Entzifferungsfähigkeit auf des Messers Schneide, und immer wieder senkte sich die Waagschale zugunsten der Codeknacker, oft auch mit viel Glück, wie Welchman in seinem Buch einräumt: „We were lucky“ ().


title: Enigma (Maschine)

text: In seinem 2018 erschienenen Buch "X, Y & Z – The Real Story of how Enigma was Broken" () fordert der Autor Sir Dermot Turing, Neffe von Alan Turing, den Leser auf:


title: Enigma (Maschine)

text: Die Betrachtung alternativer Geschichtsverläufe ist zwangsläufig höchst spekulativ. Entscheidend ist natürlich auch der Zeitpunkt, zu dem die Enigma möglicherweise einbruchssicher gemacht worden wäre. Falls dies erst im Jahr 1945 geschehen wäre, hätte es vermutlich nur geringe Konsequenzen auf den Kriegsverlauf gehabt. Im Jahr 1944 dagegen wären die alliierten Invasionspläne der "Operation Overlord" („D‑Day“) behindert worden. Wie man heute weiß, war aus entzifferten Enigma-Funksprüchen nicht nur die gesamte deutsche Gefechtsaufstellung in der Normandie detailliert bekannt, sondern die alliierten Befehlshaber wurden dank "Ultra" auch jeden Tag äußerst präzise über die deutschen Pläne und Gegenmaßnahmen auf dem Laufenden gehalten. In den Jahren ab 1941 wären die deutschen U‑Boote nicht mehr so leicht zu finden gewesen, deren Positionen und Pläne die Alliierten aus entzifferten Funksprüchen genau verfolgen konnten.


title: Enigma (Maschine)

text: Was aber wäre gewesen, wenn die Enigma von Anfang an unknackbar geblieben wäre? Im Jahr 1940 beispielsweise setzte die "Royal Air Force" ihre letzten Reserven ein, um schließlich die Luftschlacht um England ("Battle of Britain") zu gewinnen. Auch hierbei waren entzifferte Funksprüche, insbesondere über die Angriffspläne der deutschen Luftwaffe, eine große Hilfe. Ohne diese Hilfe wäre die Luftschlacht eventuell verloren worden und das Unternehmen Seelöwe, also die deutsche Invasion Englands, hätte stattfinden können. Wie es ausgegangen wäre, darüber lässt sich nur spekulieren: Denkbar wäre, dass nach einer deutschen Besetzung der britischen Inseln noch im Jahr 1940 der Krieg beendet gewesen wäre, denn zu diesem Zeitpunkt befanden sich weder die Sowjetunion noch die Vereinigten Staaten im Krieg. (Der deutsche Überfall auf die Sowjetunion begann am 22. Juni 1941. Der japanische Angriff auf Pearl Harbor fand am 7. Dezember 1941 statt und die Kriegserklärung Deutschlands an die USA erfolgte am 11. Dezember 1941.) Wie sich die Weltgeschichte in einem solchen Fall weiterentwickelt hätte, kann niemand sagen, denn die Geschichte verrät uns ihre Alternativen nicht. In einem Essay, das David Kahn als kontrafaktische Geschichte unter der Annahme verfasste, den Alliierten sei es nicht gelungen, die Enigma zu knacken, führt es zu einem weiteren Siegeszug der Wehrmacht, der schließlich durch eine Atombombe abrupt beendet wird. Das alles sind Spekulationen – deutlich wird allerdings die enorme Bedeutung der Kryptographie und der Kryptanalyse der Schlüsselmaschine Enigma für den Verlauf der Geschichte.


title: Enigma (Maschine)

text: Besonders bemerkenswert ist die Tatsache der perfekt funktionierenden Geheimhaltung der in Bletchley Park durchgeführten Enigma-Entzifferungen und der daraus gewonnenen "Ultra"-Informationen. Churchill selbst würdigte seine verschwiegenen "Codebreakers" mit den Worten „My geese that laid the golden eggs and never cackled“ (). Dieses „Enigma-Geheimnis“ wurde während des gesamten Krieges und selbst danach bis in die 1970er-Jahre gehütet ("Britain’s best kept secret", ). Die Deutschen hatten keinerlei Ahnung von "Ultra". In Bletchley Park gab es keinen Maulwurf – mit einer Ausnahme, John Cairncross, aber der spionierte für die Sowjetunion.


title: Enigma (Maschine)

text: Aufgrund verschiedener verdächtiger Ereignisse wurden auf deutscher Seite zwar mehrfach Untersuchungen angestellt, ob die Enigma wirklich sicher sei, hier wurden jedoch die falschen Schlussfolgerungen gezogen und die Fachleute mit der richtigen Einschätzung setzten sich nicht durch. Auch die Zersplitterung der deutschen Dienste – im Gegensatz zu der in B.P. konzentrierten Kompetenz – ist sicherlich ein Grund für das Nichterkennen der Sicherheitslücken der Maschine. Nebeneinander existierten in Deutschland die teilweise rivalisierenden kryptologischen Dienststellen, wie die Chiffrierabteilung des Oberkommandos der Wehrmacht (OKW/Chi), der General der Nachrichtenaufklärung (OKH/GdNA) im Oberkommando des Heeres, der B‑Dienst (Beobachtungsdienst) der Kriegsmarine, das Forschungsamt (FA) der Luftwaffe sowie das Amt IV E im Reichssicherheitshauptamt (RSHA).


title: Enigma (Maschine)

text: Ein kurz nach dem Krieg verfasster Bericht der amerikanischen "Army Security Agency" erwähnt, dass der deutsche Befehlshaber der U‑Boote (BdU) Admiral Karl Dönitz den wahren Grund für den noch vor Juli 1942 zum Greifen nahen Sieg und der nur wenige Monate darauf verlorenen Schlacht im Atlantik niemals verstanden hat:


title: Enigma (Maschine)

text: Dabei wäre es für die Deutschen durchaus nicht schwierig gewesen, die Sicherheit ihrer Maschine zu überprüfen. So schlägt der britische Historiker Hugh Sebag-Montefiore als Test vor, eine mit der Enigma wie üblich verschlüsselte Nachricht zu versenden, in der als Täuschungsmanöver beispielsweise ein Treffen deutscher U‑Boot-Tanker an einem entlegenen Ort auf See vereinbart wird, der normalerweise nicht von alliierten Schiffen aufgesucht wird. Falls nun zu dem im Funkspruch angegebenen Zeitpunkt plötzlich alliierte Kriegsschiffe am vereinbarten Treffpunkt erscheinen sollten, hätte es den Deutschen ziemlich schnell klar werden können, dass ihre Maschine tatsächlich kompromittiert war.


title: Enigma (Maschine)

text: Gegen Kriegsende wurden Tausende von Enigma-Maschinen zerstört, vergraben oder versenkt, um zu verhindern, dass sie „in Feindeshand“ gerieten. Gemäß dem „Regenbogen-Befehl“ der Kriegsmarine waren beispielsweise sogar U‑Boote selbstzuversenken, um sie nicht dem Feind übergeben zu müssen. Von Zeit zu Zeit werden solche Relikte gefunden. Beispielsweise wurde Ende 2020 berichtet, dass ein Enigma-Exemplar vom Meeresgrund der Geltinger Bucht geborgen werden konnte, und im Januar 2021 wurden in der Nähe von Schleimünde gleich sechs beschädigte Exemplare ebenfalls aus der Ostsee gehoben.


title: Enigma (Maschine)

text: Nach dem Krieg wurden die in Stückzahlen von mehreren Hunderten, möglicherweise Tausenden, erbeutete und auch nachgebaute Enigma-Maschinen vor allem von den Westmächten an Verbündete oder befreundete Nationen verkauft oder verschenkt. So boten die Briten dem im Jahr 1948 30 Stück der zu dieser Zeit allgemein noch als „hochsicher“ und „unknackbar“ geltenden deutschen Verschlüsselungsmaschine an. Die Israelis waren hocherfreut über dieses wertvolle Geschenk und begannen, die deutschen Maschinen für ihre Zwecke zu modifizieren. Sie verbesserten die kryptographische Sicherheit und kombinatorische Komplexität der Enigma und ersetzten bei Tastatur, Lampenfeld, Steckerbrett und Walzensatz das lateinische Alphabet durch hebräische Buchstaben. Sie verzichteten jedoch schließlich auf den Einsatz dieser nun israelischen Enigma-Maschinen, nachdem sie durch den britisch-jüdischen Mathematiker Joseph Gillis (1911–1993), der in Bletchley Park mitgearbeitet hatte, einen subtilen Hinweis erhalten hatten. In Korea, in ehemaligen britischen Kolonien und Protektoraten sowie einigen afrikanischen Staaten wurden Enigmas teilweise noch bis 1975 genutzt, wodurch es den Westmächten gelang, deren Nachrichtenverkehr mitzulesen. Die wenigen heute noch existierenden intakten Exemplare – man schätzt, dass es noch rund 400 Exponate in Museen oder bei privaten Sammlern gibt – werden zu Liebhaberpreisen im fünf- und sogar sechsstelligen Bereich gehandelt. Im Jahr 2017 wurde bei Christie’s, einem der weltweit führenden Auktionshäuser für Kunst und Antiquitäten, eine aus dem Kriegsjahr 1944 stammende Enigma‑M4 für die rekordverdächtige Summe von 547.500 $ (rund 500.000 €) versteigert.


title: Enigma (Maschine)

text: Schon 1883 formulierte der niederländische Kryptologe Auguste Kerckhoffs unter der später (1946) explizit von Shannon angegebenen Annahme „the enemy knows the system being used“ () seine für seriöse Kryptographie bindende Maxime.


title: Enigma (Maschine)

text: Die kryptographische Sicherheit der Enigma hing – im Widerspruch zu Kerckhoffs’ Maxime – wesentlich von der Geheimhaltung ihrer Walzenverdrahtung ab. Diese war vom Benutzer nicht veränderbar, somit ein Teil des Algorithmus und nicht des Schlüssels. Bemerkenswert ist, dass die Walzenverdrahtung seit den Anfängen in den 1920er-Jahren bis 1945 bis auf ganz wenige Ausnahmen, genannt „Sonderschaltungen“, nicht verändert wurde. Unter den üblichen Einsatzbedingungen einer so weit verbreiteten Schlüsselmaschine wie der Enigma darf man nicht annehmen, dass deren algorithmische Bestandteile auf Dauer geheimgehalten werden können, auch wenn die Deutschen es versucht haben.


title: Enigma (Maschine)

text: Eine erste Möglichkeit zur Verbesserung der Enigma wäre somit das beispielsweise jährliche vollständige Auswechseln des Walzensortiments, mit jeweils radikal geänderter Verdrahtung, gewesen, ähnlich wie es die Schweizer mit ihrem Modell K machten. Noch wesentlich wirkungsvoller wären Walzen, deren innere Verdrahtung schlüsselabhängig variabel gestaltet werden könnte. Interessanterweise gab es hierzu einen Ansatz, nämlich die Umkehrwalze D (britischer Spitzname: "Uncle Dick"), die genau diese Eigenschaft aufwies, jedoch erst spät (Jan. 1944) und nur vereinzelt zum Einsatz kam. Diese „stöpselbare Umkehrwalze Dora“, wie sie von deutscher Seite mithilfe des damals gebräuchlichen Buchstabieralphabets bezeichnet wurde, ermöglichte eine frei wählbare Verdrahtung zwischen den Kontaktstiften und somit eine variable Verbindung zwischen Buchstabenpaaren.


title: Enigma (Maschine)

text: Wesentliche kryptographische Stärkungen der Enigma wären im Konstruktionsstadium leicht möglich gewesen. In erster Linie hätte man die Beschränkung auf fixpunktfreie Permutationen vermeiden müssen. Auch die Involutorik (Verschlüsseln = Entschlüsseln), zwar bequem für die Bedienung, schwächte die Maschine enorm. Beides wäre vermieden worden, hätte man auf die Umkehrwalze verzichtet.


title: Enigma (Maschine)

text: Bereits eine frühe Vorläuferin der Enigma I, gemeint ist die aus dem Jahr 1929 stammende Enigma‑H, die von der Reichswehr und später auch von der Wehrmacht als Enigma II bezeichnet wurde, verfügte über "acht" nebeneinander fest angeordnete (nicht austauschbare) Walzen und einen allein durch die Walzenstellung einstellbaren Schlüsselraum von mehr als 200 Milliarden. Verglichen mit den nur 17.576 Walzenstellungen der Enigma I bietet sie eine erheblich größere kombinatorische Komplexität. Zudem verfügte dieses frühe Enigma-Modell über keine Umkehrwalze, hatte also auch nicht deren Schwächen. Hätte man diese Grundkonstruktion mit acht (statt nur drei) Walzen auf die Enigma I übertragen und zusätzlich wie dort die Lage der Walzen austauschbar gestaltet, hätte dies bei acht Walzen 8! = 40.320 (statt nur 60) Walzenlagen und in Kombination mit den Walzenstellungen einen kryptographisch wirksamen Schlüsselraum von 8.419.907.243.704.320 (mehr als acht Billiarden oder knapp 53 bit) ergeben. Im Vergleich zu den nur gut eine Million (etwa 20 bit) kryptographisch wirksamen Möglichkeiten der tatsächlich realisierten Enigma wäre so eine deutlich stärkere Maschine entstanden, die trotz der vielen Fehler auf deutscher Seite und des gigantischen Aufwands auf britischer Seite vermutlich nicht hätte gebrochen werden können. Allerdings wäre eine solche Maschine mit acht Walzen weniger handlich gewesen als die Enigma mit nur drei Walzen.


title: Enigma (Maschine)

text: Scherbius hatte in seinem grundlegenden Patent vom 23. Februar 1918 sogar schon "zehn" Walzen und die (bereits ohne Austauschen) daraus resultierenden rund 100 Billionen Schlüssel angegeben, außerdem keine Umkehrwalze, sondern einen Umschalter zur Einstellung von Ver- und Entschlüsselung, sowie eine über Getriebe einstellbare "unregelmäßige" Weiterbewegung der Walzen vorgeschlagen – sämtlich gute Ideen und kryptographisch starke Konstruktionsmerkmale, die jedoch im Laufe der Zeit in Vergessenheit gerieten. Der Gründungspräsident des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), der promovierte Mathematiker und Kryptologe Otto Leiberich meinte im Jahr 2001, mit vier Walzen „und mit einem ungleichförmigen Antrieb wäre die Enigma nie entziffert worden.“


title: Enigma (Maschine)

text: Ein Beispiel für die Stärke dieser Ideen ist die Schlüsselmaschine Sigaba. Dabei handelt es sich um eine amerikanische Rotor-Maschine ähnlich wie die Enigma und ebenso aus dem Zweiten Weltkrieg, die jedoch über keine Umkehrwalze, sondern fünf Chiffrierwalzen ("cipher rotor bank", ) verfügt und zusätzlich zweimal fünf weitere Walzen ("control rotor bank" und "index rotor bank", ) aufweist, die allein zur Erzeugung einer "unregelmäßigen" Fortschaltung der Chiffrierwalzen dienen. Die Sigaba erzeugt sowohl Fixpunkte als auch nichtinvolutorische Permutationen und konnte zu keinem Zeitpunkt, weder von deutschen noch von japanischen Kryptoanalytikern, noch von den Amerikanern selbst, die dies probeweise versuchten, gebrochen werden.


title: Enigma (Maschine)

text: Eine sehr einfache Möglichkeit, die Enigma sicherer zu gestalten, ist die Verwendung von mehr als einer Übertragskerbe. Diese Kerben sind Bestandteil jeder Walze und bewirken den Übertrag auf die nächste, im Walzensatz weiter links liegende Walze und sorgen so für die Fortschaltung der Rotoren. Den Codeknackern kam es sehr gelegen, dass sie 26 Buchstaben lang davon ausgehen konnten, dass allein die rechte Walze rotierte und erst dann eine Fortschaltung auf den mittleren Rotor passierte. Für relativ lange Textpassagen besteht die Enigma somit aus Sicht des Kryptoanalytikers nur aus einer einzigen sich drehenden (rechten) Walze und einer, aus mittlerer und linker Walze sowie der Umkehrwalze bestehenden, sozusagen besonders dicken (feststehenden) Umkehrwalze. Erst der Übertrag auf die mittlere Walze stört dies. Hätten die Walzen der Enigma über mehr als nur eine einzige Übertragskerbe verfügt, beispielsweise neun, wie bei der britischen Schlüsselmaschine Typex, so hätte sich für den Anwender praktisch nichts geändert, die Kryptanalyse jedoch wäre durch das dann häufigere Weiterschalten der mittleren und der linken Walze stark gestört worden.


title: Enigma (Maschine)

text: Peter Twinn, einer der Mitarbeiter Turings in Bletchley Park, kommentierte es mit den Worten „they certainly missed a trick in not combining multiple-turnover wheels with Steckerverbindungen“ (). Gordon Welchman unterstrich die Folgen dieses deutschen Fehlers: „We would have been in grave trouble if each wheel had had two or three turnover positions instead of one“ (). Die Typex erwies sich nicht zuletzt auch durch ihre im Vergleich zur Enigma größeren Anzahl an Übertragskerben für OKW/Chi, die Chiffrierabteilung des OKW, als unknackbar.


title: Enigma (Maschine)

text: Vielleicht fürchteten die Entwickler der Enigma eine Reduzierung der Periode, das ist die Anzahl der Zeichen, nach der sich das zur Verschlüsselung verwendete Alphabet wiederholt. Die Periode beträgt bei der Enigma I 26·25·26 = 16.900, wobei der Faktor 25 bei der mittleren Walze durch die bereits erwähnte (unwichtige) Anomalie des Fortschaltmechanismus verursacht wird. Bei Verwendung einer geraden Anzahl oder von dreizehn Übertragskerben statt nur einer würde die Periode tatsächlich drastisch absinken, da diese Zahlen gemeinsame Teiler mit 26 aufweisen. Bei zum Beispiel drei, fünf, sieben, neun oder elf Kerben hingegen besteht diese Gefahr nicht, da diese Zahlen zu 26 teilerfremd sind. Interessanterweise wurden bei der Marine, in Ergänzung zu den von der Enigma I bekannten fünf Walzen, drei weitere Walzen eingesetzt (VI, VII und VIII), die mehr als eine, nämlich zwei Übertragskerben aufweisen. Die exklusiv von der Marine verwendeten drei Walzen vermieden außerdem einen weiteren Fehler der fünf Walzen der Enigma I, denn sie hatten ihre Übertragskerben alle bei identischen Buchstaben. Nicht so die Walzen I bis V, die sich durch den bei unterschiedlichen Buchstaben erfolgenden Übertrag verrieten. Die Codeknacker hatten sich dafür den (sprachlich unsinnigen) Merkspruch „Royal Flags Wave Kings Above“ gebildet, der für die Walzen I bis V in dieser Reihenfolge den jeweiligen Buchstaben nennt, der stets im Sichtfenster erscheint, nachdem ein Übertrag auf die nächste Walze erfolgt ist.


title: Enigma (Maschine)

text: Eine bedeutende Innovation, die die kryptographische Sicherheit der Enigma erheblich verbessert hätte, die aber zu spät kam, um während des Krieges noch eingesetzt werden zu können, waren die sogenannten „Lückenfüllerwalzen“ (Foto siehe unter Weblinks). Diese neuartigen Rotoren erlaubten es „an jeder Walze Schaltlücken beliebig nach Art und Zahl einzustellen“. Die Einstellungen hätten schlüsselabhängig verändert werden können und so wesentlich zur kryptographischen Stärkung der Maschine beigetragen. Im Juli 1944 erhielt das Ertel-Werk in München einen Fertigungsauftrag über 8000 Stück Lückenfüllerwalzen, der kurz darauf auf 12.000 Stück erhöht wurde. Kriegsbedingt konnten jedoch nur wenige hergestellt und keine mehr ausgeliefert werden. Das amerikanische "Target Intelligence Committee" "(TICOM)" konfiszierte gegen Ende des Krieges sämtliche Informationen über die Lückenfüllerwalze und hielt sie für viele Jahre sorgsam unter Verschluss. Falls sie in ausreichender Stückzahl hätte gefertigt und eingesetzt werden können, so wären die britischen Codeknacker vermutlich aus dem Rennen gewesen, insbesondere, wenn es, wie geplant, gelungen wäre, die Lückenfüllerwalze in Kombination mit der Umkehrwalze D einzusetzen.


title: Enigma (Maschine)

text: Die deutsche "Abwehr" (Geheimdienst) verwendete ein Enigma-Modell (G), das über einen exklusiven Walzensatz verfügte, bei dem die (drei) Walzen tatsächlich mehrere Übertragskerben aufwiesen, nämlich 11, 15 beziehungsweise 17 Kerben. Selbst die Umkehrwalze war – im Unterschied zu den anderen Enigma-Modellen – drehbar und rotierte mit. Dies stärkte die Verschlüsselung und sorgte sicher auch dafür, dass andere deutsche Stellen nicht mitlesen konnten. Allerdings verzichtete die "Abwehr" bei dieser besonders kompakten (äußere Abmessungen 270 mm × 250 mm × 165 mm) und handwerklich hervorragend gebauten Enigma auf ein Steckerbrett. Die Folge war, dass es den "Codebreakers" von Bletchley Park, an der Spitze „Dilly“ Knox und seine Mitarbeiterinnen Margaret Rock und Mavis Lever, in B.P. als „Dilly’s girls“ hochgeachtet, am 8. Dezember 1941 gelang, auch diese Verschlüsselung zu überwinden und so dazu beizutragen, dass deutsche Agenten bereits bei ihrer Einreise „in Empfang genommen“ werden konnten. Diese wurden anschließend nicht einfach nur eliminiert, sondern es gelang dem britischen Inlandsgeheimdienst "MI5", viele von ihnen „umzudrehen“ und im Rahmen des Systems "Double Cross" () als Doppelagenten einzusetzen. Zusammen mit den aus Enigma‑G-Sprüchen entzifferten Informationen erhielt der "MI5" ein so detailliertes und zutreffendes Bild über die Pläne und den Wissensstand der "Abwehr", dass jeder einzelne noch in Großbritannien operierende deutsche Agent genau bekannt war und gezielt kontrolliert und manipuliert werden konnte. Dies wurde auch zur Desinformation der deutschen Führung genutzt (siehe auch: "Operation Fortitude").


title: Enigma (Maschine)

text: Zusammenfassend können folgende Punkte zur kryptographischen Stärkung der Enigma festgehalten werden, deren Umsetzung noch vor oder während des Krieges möglich gewesen wäre und die leicht dazu hätten führen können, dass die Enigma sich plötzlich „außerhalb der Reichweite der bereits stark gedehnten anglo-amerikanischen kryptanalytischen Finger befunden hätte, was möglicherweise den Verlauf des Krieges verändert hätte“ ():


title: Enigma (Maschine)

text: Eine verblüffend einfache und dabei durchschlagend wirksame Maßnahme, die laut Gordon Welchman zu jedem beliebigen Zeitpunkt ganz leicht hätte eingeführt werden können und die er während des Krieges am meisten befürchtet hatte, ist die Verwendung von einpoligen Steckerverbindungen anstelle der doppelpoligen involutorischen Kabel. Dann könnte man beispielsweise X mit U steckern und U nun aber nicht notwendigerweise mit X, sondern mit irgendeinem anderen beliebigen Buchstaben. So hätte schlagartig die Involutorik des Steckerbretts – wenn auch nicht der ganzen Maschine – beseitigt werden können. Dies hätte nach Welchman katastrophale Auswirkungen für die Codeknacker in Bletchley Park gehabt. Ein Großteil der dort erarbeiteten Methodik inklusive des von Welchman selbst erfundenen "diagonal board" () wäre nutzlos geworden. Er schreibt „the output of Hut 6 Ultra would have been reduced to at best a delayed dribble, as opposed to our up-to-date flood.“ ()


title: Enigma (Maschine)

text: Eine grobe Übersicht der verwirrenden Modellvielfalt der Enigma zeigt die folgende Tabelle (siehe auch: Stammbaum der Enigma unter Weblinks). Neben dem Modellnamen ist das Jahr der Indienststellung, die Walzenanzahl sowie die daraus resultierende Anzahl der möglichen Walzenlagen angegeben. Ferner ist die Anzahl und die Art der Umkehrwalze (UKW) notiert, wobei zwischen fest eingebauten UKW sowie manuell einstellbaren, also „setzbaren“ UKW und rotierenden UKW unterschieden werden muss, also UKW, die während des Verschlüsselungsvorgangs weiterrotieren. Ein Beispiel dafür ist die (weiter oben) beschriebene Enigma‑G der "Abwehr". Einige frühe Maschinen, wie die „Handelsmaschine“ von 1923 und die „Schreibende Enigma“ von 1924, verfügten über keine UKW. Ferner ist die Anzahl der Übertragskerben angegeben sowie eine Literaturstelle als Referenz und für weitere Informationen.


title: Enigma (Maschine)

text: Neben den meistverwendeten Modellen Enigma I, Enigma‑M3 und Enigma‑M4 sowie deren Vorläuferinnen Enigma‑A bis Enigma‑D und den bereits genannten Enigma‑G und Enigma‑K ist noch die Enigma‑T erwähnenswert, die speziell für den Nachrichtenverkehr der beiden Kriegsverbündeten Deutschland und Japan konzipiert war. Sie wurde nach dem deutschen Großadmiral der früheren Kaiserlichen Marine Alfred von Tirpitz (1849–1930) auch als „Tirpitz-Maschine“ bezeichnet und verfügte über kein Steckerbrett, aber über eine „setzbare“ (einstellbare, jedoch nicht rotierende) Umkehrwalze und insgesamt acht Walzen mit jeweils fünf Übertragskerben (siehe auch: Enigma-Walzen), von denen drei ausgewählt wurden. Die Enigma‑T kam kaum zum Einsatz. Nicht verwechselt werden darf sie mit dem in Japan entwickelten Enigma-Nachbau, der "San-shiki Kaejiki".


title: Enigma (Maschine)

text: Ein Kuriosum stellt die Enigma-Z dar, die dem spanischen Außenministerium im Jahr 1931 zum Kauf angeboten wurde. Bei ihr handelt es sich um eine Variante ähnlich der Enigma‑D, die jedoch keinerlei Buchstabentasten, sondern allein zehn Zifferntasten („1“ bis „0“) und entsprechend (kleinere) Walzen mit nur zehn Kontakten und zehn Glühlampen für „1“ bis „0“ aufweist. Sie war also nicht zur Verschlüsselung von Texten, sondern nur von Zahlen gedacht, wie zur Überschlüsselung von diplomatischen Codes. So konnte beispielsweise die Ziffernfolge „25183 91467“ als „38760 15924“ verschlüsselt werden. Die Spanier verzichteten damals auf den Erwerb der Enigma‑Z und entschieden sich stattdessen für die noch weniger sichere Kryha.


title: Enigma (Maschine)

text: Der Fortschaltmechanismus der Walzen weist eine konstruktive Besonderheit auf, die zur Folge hat, dass sich die Walzen der Enigma nicht immer so weiterdrehen, wie es bei einem mechanischen Kilometerzähler der Fall wäre. Diese Besonderheit äußert sich so, dass die linke (langsame) Walze bei ihrem Fortschalten stets die mittlere Walze „mitnimmt“. Dies lässt sich an einem Beispiel illustrieren.


title: Enigma (Maschine)

text: Bei beispielsweise Walzenlage B I II III, Ringstellung 01 01 01 und der Walzenstellung ADU dreht sich der Walzensatz mit dem ersten Tastendruck auf ADV weiter. Das ist eine ganz normale Weiterdrehung nur der rechten Walze, ohne Weiterschaltung der mittleren oder der linken Walze. Nach der bekannten Merkregel „Royal Flags Wave Kings Above“ ist für Walze III mit dem nächsten Tastendruck, also wenn sie von V auf W weiterrotiert, mit einem Übertrag auf die mittlere Walze zu rechnen. Dann wird nicht nur die rechte Walze normal weiterrotieren, sondern gleichzeitig auch die mittlere Walze von D auf E umschalten. Die nächste Walzenstellung ist somit AEW.


title: Enigma (Maschine)

text: Nun jedoch hat die mittlere Walze (hier: Walze II) den Buchstaben erreicht, nämlich E, der nach der Merkregel unmittelbar vor ihrem Umschaltbuchstaben F liegt. Damit ist jetzt der Moment gekommen, zu dem die mittlere Walze ihrerseits einen Übertrag auf die linke Walze bewirkt. Mit dem nächsten Tastendruck wird sich also die linke Walze von A auf B weiterdrehen. Aufgrund der erwähnten konstruktiven Besonderheit führt dieses Weiterdrehen jedoch dazu, dass sie die mittlere Walze mitnimmt und sich diese noch einmal weiterdreht, also von E auf F. Folglich werden mit dem nächsten Tastendruck alle drei Walzen gleichzeitig weitergeschaltet und nach der vorherigen Walzenstellung AEW sind nun unmittelbar die Buchstaben BFX in den Anzeigefenstern der Enigma zu sehen. Nach diesem etwas fremdartig erscheinenden Ereignis kehrt die Maschine wieder in den regulären Fortschaltmodus zurück, bis dann nach 650 Tastendrücken erneut die mittlere Walze den Buchstaben E erreicht. Unter Weblinks ist ein Video zu finden, das anhand eines Holzmodells die Walzenfortschaltung illustriert, insbesondere auch den anomalen Doppelschritt der mittleren Walze.


title: Enigma (Maschine)

text: Zusammenfassend noch einmal das Weiterschalten des Walzensatzes. Man erkennt hier die Anomalie beim dritten Tastendruck, die sich als „Doppelschritt“ der mittleren Walze äußert (hier: D → E → F).


title: Enigma (Maschine)

text: In Summe führt dieser durch die Anomalie des Fortschaltmechanismus hervorgerufene Effekt des Doppelschritts der mittleren Walze dazu, dass von den theoretisch möglichen 26³ = 17.576 Walzenstellungen der Enigma I 26² = 676 ausgelassen werden und nur 26·25·26 = 16.900 übrig bleiben.


title: Enigma (Maschine)

text: Mit der Enigma verschlüsselte Nachrichten wurden im Regelfall per Funk übermittelt, nur selten als Fernschreiben oder telefonisch als „Fernspruch“ oder per Signallampe als „Blinkspruch“. Der Absender füllte ein Formular mit dem Klartext aus, das vom Verschlüssler als Grundlage für den mithilfe der Enigma-Maschine erzeugten Geheimtext diente. Diesen übertrug er Buchstaben für Buchstaben in ein entsprechendes Funkspruchformular (siehe auch: Dokumente unter Weblinks), das wiederum dem Funker als Basis für den im Morsecode übermittelten Funkspruch diente. Verfasser, Verschlüssler und Funker der Nachricht konnten drei verschiedene Personen sein oder auch ein und dieselbe.


title: Enigma (Maschine)

text: Eine wichtige Kennzeichnung des Funkspruchs, die im Spruchzettel mit einem Buntstift besonders hervorgehoben wurde, war die „Spruchnummer“. Durch farbige Angabe der Nummer unterschieden die Deutschen zwischen „abgegangenen“, also den zu sendenden oder bereits gesendeten Funksprüchen, bei denen die Spruchnummer mit einem blauen Farbstift in das Formular eingetragen wurde, und „angekommenen“, also empfangenen Funksprüchen, bei denen die Nummer in Rot geschrieben wurde. Nur wenige der unzählig vielen während der Zeit des Krieges ausgefüllten Spruchzettel sind erhalten geblieben. Die überwiegende Mehrzahl wurde nach Empfang und Entschlüsselung der Nachrichten vernichtet.


title: Enigma (Maschine)

text: Die zweite sehr wichtige Quelle für authentische Enigma-Sprüche stellen die reichhaltigen Aufzeichnungen der Alliierten dar. Insbesondere die Archive des damals weltweit arbeitenden britischen "Y Service" (deutsch: „Y‑Dienst“) sind prall gefüllt, bisher jedoch leider nur zu einem kleinen Teil öffentlich zugänglich. Das Bild zeigt eine der raren Ausnahmen aus dem Archiv des Dienstes in Bletchley Park. Das „Y“ steht im Englischen hier lautmalerisch für die Anfangssilbe des Wortes "wireless" (deutsch wörtlich: „drahtlos“, mit der Bedeutung: „Funk“). Eine sinngemäße Übersetzung von "Y Service" wäre somit „Funkabhördienst“.


title: Enigma (Maschine)

text: Die unten wiedergegebenen Enigma-Funksprüche stammen aus freien Quellen. Die Geheimtexte sind inzwischen mithilfe moderner kryptanalytischer Methoden und Rechnertechnik entziffert worden. Zu beachten ist, dass dies keine fiktiven Funksprüche sind, wie sie der Wettbewerb "Enigma Cipher Challenge" (siehe auch: Entzifferungen unter Weblinks) bietet, sondern dass es sich um Originalfunksprüche handelt, die im Zweiten Weltkrieg wirklich so aufgezeichnet worden sind. Es ist deshalb durchaus möglich (und hier auch der Fall), dass Verstümmelungen auftreten. Das bedeutet, dass einige Zeichen nicht korrekt sind oder fehlen. Dies betrifft sowohl die Buchstaben als auch die Zahlen. Letzteres kann sehr leicht gesehen werden. Dazu ist nur die Geheimtextlänge zu zählen und mit der im Spruchkopf angegebenen Zahl zu vergleichen. Gründe für in der Praxis kaum vermeidbare Verstümmelungen, die auch durch die kriegsbedingten besonderen Rahmenbedingungen erklärt werden können, sind Schreibfehler, Tastfehler, atmosphärische Störungen wie beispielsweise Gewitterblitze während der Funkübertragung, Hörfehler oder schlicht Flüchtigkeitsfehler. Ausgehende Funksprüche, die man auch durch den Eintrag im Feld „Befördert am…“ (und nicht „Aufgenommen am…“) identifizieren kann, sind naturgemäß weniger verstümmelt als die eingehenden und daher (bei gleicher Textlänge) zumeist einfacher zu knacken.


title: Enigma (Maschine)

text: Die Enigma ist in einigen Spielfilmen zu sehen, die vor dem Hintergrund des U‑Boot-Krieges spielen. Im deutschen Kinoklassiker „Das Boot“ nach dem gleichnamigen Roman wird sie zur Entschlüsselung empfangener Funksprüche benutzt. Man hört die Stimme von Herbert Grönemeyer sagen „Erst durch die Schlüsselmaschine ergibt sich aus wirren Buchstabenfolgen ganz langsam ein Sinn“, während in Großaufnahme die Enigma im Einsatz zu sehen und auch zu hören ist. Historisch nicht ganz korrekt ist hier die Verwendung einer M4, da sie erst am 1. Februar 1942 in Dienst gestellt wurde, während "das Boot" in Roman und Film seine Feindfahrt im Herbst und frühen Winter des Jahres 1941 durchführt. Somit hätte korrekterweise eine M3 gezeigt werden müssen.


title: Enigma (Maschine)

text: Im amerikanischen Film „U‑571“ wird eine Enigma durch amerikanische Seeleute von einem deutschen U‑Boot erbeutet. Speziell von britischer Seite wurde kritisiert, dass, in Verkennung der geschichtlichen Realität, hier Amerikaner als Helden bei der Erbeutung einer Enigma dargestellt werden, während es in Wirklichkeit Briten waren, denen dies gelang.


title: Enigma (Maschine)

text: Die britisch-amerikanische Gemeinschaftsproduktion „The Imitation Game – Ein streng geheimes Leben“ illustriert das Leben und die Beiträge von Alan Turing als Codeknacker in Bletchley Park. Auch hier spielt die Enigma eine zentrale Rolle. Auf Kosten der historischen Korrektheit werden im Film viele Fakten verdreht oder dramatisch überhöht dargestellt. Beispielsweise wird Turings Romanze mit seiner Kollegin Joan Clarke intensiver dargestellt als sie tatsächlich war. Turings Nichte Inagh Payne kritisierte das Drehbuch mit den Worten: „You want the film to show it as it was, not a lot of nonsense“ (deutsch: „Man will doch, dass der Film es so darstellt, wie es war, und nicht einen Haufen Unsinn“). Im Film findet Turing heraus, dass Cairncross ein Spion ist. Diesem gelingt es jedoch, Turing mit seiner damals strafbaren Homosexualität zu erpressen. So decken sie gegenseitig das Geheimnis des anderen. Diese Falschdarstellung wurde heftig kritisiert, denn so wird Turing im Film faktisch als „Landesverräter“ dargestellt. Tatsächlich stand er niemals unter diesem Verdacht. Bei aller Sympathie für Überhöhungen aus dramaturgischer Sicht wurde diese Darstellung als Herabwürdigung Turings energisch zurückgewiesen und der Film daher als untragbar eingestuft.


title: Enigma (Maschine)

text: Im britischen Spielfilm "Enigma – Das Geheimnis", der auf dem Roman "Enigma" basiert, wird die Entzifferungsarbeit der britischen "Codebreaker" in Bletchley Park thematisiert. Bemerkenswert sind die vielen authentischen Requisiten im Film, bei denen es sich um Original-Schaustücke aus dem Bletchley-Park-Museum handelt. Die diversen Funksprüche sind speziell für den Film nach den Original-Vorschriften und Verfahren wirklichkeitsgetreu erzeugt und verschlüsselt worden. Gegen Ende des Films entpuppt sich ein polnischer Codeknacker als Verräter, der versucht, das „Enigma-Geheimnis“ an die Deutschen zu verraten. Dies entspricht in zweierlei Hinsicht nicht den historischen Tatsachen. Zum einen gab es – wie bereits dargelegt – keine Verräter in Bletchley Park, die für die Deutschen spioniert hätten. Zum anderen hat dort nicht ein einziger polnischer Kryptoanalytiker mitgearbeitet, denn aus Geheimhaltungsgründen verwehrten die Briten fast allen Ausländern, selbst Marian Rejewski, den Zutritt und erst recht die Mitarbeit. Somit ist die filmische Darstellung in diesem Punkt historisch verfehlt. Kritisiert wurde insbesondere, ausgerechnet einen Polen im Film als Verräter darzustellen, obwohl es ja gerade polnische Kryptoanalytiker wie Marian Rejewski, Jerzy Różycki und Henryk Zygalski waren, die bereits vor dem Krieg die entscheidenden Grundlagen für den Einbruch in das Rätsel der Enigma schufen, ohne die es den britischen Codeknackern vermutlich nicht gelungen wäre, deutsche Funksprüche zu entziffern und der Zweite Weltkrieg einen anderen Verlauf genommen hätte.


title: Enigma (Maschine)

text: Im Zusammenhang mit der Arbeitsweise der Enigma und deren Kryptanalyse wird die folgende Fachterminologie verwendet:


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff (historisch auch "Oxygenium", kurz "Oxygen", genannt; gebildet aus „scharf, spitz, sauer“ und -gen, zusammen „Säureerzeuger, Säurebildner“) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol O. Entsprechend seiner Ordnungszahl 8 steht es an achter Stelle im Periodensystem und dort zusammen mit den Elementen Schwefel, Selen, Tellur, Polonium und Livermorium, die die Chalkogene bilden, in der sechsten Hauptgruppe, bzw. 16. IUPAC-Gruppe. Sauerstoff ist bezüglich der Masse mit 48,9 % das häufigste Element der Erdkruste, das häufigste Element der Erdhülle und mit rund 30 % das zweithäufigste Element der Erde insgesamt (Eisen ist an 1. Stelle).


title: Sauerstoff

text: Unter Normalbedingung tritt Sauerstoff in Form eines kovalenten Homodimers auf, also einer Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen und mit der Summenformel O, bezeichnet als "molekularer Sauerstoff", "Dioxygen" oder "Disauerstoff". Es ist ein farb- und geruchloses Gas, das in der Luft zu 20,942 % enthalten ist. Es ist an vielen Verbrennungs- und Korrosionsvorgängen beteiligt. Fast alle Lebewesen benötigen Sauerstoff zum Leben (in der Regel geben Pflanzen aber während der Photosynthese mehr Sauerstoff ab, als sie verbrauchen). Sie entnehmen ihn meistens durch Atmung aus der Luft oder durch Resorption aus Wasser (gelöster Sauerstoff). In hohen Konzentrationen dagegen ist er für die meisten Lebewesen giftig.


title: Sauerstoff

text: Die metastabile, energiereiche und reaktive allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O) wird Ozon genannt.


title: Sauerstoff

text: "Atomarer Sauerstoff", das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt stabil nur unter extremen Bedingungen vor, beispielsweise im Vakuum des Weltalls oder in heißen Sternatmosphären. Er hat jedoch eine wesentliche Bedeutung als reaktives Zwischenprodukt in vielen Reaktionen der Atmosphärenchemie.


title: Sauerstoff

text: Im 18. Jahrhundert haben Carl Wilhelm Scheele (um 1772, veröffentlicht 1777) in Schweden und Joseph Priestley in England (1771, öffentlich beschrieben 1774) unabhängig voneinander im Zusammenhang mit der Erforschung von Verbrennungsvorgängen den Sauerstoff entdeckt. Der Entdeckung sehr nahe kam auch Pierre Bayen (1774).


title: Sauerstoff

text: eingeführte Hypothese vom Phlogiston, das bei Verbrennungsprozessen entweichen sollte, zu Fall gebracht. Von der Steinzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine Erscheinung, die als Gabe des Himmels hingenommen wurde. Über das Wesen des Feuers entstanden verschiedene Vorstellungen durch die Naturphilosophen der Antike bis zu den Alchimisten. Das Feuer wurde auch als ein Grundstoff der Vier-Elemente-Lehre verstanden. Im 17. Jahrhundert entstand die Vorstellung eines „leichten geheimnisvollen Stoffs“. Dieses „Phlogiston“ würde aus dem brennenden Stoff entweichen, Wärme wurde als Stoff verstanden. Der deutsch-schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele stellte Versuche an. Beim Erhitzen von Braunstein (Mangandioxid) oder Kaliumpermanganat mit konzentrierter Schwefelsäure ("Vitriol") erhielt er ein farbloses Gas. Dieses Gas förderte die Verbrennung und Scheele nannte es „Feuerluft“ oder nach der Herkunft „Vitriolluft“. Er fand, dass Luft aus diesem Sauerstoff und „verdorbener Luft“ besteht. Gänzlich unabhängig konnte der Engländer Joseph Priestley zwei Jahre später durch Erhitzen von Quecksilberoxid Sauerstoffgas herstellen. Der Brite veröffentlichte seine Erkenntnisse im Jahr 1774, Scheele publizierte sein Buch "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" allerdings erst 1777.


title: Sauerstoff

text: Mit der Entdeckung des Sauerstoffs war seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Der Franzose Antoine de Lavoisier fand bei seinen Experimenten, dass bei der Verbrennung nicht Phlogiston entweicht, sondern Sauerstoff gebunden wird. Durch Wägung wies er nach, dass ein Stoff nach der Verbrennung nicht leichter, sondern schwerer war. Ursache war das zusätzliche Gewicht des während des Verbrennungsprozesses aufgenommenen Sauerstoffs. Anfangs wurde der Sauerstoff als Grundbestandteil für die Bildung von Säuren angenommen. Deshalb wurde 1779 von Lavoisier die Bezeichnung "Oxygenium" („Säurebildner“) für Sauerstoff vorgeschlagen. Tatsächlich enthalten die meisten anorganischen Säuren bei der Lösung von Nichtmetalloxiden in Wasser Sauerstoff. Die Halogene, wie Chlor und Brom, hielt man daher lange Zeit für Oxide unbekannter Elemente. Erst später wurde erkannt, dass Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich ist (Humphry Davy, ab 1808). 1883 gelang es Karol Olszewski und Zygmunt Wróblewski erstmals, Flüssigsauerstoff herzustellen.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff ist das häufigste und am weitesten verbreitete Element auf der Erde. Es kommt sowohl in der Erdatmosphäre als auch in der Lithosphäre, der Hydrosphäre und der Biosphäre vor. Sauerstoff hat einen Massenanteil von 50,5 % an der Erdhülle (bis 16 km Tiefe, einschließlich Hydro- und Atmosphäre). An der Luft beträgt sein Massenanteil 23,16 % (Volumenanteil: 20,95 %), im Wasser 88,8 % (im Meerwasser allerdings nur 86 %, da dort größere Mengen nichtsauerstoffhaltiger Salze, z. B. Natriumchlorid, gelöst sind).


title: Sauerstoff

text: Zumeist kommt Sauerstoff in seinen Verbindungen auf und in der Erde vor. In der Erdhülle sind neben Wasser fast alle Minerale und damit Gesteine sauerstoffhaltig. Zu den wichtigsten Sauerstoff enthaltenden Mineralen zählen Silicate wie Feldspate, Glimmer und Olivine, Carbonate wie das Calciumcarbonat im Kalkstein sowie Oxide wie Siliciumdioxid als Quarz.


title: Sauerstoff

text: Im elementarem Zustand befindet sich Sauerstoff in Form von O gasförmig in der Atmosphäre und gelöst in Gewässern. Die Menge des relativ reaktionsfreudigen elementaren Sauerstoffs bleibt auf Dauer nur konstant, weil Sauerstoff produzierende Pflanzen so viel nachliefern, wie von aerob atmenden Lebewesen sowie durch andere Verbrennungsprozesse wieder verbraucht wird. Ohne diesen biologischen Kreislauf würde Sauerstoff nur in Verbindungen vorkommen, elementarer Sauerstoff existiert also in einem Fließgleichgewicht. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre ist im Artikel Entwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Das Sauerstoff-Allotrop O Ozon ist in der Atmosphäre nur in geringer Konzentration vorhanden.


title: Sauerstoff

text: Im Weltall ist Sauerstoff nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element. Der Massenanteil von Sauerstoff beträgt im Sonnensystem etwa 0,8 % (dies entspricht einem (Atom-)Anzahlanteil von etwa 500 ppm).


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff ist "nicht" in der primordialen Nukleosynthese entstanden, entsteht aber in verhältnismäßig großen Mengen in Riesensternen durch Heliumbrennen. Dabei wird zunächst aus drei Heliumkernen C gebildet (Drei-Alpha-Prozess), das anschließend mit einem weiteren Heliumkern zu O fusioniert. O wird durch Fusion eines He- mit einem N-Kern gebildet. Auch in so genannten Hauptreihensternen wie der Sonne spielt Sauerstoff bei der Energiegewinnung eine Rolle. Beim CNO-Zyklus (Bethe-Weizsäcker-Zyklus) stellt Sauerstoff ein Zwischenprodukt der Kernreaktion dar, bei der durch Protoneneinfang eines C-Kerns, der als Katalysator wirkt, ein He-Kern (Alpha-Teilchen) entsteht. In extrem schweren Sternen kommt es in der Spätphase ihrer Entwicklung zum Sauerstoffbrennen, bei dem der Sauerstoff als nuklearer Brennstoff für Reaktionen dient, die zum Aufbau noch schwererer Kerne führen.


title: Sauerstoff

text: Die meisten Weißen Zwerge, die nach Stand der Theorie den Endzustand von 97 % aller Sterne darstellen, bestehen neben Helium und Kohlenstoff zu einem großen Teil aus Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: Technisch wird Sauerstoff heute fast ausschließlich durch Rektifikation von Luft gewonnen. Das Verfahren wurde 1902 zunächst von Carl von Linde entwickelt (Linde-Verfahren) und von Georges Claude wirtschaftlich rentabel gestaltet. Technisch unbedeutende Mengen ergeben sich als Nebenprodukt bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser.


title: Sauerstoff

text: Zur Sauerstoffgewinnung nach dem Claude-Verfahren wird Luft mit Hilfe von Verdichtern auf 5–6 bar verdichtet, abgekühlt und dann zunächst durch Filter von Kohlenstoffdioxid, Luftfeuchtigkeit und anderen Gasen befreit. Die verdichtete Luft wird durch vorbeiströmende Gase aus dem Prozess auf eine Temperatur nahe dem Siedepunkt abgekühlt. Danach wird sie in Turbinen expandiert. Dabei kann ein Teil der zur Kompression eingesetzten Energie wieder zurückgewonnen werden. Dadurch wird das Verfahren – im Gegensatz zum Linde-Verfahren, bei dem keine Energie zurückgewonnen wird – deutlich wirtschaftlicher.


title: Sauerstoff

text: Die eigentliche Trennung von Stickstoff und Sauerstoff erfolgt durch Destillation in zwei Rektifikationskolonnen mit unterschiedlichen Drücken. Die Destillation erfolgt dabei im Gegenstromprinzip, das heißt durch die Kondensationswärme verdampftes Gas strömt nach oben, kondensierte Flüssigkeit tropft nach unten. Da Sauerstoff einen höheren Siedepunkt als Stickstoff besitzt, kondensiert er leichter und sammelt sich so am Boden, Stickstoff am Kopf der Kolonne. Die Trennung erfolgt zunächst bei 5–6 bar in der sogenannten Mitteldruckkolonne. Die dabei entstehende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird anschließend in der Niederdruckkolonne (Druck etwa 0,5 bar) weiter getrennt. Durch den flüssigen Sauerstoff der Niederdruckkolonne wird gasförmiger Stickstoff der Hochdruckkolonne geleitet. Dabei verflüssigt sich dieser und erwärmt mit der abgegebenen Kondensationswärme die Flüssigkeit. Der leichter flüchtige Stickstoff wird bevorzugt abgegeben und es bleibt gereinigter flüssiger Sauerstoff zurück. Dieser enthält noch die Edelgase Krypton und Xenon, die in einer separaten Kolonne abgetrennt werden.


title: Sauerstoff

text: Um mittlere oder kleine Mengen Sauerstoff zu produzieren, kann Sauerstoff aus der Luft durch Druckwechsel-Adsorption von anderen Gasen getrennt werden. Dazu strömt Luft durch Molekularsiebe, wobei Stickstoff und Kohlenstoffdioxid adsorbiert werden und nur Sauerstoff und Argon hindurch gelangen. Dies wird im überwiegend medizinisch verwendeten Sauerstoffkonzentrator genutzt.


title: Sauerstoff

text: Ein älteres Verfahren ist das auf chemischen Reaktionen beruhende Bariumoxid-Verfahren. Es ist infolge des hohen Energieaufwandes unwirtschaftlich. Dafür wird Bariumoxid unter Luftzufuhr auf 500 °C erhitzt, wobei sich Bariumperoxid bildet. Beim Erhitzen auf 700 °C wird der zuvor aufgenommene Sauerstoff durch Thermolyse wieder freigesetzt. Vor Entwicklung des Linde-Verfahrens war dieses Verfahren die einzige Möglichkeit, reinen Sauerstoff darzustellen.


title: Sauerstoff

text: Einige sauerstoffreiche anorganische Verbindungen wie Kaliumpermanganat, Kaliumnitrat (Salpeter), Kaliumchlorat und Kaliumchromat geben bei Erwärmung oder Reaktion mit Reduktionsmitteln Sauerstoff ab.


title: Sauerstoff

text: Eine weitere Möglichkeit, Sauerstoff im Labor zu erzeugen, ist die Zersetzung von Wasserstoffperoxid an platinierter Nickelfolie.


title: Sauerstoff

text: Reinen Sauerstoff kann man mittels Elektrolyse von 30%iger Kalilauge an Nickelelektroden erhalten. Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander.


title: Sauerstoff

text: Molekularer Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei 90,15 K (−183 °C) zu einer bläulichen Flüssigkeit kondensiert. In dicken Schichten zeigt gasförmiger und flüssiger Sauerstoff eine blaue Farbe. Unterhalb von 54,4 K (−218,75 °C) erstarrt Sauerstoff zu blauen Kristallen. Im Feststoff liegen paramagnetische O-Moleküle mit einem O–O-Abstand von 121 pm (Doppelbindung) vor. Das Element kommt fest in mehreren Modifikationen vor. Zwischen 54,4 K und 43,8 K liegt Sauerstoff in der kubischen γ-Modifikation und zwischen 43,8 K und 23,9 K in einer rhomboedrischen β-Modifikation vor. Unterhalb von 23,9 K ist schließlich die monokline α-Modifikation am stabilsten. Es ist – im Gegensatz zu anderen Nichtmetallen – paramagnetisch und besitzt diradikalischen Charakter. Der Tripelpunkt liegt bei 54,36 K (−218,79 °C) und 0,1480 kPa. Der kritische Punkt liegt bei einem Druck von 50,4 bar und einer Temperatur von 154,7 K (−118,4 °C). Die kritische Dichte beträgt 0,436 g/cm. Die Dichte als Flüssigkeit bei Normaldruck beträgt 1,142 g/cm.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff ist in Wasser wenig löslich. Die Löslichkeit ist abhängig vom Druck und der Temperatur. Sie steigt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck. Bei 0 °C lösen sich aus Luft unter Normaldruck (Sauerstoffpartialdruck von 212 hPa) im Gleichgewicht 14,16 mg/l Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: In der Sauerstoff-Gasentladungs-Spektralröhre werden die Molekülorbitale des Sauerstoffs zum Leuchten angeregt. Die Betriebsbedingungen sind dabei ein Druck von ca. 5–10 mBar, eine Hochspannung von 1,8 kV, eine Stromstärke von 18 mA und eine Frequenz von 35 kHz. Bei der Rekombination der ionisierten Gasmoleküle wird das charakteristische Farbspektrum abgestrahlt. Hierbei wird zum kleinen Teil, bedingt durch die Zuführung von Energie, reversibel Ozon gebildet.


title: Sauerstoff

text: Die Bindung und die Eigenschaften des Sauerstoff-Moleküls können sehr gut mit dem Molekülorbital-Modell erklärt werden. Dabei werden die s- und p-Atomorbitale der einzelnen Atome zu bindenden und antibindenden Molekülorbitalen zusammengesetzt. Die 1s- und 2s-Orbitale der Sauerstoffatome werden jeweils zu σ und σ*- bindenden und antibindenden Molekülorbitalen. Da diese Orbitale vollständig mit Elektronen gefüllt sind, tragen sie nicht zur Bindung bei. Aus den 2p-Orbitalen werden insgesamt sechs Molekülorbitale mit unterschiedlichem Energieniveau. Dies sind die bindenden σ-, π- und π- sowie die entsprechenden antibindenden σ*-, π*- und π*-Molekülorbitale.


title: Sauerstoff

text: Die π-Orbitale besitzen dabei gleiche Energie. Werden Elektronen in die Molekülorbitale verteilt, kommt es zur folgenden Aufteilung der acht p-Elektronen: sechs füllen die bindenden und zwei in die antibindenden π*-Orbitale; die Bindungsordnung beträgt also (6–2)/2 = 2. Diese beiden bestimmen als Valenzelektronen die Eigenschaften des O-Moleküls. Sauerstoff besitzt für die Verteilung dieser Elektronen insgesamt drei erlaubte und energetisch erreichbare quantenmechanische Zustände.


title: Sauerstoff

text: Im Grundzustand sind die Spins der beiden Valenzelektronen der Hundschen Regel gehorchend parallel angeordnet. Es handelt sich also um einen Triplett-Zustand mit dem Termsymbol Σ. Er ist der Zustand mit der niedrigsten Energie. Durch die beiden ungepaarten Elektronen sind die zwei π*-Orbitale nur halb besetzt. Diese verursacht einige charakteristische Eigenschaften, wie den diradikalischen Charakter und den Paramagnetismus des Sauerstoff-Moleküls.


title: Sauerstoff

text: Trotz der formalen Bindungsordnung „zwei“ lässt sich keine entsprechende korrekte Valenzstrichformel für O angeben. <O=O> bringt den Doppelbindungscharakter zum Ausdruck, ignoriert aber sowohl die besetzten antibindenden Orbitale als auch den Radikalcharakter. Die Schreibweise ·O̲̅-O̲̅· wird verwendet, um die biradikalischen Eigenschaften hervorzuheben, deutet jedoch nur eine Bindungsordnung von eins an. Um die Bindungsordnung zwei und den radikalischen Charakter anzudeuten, sollte die Darstellung <O÷O> mit Radikalpunkten auf dem Bindungsstrich verwendet werden.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff besitzt zwei unterschiedliche angeregte Zustände, die beide eine deutlich größere Energie als der Grundzustand besitzen. Bei beiden Zuständen sind die Spins der Elektronen entgegen der Hundschen Regel antiparallel ausgerichtet. Der stabilere angeregte Sauerstoff wird nach der quantenmechanischen Bezeichnung für diesen Zustand auch Singulett-Sauerstoff (O) genannt. Die beiden Singulett-Zustände unterscheiden sich dadurch, ob sich die beiden Elektronen in einem (Termsymbol: Δ) oder beiden π*-Orbitalen (Termsymbol: Σ) befinden. Der Σ-Zustand ist energetisch ungünstiger und wandelt sich sehr schnell in den Δ-Zustand um. Der Σ-Zustand ist diamagnetisch, der energetisch stabilere Δ-Zustand zeigt jedoch aufgrund des vorhandenen Bahnmomentes (die der Projektion des Bahndrehimpulses auf die Kern-Kern-Verbindungsachse entsprechende Quantenzahl – symbolisiert durch Σ, Π, Δ etc. – hat im Δ-Zustand den Wert ±2) Paramagnetismus vergleichbarer Stärke wie der von Triplett-Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: Die Bildung von Singulett-Sauerstoff ist auf verschiedenen Wegen möglich: sowohl photochemisch aus Triplett-Sauerstoff, als auch chemisch aus anderen Sauerstoffverbindungen. Eine direkte Gewinnung aus Triplett-Sauerstoff durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht) ist allerdings aus quantenmechanischen Gründen, in Form der Auswahlregeln für die Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung, ausgeschlossen. Eine Möglichkeit, dieses Verbot zu umgehen, ist die gleichzeitige Bestrahlung mit Photonen und Kollision zweier Moleküle. Durch diesen unwahrscheinlichen Vorgang, der in der flüssigen Phase wahrscheinlicher ist, entsteht die blaue Farbe des flüssigen Sauerstoffs (Absorption im roten Spektralbereich). Auch mit Hilfe geeigneter Farbstoffe, wie Methylenblau oder Eosin, lässt sich auf photochemischem Weg Singulett-Sauerstoff darstellen. Chemisch wird er aus Peroxiden gewonnen. Bei der Umsetzung von Wasserstoffperoxid mit Natriumhypochlorit entsteht zunächst die instabile Peroxohypochlorige Säure, die schnell in Chlorwasserstoff bzw. Chlorid und Singulett-Sauerstoff zerfällt. Experimentell kann man auch Chlor in eine alkalische Wasserstoffperoxidlösung einleiten, wobei dann zunächst Hypochlorit entsteht, das dann weiter reagiert. Der Singulett-Sauerstoff reagiert schnell mit Emissionen im roten Bereich bei 633,4 nm und 703,2 nm zu Triplett-Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: Diese Form von Sauerstoff ist ein starkes und selektives Oxidationsmittel und wird in der organischen Chemie häufig verwendet. So reagiert er im Gegensatz zu normalen Sauerstoff mit 1,3-Dienen in einer <nowiki>[4+2]</nowiki>-Cycloaddition zu Peroxiden. Mit Alkenen und Alkinen reagiert Singulett-Sauerstoff in einer <nowiki>[2+2]</nowiki>-Cycloaddition.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff reagiert mit den meisten anderen Elementen direkt und bildet Oxide. Es gibt einige Ausnahmen, insbesondere unter den Nichtmetallen und Edelmetallen. Mit einigen Elementen, zum Beispiel Kohlenstoff und Schwefel, reagiert Sauerstoff nur bei hohen Temperaturen. Bei der Verbrennung wird sehr viel Energie frei und es entstehen Flammen.


title: Sauerstoff

text: Mit Stickstoff sind Reaktionen nur unter speziellen Bedingungen, etwa bei Blitzen, aber auch im Verbrennungsmotor möglich. Dabei entstehen Stickoxide. Fluor bildet nur bei tiefen Temperaturen unter elektrischen Entladungen die instabile Verbindung Disauerstoffdifluorid (OF).


title: Sauerstoff

text: Das edelste Metall Gold, die Halogene Chlor, Brom und Iod, sowie die Edelgase reagieren nicht direkt mit Sauerstoff. Einige weitere Edelmetalle wie Platin und Silber reagieren nur schlecht mit Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: Elementarer, gasförmiger Sauerstoff ist relativ reaktionsträge, viele Reaktionen finden bei Normalbedingungen gar nicht oder nur langsam statt. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Reaktionen mit anderen Stoffen kinetisch gehemmt sind. Zur Reaktion werden entweder eine hohe Aktivierungsenergie oder sehr reaktive Radikale benötigt. Diese Barriere kann durch Temperaturerhöhung, Licht oder Katalysatoren, beispielsweise Platin, überschritten werden. Zusätzlich wird bei vielen Metallen die Reaktion dadurch gehindert, dass das Material mit einer dünnen Metalloxidschicht überzogen ist und dadurch passiviert wird. Bei einigen Reaktionen wie der Knallgasreaktion reichen wenige Radikale für eine Reaktion aus, da diese nach einem Kettenreaktions-Mechanismus weiterreagieren.


title: Sauerstoff

text: Deutlich stärker oxidierend als gasförmiger Sauerstoff wirkt trotz der tiefen Temperaturen flüssiger Sauerstoff. In diesem bildet sich der reaktive Singulett-Sauerstoff leicht. Auch in Gegenwart von Wasser oder Wasserdampf verlaufen viele Oxidationen mit Sauerstoff leichter.


title: Sauerstoff

text: Reaktionen mit Sauerstoff sind fast immer Redox-Reaktionen, bei denen Sauerstoff in der Regel zwei Elektronen aufnimmt und so zum Oxid reduziert wird. Das Element zählt somit zu den Oxidationsmitteln. Häufig verlaufen diese Reaktionen bedingt durch die große freiwerdende Bindungs- oder Gitterenergie unter starker Wärmeabgabe. Es gibt auch explosionsartig verlaufende Reaktionen, wie die Knallgasreaktion oder Staubexplosionen von feinverteilten Stoffen in Luft oder reinem Sauerstoff.


title: Sauerstoff

text: Neben dem in diesem Artikel beschriebenen Disauerstoff O bildet Sauerstoff mehrere Allotrope, die nach der Anzahl Sauerstoffatome zu unterscheiden sind. Das wichtigste Allotrop ist dabei Ozon O, daneben sind die selteneren Allotrope Tetrasauerstoff (O) und Oktasauerstoff (O) bekannt.


title: Sauerstoff

text: Ozon (O) ist ein blaues, charakteristisch riechendes Gas, das aus drei Sauerstoff-Atomen besteht. Es ist instabil, sehr reaktiv und ein starkes Oxidationsmittel. Gebildet wird es aus molekularem Sauerstoff und Sauerstoff-Atomen, aber auch z. B. durch Reaktion von Stickstoffdioxid mit Sauerstoff unter UV-Strahlung.


title: Sauerstoff

text: Aufgrund seiner hohen Reaktivität ist es in Bodennähe der menschlichen Gesundheit eher abträglich – in der Ozonschicht der Erdatmosphäre dagegen spielt das Ozon eine wichtige Rolle bei der Absorption der auf die Erde treffenden UV-Strahlung.


title: Sauerstoff

text: Eine Hochdruckphase des Sauerstoffs entsteht bei Drücken größer 10 GPa als roter Feststoff. Nach kristallographischen Untersuchungen wird angenommen, dass es sich um Oktasauerstoff O-Ringe handelt. Daneben existiert Tetrasauerstoff als ein sehr seltenes und instabiles Allotrop des Sauerstoffs. Es konnte 2001 im Massenspektrometer nachgewiesen werden. In geringer Konzentration kommt es in flüssigem Sauerstoff vor.


title: Sauerstoff

text: Das häufigste stabile Sauerstoffisotop ist O (99,76 %), daneben kommt noch O (0,20 %) sowie O (0,037 %) vor. Neben den stabilen Sauerstoffisotopen sind noch insgesamt 13 instabile, radioaktive Nuklide von O bis O bekannt, die nur künstlich herstellbar sind. Ihre Halbwertszeiten betragen meist nur Millisekunden bis Sekunden, O besitzt dabei mit zwei Minuten die längste Halbwertszeit und wird häufig in der Positronen-Emissions-Tomographie verwendet.


title: Sauerstoff

text: Als einziges stabiles Isotop besitzt das seltene O einen Kernspin von / und kann damit für NMR-Untersuchungen verwendet werden. Die anderen stabilen Isotope besitzen den Kernspin 0 und sind damit NMR-inaktiv.


title: Sauerstoff

text: Wassermoleküle mit dem um 12 % leichteren O verdunsten schneller. Deshalb müssen Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an O aus wärmeren Zeiten stammen, da nur bei der starken Verdunstung wärmerer Perioden vermehrt O-Wasser mit zur Wolkenbildung beiträgt. Je höher die globale Temperatur ist, desto weiter können mit schweren Sauerstoffisotopen beladene Wolken in die Polarregionen vordringen, ohne vorher abzuregnen.


title: Sauerstoff

text: In kälteren Perioden befindet sich mehr O in Meeressedimenten. Meereis besteht hauptsächlich aus den leichteren Wassermolekülen aus O. Wenn es in einer Kaltphase zu einer starken Neubildung von Meereis kommt, bleibt vermehrt Meerwasser aus O zurück, welches durch die permanente Einlagerung von Sauerstoff in die Kalkschalen der Meerestiere (Calciumcarbonat) verstärkt in Sedimentschichten dieser Zeit nachweisbar ist. Auch gibt es regionale Unterschiede in der O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle.


title: Sauerstoff

text: Durch eine Isotopenuntersuchung von Eisbohrkernen oder Sedimentproben und die Bestimmung des O-/O-Verhältnisses mit Hilfe eines Massenspektrometers lassen sich Informationen über die Durchschnittstemperatur und damit die Klimaerwärmung und -abkühlung in früheren Zeiten gewinnen.


title: Sauerstoff

text: Daneben kann durch Bestimmung der Zahl der Oszillationen zwischen warm (Sommer) und kalt (Winter) das Alter des Bohrkerns exakt bestimmt werden.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff wird für industrielle Verbrennungs-, Oxidations- und Heizprozesse, in der Medizin und in Luft- und Raumfahrt verwendet.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff zur Anwendung in der Humanmedizin unterliegt aufgrund gesetzlicher Regelungen einer strengen Kontrolle. Der in weiß gekennzeichneten Flaschen abgefüllte medizinische Sauerstoff gilt in Deutschland als Fertigarzneimittel im Sinne des Arzneimittelgesetzes (AMG).


title: Sauerstoff

text: Vorsicht ist bei der Sauerstoffgabe geboten, wenn Patienten an einer chronischen Lungenerkrankung (siehe COPD) mit erhöhtem CO-Partialdruck leiden. Bei ihnen kann das plötzliche „Überangebot“ an Sauerstoff zu einer CO-Narkose mit Atemstillstand führen.


title: Sauerstoff

text: Verletzungen und viele Erkrankungen der Lunge sowie einige Herzkrankheiten und insbesondere Schockzustände können zu einem Sauerstoffmangel (Hypoxie) in den Schlagadern (Arterien) und im Gewebe lebenswichtiger Organe führen. Aus diesem Grund wird Patienten in der Notfall- und Intensivmedizin sehr häufig zusätzlicher Sauerstoff verabreicht. Bei selbstständig atmenden Patienten wird die Umgebungsluft mit Hilfe verschiedener Sonden und Masken mit Sauerstoff angereichert, bei künstlich beatmeten Patienten wird der Sauerstoff im Beatmungsgerät zugemischt. Der Effekt der Sauerstoffanreicherung im Blut ist mit Hilfe der Pulsoxymetrie oder anhand von Blutgasanalysen messbar.


title: Sauerstoff

text: Bei Krankheiten mit einem schweren chronischen Sauerstoffmangel im Blut werden durch eine langfristige und täglich mehrstündige Zufuhr von Sauerstoff (Sauerstoff-Langzeittherapie) sowohl die Lebensqualität als auch die Überlebensdauer verbessert. Der reine Sauerstoff kann bei der Beatmung zu Problemen wegen Verdrängens des Kohlenstoffdioxid aus den Gefäßen sowie zur unerwünschten Erhöhung der Hirnaktivität in Hypothalamus, der Insula sowie im Hippocampus führen. Diese negativen Folgen werden durch den Zusatz von Kohlenstoffdioxid vermieden.


title: Sauerstoff

text: Nach den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation ist das Einatmen von Sauerstoff zur Behandlung von Cluster-Kopfschmerz-Attacken geeignet. Die Anwendung von hochkonzentriertem Sauerstoff mittels spezieller Maskensysteme lindert die Beschwerden in der Regel innerhalb von Minuten effektiv.


title: Sauerstoff

text: Industriell verwendet wird Sauerstoff hauptsächlich in der Metallurgie zur Herstellung von Roheisen und Stahl, sowie bei der Kupfer-Raffination. Reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft dient hier einerseits zum Erreichen hoher Temperaturen, andererseits zum Frischen des Rohstahls, d. h. zum Entfernen unerwünschter Beimengungen von Kohlenstoff, Silicium, Mangan und Phosphor, die oxidiert und abgetrennt werden. Reiner Sauerstoff hat im Vergleich zu Luft den Vorteil, dass kein Stickstoff in die Schmelze eingetragen wird. Stickstoff hat einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl (siehe auch Thomas-Verfahren).


title: Sauerstoff

text: In chemischen Prozessen wird Sauerstoff meist zur Oxidation von verschiedenen Grundstoffen, wie bei der Olefin-Oxidation von Ethen zu Ethylenoxid und bei der teilweisen (partiellen) Oxidation von Schweröl und Kohle verwendet. Benötigt wird Sauerstoff außerdem zur Erzeugung von Wasserstoff- und Synthesegas und der Herstellung von Schwefel- und Salpetersäure. Weitere durch Oxidation mit Sauerstoff hergestellte wichtige Produkte sind Acetylen (Ethin), Acetaldehyd, Essigsäure, Vinylacetat und Chlor.


title: Sauerstoff

text: Verschiedene Brenngase (Propan, Wasserstoff, Ethin u. a.) erzielen erst durch Mischen mit Sauerstoff ausreichend heiße und rußfreie Flammen zum Schweißen und Hartlöten oder Erschmelzen und Formbarmachen von Glas. Nach Aufheizen und Zünden erfolgt das Schneiden von Beton mit einer (selbst abbrennenden) Sauerstofflanze oder das Brennschneiden von Eisen alleine durch einen scharfen Sauerstoffstrahl.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff wird ebenso verwendet zur Darstellung von Ozon, als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen und in der Halbleitertechnik. In der Raketentechnik wird flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX "(liquid oxygen)" abgekürzt.


title: Sauerstoff

text: In der Umwelttechnik werden Abwässer durch Einleitung von Sauerstoffgas schneller durch Bakterien von organischen Schadstoffen und Giften befreit. In vielen Trinkwasserwerken dient die Trinkwasseraufbereitung mit Ozon (Ozonierung) zur Oxidation von organischen Stoffen oder etwa Eisen und der Entkeimung und kann zu einer deutlich besseren Reinigungswirkung der Filteranlagen führen.


title: Sauerstoff

text: Für die Lebensmitteltechnik ist Sauerstoff als Lebensmittelzusatzstoff als E 948 zugelassen und wird – neben Stickstoff, Kohlendioxid und Lachgas als Treibgas, Packgas, Gas zum Aufschlagen von Sahne (Schlagobers) u. ä. verwendet.


title: Sauerstoff

text: In der Wellness- und Lebensmittelindustrie wird gelegentlich für Produkte geworben, die mit Sauerstoff angereichert seien. So wird etwa abgepacktes Wasser verkauft, das einen erhöhten Sauerstoffgehalt haben soll. Eine positive Wirkung auf Gesundheit und Wohlbefinden ist nicht zu erwarten, denn Sauerstoff löst sich nur in geringer Menge in Wasser und wird in vielen Größenordnungen mehr – nämlich mit jedem Atemzug – über die Lunge als via Magen aufgenommen.


title: Sauerstoff

text: Die Zink-Luft-Zelle ist ein Primärelement, das Luft aus der umgebenden Atmosphäre aufnimmt und den Sauerstoff chemisch mit dem Metall Zink umsetzt, um elektrische Spannung und Strom zu erzeugen. Der Vorzug dieses Batterietyps ist, dass er seine relativ hohe Energiedichte (bei geringer Stromentnahme) über einen ausgedehnten Zeitraum erstreckt abgeben kann. Das Verschlossenhalten der Ventilationsöffnung etwa durch einen Klebstreifen (Siegel) vor Gebrauch hilft die Alterung der Zelle bei Lagerung zu reduzieren. Gut faustgroße quaderförmige Zellen dieses Typs im Kunststoffgehäuse wurden um 1980 in Blinkleuchten zur Baustellenabsicherung eingesetzt und sind bis heute als Knopfzellen für Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte üblich.


title: Sauerstoff

text: Forschung und Entwicklung gehen auch in Richtung Metall-Sauerstoff-Akkus auf Basis von Alkalimetallen. Ziel ist es, die Energiedichte (Wattstunden pro Masse) von Lithium-Ionen-Akkus zu übertreffen.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff befindet sich in der Natur in einem steten Kreislauf. Er wird ständig von autotrophen Lebewesen wie Cyanobakterien („Blaualgen“), Algen und Pflanzen bei der oxygenen Photosynthese durch Photolyse aus Wasser freigesetzt. Er ist ein Endprodukt dieser biochemischen Reaktion und wird an die Umwelt abgegeben. Cyanobakterien waren wahrscheinlich die ersten Organismen, die molekularen Sauerstoff als Abfallprodukt in der Atmosphäre anreicherten. Zuvor existierte eine praktisch sauerstofffreie, anaerobe Atmosphäre auf der Erde.


title: Sauerstoff

text: Die meisten aeroben Organismen, darunter die meisten Eukaryoten, einschließlich des Menschen und der Pflanzen, und viele Bakterien, benötigen diesen Sauerstoff zum Leben. Eukaryoten brauchen ihn zur Energiegewinnung durch Oxidation in den Mitochondrien. Der Sauerstoff wird dabei in der Atmungskette wieder zu Wasser reduziert. Die Oxygenierung von Stoffwechselprodukten mithilfe von Enzymen (Oxygenasen) wird oft beim Abbau von Stoffen angewendet. Die Reaktion benötigt Sauerstoff und findet in allen aeroben Lebewesen statt.


title: Sauerstoff

text: Da Sauerstoff und einige seiner Verbindungen sehr reaktiv sind und Zellstrukturen zerstören können, besitzen Organismen Schutzenzyme wie Katalase und Peroxidase. Für Organismen, denen diese Enzyme fehlen, aber auch für Menschen bei zu hoher Konzentration wirkt Sauerstoff toxisch. Beim Abbau des Sauerstoffs entstehen reaktive Sauerstoffspezies, wie freie Radikale, die ebenfalls biologische Moleküle zerstören können. Werden sie nicht schnell genug abgefangen, entsteht sogenannter oxidativer Stress, der für Alterungsprozesse verantwortlich gemacht wird.


title: Sauerstoff

text: In den Phagozyten (Fresszellen) des Immunsystems dienen diese reaktiven Sauerstoffspezies (Wasserstoffperoxid und Hyperoxidionen) neben Enzymen dazu, aufgenommene Krankheitserreger zu zerstören.


title: Sauerstoff

text: Wird reiner Sauerstoff oder Luft mit einem höheren Sauerstoffanteil über längere Zeit eingeatmet, kann es zur Vergiftung der Lunge, dem sogenannten Lorrain-Smith-Effekt kommen. Dabei werden die Lungenbläschen (Lungenalveolen) durch Anschwellen in ihrer normalen Funktion gehindert.


title: Sauerstoff

text: Der Paul-Bert-Effekt bezeichnet eine Sauerstoffvergiftung des Zentralnervensystems. Diese kann bei Hochdruckatmung jeglicher Sauerstoff-Stickstoff-Gemische auftreten, das Risiko erhöht sich jedoch mit Erhöhung des Sauerstoffanteils und des Gesamtdrucks. Bei Sauerstoff-Teildrücken oberhalb 1,6 bar kommt es innerhalb relativ kurzer Zeit zu einer Vergiftung. Dies spielt beispielsweise beim Tauchen eine Rolle, da es die maximale Tauchtiefe abhängig vom Sauerstoffpartialdruck begrenzt.


title: Sauerstoff

text: In der Raumfahrt wird beispielsweise in Raumanzügen reiner Sauerstoff geatmet, allerdings unter stark vermindertem Druck, um gesundheitliche Folgen zu minimieren und weil der Raumanzug unter normalem Druck zu steif würde.


title: Sauerstoff

text: Hyperoxidanionen (alte Bezeichnung: Superoxidanionen) sind einfach negativ geladene und radikalische Sauerstoffionen (O), die durch Elektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff entstehen. Diese sind äußerst reaktiv. Mitunter werden sie als Nebenprodukt des Stoffwechsels (Metabolismus) wie durch Nebenreaktionen bei einigen Oxidasen (Xanthin-Oxidase) gebildet. Hyperoxidanionen entstehen ebenfalls beim Photosynthese-Komplex I und als Nebenprodukt der Atmungskette ("mitochondriale Atmung"). Xenobiotika und cytostatische Antibiotika fördern dabei ihre Entstehung. Beim Auftreten einer Entzündung wird durch eine membranständige NADPH-abhängige Oxidase Hyperoxidanionen ins extrazelluläre Milieu abgegeben. Sie führen zu oxidativem Stress. Beispielsweise kommt es beim Fettsäureabbau in den Peroxisomen zur Übertragung von Elektronen von FADH auf molekularen Sauerstoff. Die entstandenen Hyperoxidanionen können zum Zellgift Wasserstoffperoxid weiterreagieren. Beim Ablauf der Atmungskette entstehen diese radikalischen Sauerstoffspezies in geringen Mengen. Es bestehen Vermutungen, dass die Erbgutschädigungen, die solche Sauerstoffspezies hervorrufen, an Alterungsprozessen beteiligt sind. Es ist daher für den Organismus von essentieller Bedeutung, diese Hyperoxidanionen zügig abzubauen. Dies geschieht mittels der Superoxid-Dismutase.


title: Sauerstoff

text: Gelöster Sauerstoff oxidiert zweiwertiges Mangan zu höheren Oxidationsstufen. Dieses wird nach der Methode von Winkler durch Iodid wieder vollständig reduziert. Die Stoffmenge des dabei gebildeten Iods steht in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1:2 zu der Stoffmenge des ursprünglich gelösten Sauerstoffs und kann iodometrisch mit Thiosulfat rücktitriert werden.


title: Sauerstoff

text: Die zur Verbrennungssteuerung von Otto-Motoren verwendete Lambdasonde misst den Sauerstoffgehalt im Autoabgas in Bezug zum O-Gehalt in der Umgebungsluft. Dazu wird der Abgasstrom durch ein Yttrium-dotiertes Zirconiumdioxidröhrchen geleitet, welches innen und außen mit Platinelektroden versehen ist. Dabei steht die äußere Elektrode in Kontakt mit der Umgebungsluft. Unterschiedliche O-Partialdrücke an den Elektroden führen zu einer elektrischen Potentialdifferenz, die gemessen wird. Die Vorteile dieser Messtechnik liegen in der niedrigen Nachweisgrenze von wenigen ppm und der großen Betriebstemperaturspanne (300 °C bis 1500 °C).


title: Sauerstoff

text: Die Clark-Elektrode ist ein amperometrischer Sensor zur elektrochemischen Bestimmung von gelöstem, gasförmigem Sauerstoff. Platin- und Ag/AgCl-Referenzelektrode befinden sich in einem Elektrolytsystem, welches durch eine gaspermeable Teflonmembran von der Probelösung getrennt ist. Gelöster Sauerstoff kann durch die Membran in die Elektrolytlösung diffundieren und wird in einem Potentialbereich von −600 mV bis −800 mV kathodisch reduziert. Der gemessene Strom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration in der Probelösung.


title: Sauerstoff

text: Bei den optischen Methoden bedient man sich der Tatsache, dass Sauerstoff die Fluoreszenz von angeregten Molekülen zu löschen vermag. Auf Basis von fluoreszenten Übergangsmetallkomplexen wurden sog. Optroden entwickelt, die den Sauerstoffgehalt über die Fluoreszenzlöschung von Sondenmolekülen bestimmen. Als Sondenmoleküle kommen häufig Metall-Liganden-Komplexe zum Einsatz. Als Metallionen haben sich Ru(II), Ir(II), Pt(II) und Pd(II) bewährt, als Liganden verschiedene Bipyridine, Phenanthroline und (fluorierte) Porphyrine. Die Sonden werden in Polymermatrices eingebettet. Die Anregung erfolgt zumeist mit LEDs oder Laserdioden. Man unterscheidet zwischen punktuellen Messungen z. B. mittels optischer Lichtleiterfasern und bildgebenden Messverfahren mittels planarer Sensorfilme. Mit Optroden konnten Nachweisgrenzen von 5 ppbv (O, ≈ 5,1 · 10 hPa) erzielt werden, was einer Konzentration in Wasser von 7 pM entspricht.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff bildet Verbindungen mit fast allen Elementen – außer mit den Edelgasen Helium, Neon und Argon. Da Sauerstoff sehr elektronegativ ist, kommt es in fast allen seinen Verbindungen in den Oxidationsstufen −II vor, nur in Peroxiden −I. Diese Ionen werden auch als Closed-shell-Ionen bezeichnet. Peroxide sind meist instabil und gehen leicht in Oxide über.


title: Sauerstoff

text: Positive Oxidationszahlen besitzt Sauerstoff nur in Verbindungen mit dem noch elektronegativeren Element Fluor, mit dem es Verbindungen mit der Oxidationsstufe +I (Disauerstoffdifluorid OF) und +II (Sauerstoffdifluorid OF) bildet. Da bei ihnen die negative Polarisierung beim Fluor vorliegt, werden diese nicht als Oxide, sondern als Fluoride, genauer gesagt Sauerstofffluoride, bezeichnet.


title: Sauerstoff

text: Neben den Oxidverbindungen tritt Sauerstoff noch in ionischen Verbindungen und Radikalen als Peroxid- (O), Hyperoxid- (O (Oxidationsstufe −1/2)) und Ozonidanion (O (Oxidationsstufe −1/3)) sowie als Dioxygenylkation (O) auf.


title: Sauerstoff

text: Sauerstoff bildet abhängig vom Bindungspartner sowohl ionisch als auch kovalent aufgebaute Verbindungen.


title: Sauerstoff

text: Zu den anorganischen Sauerstoffverbindungen zählen die Verbindungen von Sauerstoff mit Metallen, Halbmetallen, Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und den Halogenen. Sie gehören zu den wichtigsten Verbindungen überhaupt.


title: Sauerstoff

text: Die meisten Sauerstoffverbindungen sind Oxide. In ihnen tritt der Sauerstoff, ionisch oder kovalent gebunden, in der Oxidationsstufe −II auf. Viele natürlich vorkommende Salze, die oft wichtige Quellen zur Herstellung von Metallen sind, sind Oxide.


title: Sauerstoff

text: Mit den Metallen bildet Sauerstoff in niedrigen Oxidationsstufen ionisch aufgebaute und in der Regel basische Oxide.


title: Sauerstoff

text: Mit steigender Oxidationsstufe haben die Oxide zunehmend amphoteren (Zink(II)-oxid, Aluminium(III)-oxid) und schließlich sauren Charakter (Chrom(VI)-oxid).


title: Sauerstoff

text: Mit Nichtmetallen bildet Sauerstoff ausschließlich kovalente Oxide. Die Oxide von Nichtmetallen in niedrigen Oxidationsstufen reagieren meist neutral (Distickstoffmonoxid), mit steigender Oxidationsstufe zunehmend sauer.


title: Sauerstoff

text: Unter den Sauerstoffverbindungen der Nichtmetalle spielen die mit Wasserstoff eine gesonderte Rolle. Sauerstoff bildet mit Wasserstoff zwei Verbindungen. An erster Stelle ist das Wasser zu nennen, ohne das es kein Leben auf der Erde gäbe. Die zweite Verbindung ist das Wasserstoffperoxid (HO), eine thermodynamisch instabile Verbindung, die als Oxidations- und Bleichmittel Verwendung findet.


title: Sauerstoff

text: Obwohl die meisten sauerstoffhaltigen Kohlenstoffverbindungen in den Bereich der organischen Chemie eingeordnet werden, gibt es einige wichtige Ausnahmen. Die einfachen Oxide des Kohlenstoffs Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO), sowie die Kohlensäure und deren Salze, die Carbonate, werden als anorganische Verbindungen angesehen.


title: Sauerstoff

text: Sind in einer salzartigen Verbindung geringere Mengen Oxidionen bekannt als nach der Stöchiometrie und Wertigkeit des Sauerstoffs zu erwarten, spricht man von Suboxiden. In diesen kommen Element-Element-Bindungen vor, die formale Oxidationsstufe des Elements liegt bei unter +1. Elemente, die Suboxide bilden, sind die Alkalimetalle Rubidium und Caesium, aber auch Bor oder Kohlenstoff.


title: Sauerstoff

text: Vor allem mit Alkalimetallen bildet Sauerstoff Verbindungen mit Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen. Hierzu zählen die Peroxide, die Hyperoxide und die Ozonide. Peroxide wie Wasserstoffperoxid besitzen das O-Ion und eine formale Oxidationsstufe des Sauerstoffs von −1. Durch die leichte Spaltung der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung bilden sie leicht Radikale, die auf organische Substanzen bleichend wirken und dementsprechend als Bleichmittel eingesetzt werden. Es sind auch organische Peroxide bekannt.


title: Sauerstoff

text: In "Hyperoxide"n kommt das radikalische Dioxid(1−)-Anion O vor, die formale Oxidationsstufe ist −½ für jedes Sauerstoffatom. Hyperoxid-Ionen bilden sich im Stoffwechsel und zählen dabei zu den Reaktiven Sauerstoffspezies, salzartige Hyperoxide sind lediglich von den Alkalimetallen außer Lithium bekannt. Ozonide leiten sich vom Ozon ab und haben dementsprechend das O-Anion. Salzartige Ozonide sind wie Hyperoxide von allen Alkalimetallen außer Lithium bekannt, dazu gibt es auch organische Ozonide, die durch Addition von Ozon an Alkene entstehen.


title: Sauerstoff

text: Eine weitere große Gruppe der Sauerstoffverbindungen stellen die Hydroxide unter Beteiligung von Wasserstoff dar. Bei diesen handelt es sich um überwiegend ionische Verbindungen, denen das Hydroxidion gemein ist. Bis auf die Hydroxide der Alkalimetalle wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) sind sie im Allgemeinen wenig löslich in Wasser.


title: Sauerstoff

text: Bei der Reaktion von Nichtmetalloxiden sowie Metalloxiden von Metallen in hohen Oxidationsstufen mit Wasser bilden sich die sogenannten Sauerstoffsäuren, die für die Namensgebung des Sauerstoffs verantwortlich sind.