Ukendt kilde til styrke

Mennesker har brugt nikkel omtrent lige så længe, som de har produceret metalvarer. Et relativt rigeligt grundstof – det 24. mest rigelige på jorden – nikkel findes i metalmalmforekomster over hele verden. Oldtidsfolket værdsatte disse malme som en kilde til metaller med ønskelige egenskaber som f.eks. styrke og fleksibilitet og brugte dem til at fremstille alt fra mønter til knive, økser og våben. De ønskværdige egenskaber ved disse metallegeringer blev dog ofte tilskrevet tilstedeværelsen af kobber eller jern. Faktisk har arkæologer ud fra gamle metalgenstande fundet ud af, at “jern” i de tidlige metalbrugende samfund faktisk var en blanding, der indeholdt mellem 5 og 26 procent nikkel.

Langt før nikkel blev isoleret, udviklede de gamle kinesere et materiale kaldet paitung (også kaldet paktong eller tutenag), der blev værdsat for sin sølvglans og styrke. Ifølge kinesiske manuskripter blev paitung anvendt så tidligt som i det tredje århundrede e.Kr. i våben, mønter og kunstværker. Paitung menes at have indeholdt hovedsageligt kobber og nikkel med små mængder zink og tin.

Også i Europa fandt nikkel vej ind i legeringer uden at datidens smede og smelterier vidste det. Nikkellegeringer blev brugt til at fremstille plade- og kæderustninger i middelalderen, og den relative rigelighed af nikkelholdige malme gjorde det til en billig måde at give møntpenge en fin glans på. Men først da nikkel blev opdaget i 1750, blev dette almindelige metaltilsætningsstof isoleret og forstået.

Mineaktivitet i Sachsen i Tyskland førte til sidst til, at nikkel blev opdaget. I 1750 afdækkede kobbersmeltere i Sachsen en ejendommelig kobbermalm, som var lidt lysere i farven end normalt. Når denne malm blev forarbejdet og raffineret, gav den en usædvanlig form for kobber, som var særlig lys og sølvfarvet. Denne mærkelige form for kobber viste sig også at have markant anderledes materialeegenskaber. Den var ekstremt hård og kunne ikke gøres formbar på trods af smelteriernes gentagne forsøg. Det nye metal blev kendt som Kupfernickel, hvilket groft sagt kan oversættes til “kobber med djævelen i”. Sammensætningen af denne legering lignede faktisk meget paitung fra det gamle Kina.

Nikkel – den mystiske komponent i Kupfernickel, der gav det disse karakteristiske egenskaber – blev endelig “opdaget” og isoleret fra et mineral kaldet nikolit af den svenske mineralog baron Axel Frederik Cronstedt i 1751. Baronen havde ligesom de saksiske smeltere først forventet at kunne udvinde kobber af dette mineral, men i stedet gav hans fremgangsmåde et stærkt, hvidt metal. Da han ikke kunne sammenligne materialet med noget kendt metal, fastslog baronen, at han havde isoleret den gådefulde komponent i Kupfernickel og gav det nye metal navnet “nikkel” efter Djævelen selv, “Old Nick”.”

Nickel and Dimed

Både moderne og gamle samfund har brugt nikkel til at give mønter glans, reducere vægten og øge deres modstandsdygtighed over for korrosion og slid. Men praksis med at tilsætte nikkel til møntlegeringer blev mere almindelig, da nationerne begyndte at konvertere til flydende valutakurssystemer, hvor værdien af det fysiske materiale i en mønt ikke længere skulle svare til dens pålydende værdi. Da valutaveksling ikke længere var knyttet til guld- og sølvstandarderne, blev Schweiz den første af mange moderne nationer til at anvende nikkel i mønter. Den første mønt af ren nikkel blev udstedt af Schweiz i 1881, og Østrig og Ungarn fulgte efter i 1893.

I slutningen af 1850’erne tilføjede USA nikkel til både sin penny og sin femcentsmønt, som tidligere hovedsageligt indeholdt kobber og zink (bronze). Ordet “nickel” blev en populær betegnelse for selve femcentstykket, på trods af at størstedelen af mønten bestod af kobber (den amerikanske nikkelmønt fra 1800-tallet indeholdt 75 procent kobber og 25 procent nikkel). Mønten var meget efterspurgt, da den var en praktisk møntværdi til mange dagligdagsvarer som øl og cigarer. Fremkomsten af spilleautomater og de allestedsnærværende nikkeltariffer i busser og undergrundsbaner var også med til at anspore denne mønts popularitet. Det anslås, at USA i 1958 havde udstedt over 4 milliarder nickels.

Fra meteorer til maskiner

Selv et århundrede efter at grundstoffet nikkel blev isoleret, havde forskere og ingeniører ikke fuldt ud udnyttet dets unikke materialeegenskaber. Nikkel er et overgangsmetal, der danner legeringer med en lang række andre overgangsmetaller såsom kobber, zink, jern, sølv, cadmium og krom. Det er både stærkt – det modstår brud under stor belastning – og duktilt – det bøjer sig i stedet for at knække under belastning. Dette er en værdifuld kombination af egenskaber. Ingeniører søger denne kombination af egenskaber, når de designer konstruktioner som f.eks. broer, der skal kunne modstå store belastninger, men som også skal bøje under pres i stedet for at knække.

Sagn om sådanne mirakelmaterialer er blevet overleveret gennem historien. De legendariske sværdklinger fra det gamle Damaskus og Arabien var vidt og bredt kendt for deres ekstreme styrke og hårdhed. Hellige sten som f.eks. den sorte sten i Kaaba i Mekka skulle efter sigende have magiske egenskaber, sandsynligvis magnetisme. Disse berømte våben og hellige relikvier er sammensat af jern, der faldt ned fra himlen i meteorer. Dette meteroiske jern indeholder ofte store mængder nikkel. De gamle våbenmagere, der fremstillede deres klinger ud fra dette, var stødt på en primitiv, højstyrke og rustbestandig legering af rustfrit stål. Der skulle gå århundreder, før videnskaben bag disse magiske materialer ville blive forklaret.

I 1700-tallet, da den industrielle revolution begyndte først i England og derefter på det europæiske fastland og i USA, gav udviklingen af industrielt udstyr og især dampmaskinerne anledning til en søgen efter stærkere materialer end dem, der var til rådighed i dag. Tidlige materialeforskere udviklede stållegeringer for at opfylde dette behov. Stål fremstilles, når jern kombineres med små mængder kulstof, som er med til at stabilisere og styrke jernets krystalstruktur. Tilføjelse af små mængder af andre grundstoffer som zink, krom og nikkel øger stålets styrke, duktilitet, korrosionsbestandighed og finish.

Det var et halvt århundrede efter opdagelsen af nikkel, at Michael Faraday – også berømt for sin opdagelse af elektromagnetisk induktion og Faradays lov, som er grundlaget for moderne feltteori – første gang foreslog, at nikkel skulle tilsættes til stål for at forbedre dets materialeegenskaber. I et brev til professor de la Rive fra Royal Institution i 1820 skrev han: “Vi er blevet foranlediget af den populære idé om, at meteoriseret jern ikke ville ruste, til at afprøve virkningen af nikkel på stål og jern.” På trods af de første fiaskoer lykkedes det Faraday at legere små mængder nikkel med stål, hvilket gav materialer, der var stærkere, men stadig formbare og bearbejdelige som almindeligt stål. Det arbejde, som den schweiziske metallurg J.C. Fischer fortsatte i 1824, resulterede i vellykkede efterligninger af meteorisk jern.

Disse tidlige opdagelser lagde grunden til avancerede rustfrie ståltyper og konstruktionsstål fremstillet af legeringer med øget korrosionsbestandighed og styrke. Nikkelforstærket stålpanser blev snart anvendt i krigsskibe i midten og slutningen af 1800-tallet. Michael Faradays undersøgelser af forskellige metallers elektrokemi – deres villighed til at interagere med elektriske strømme – øgede nikkelens anvendelsesmuligheder. I 1840’erne var metallurgerne i stand til at plade nikkel ind i andre metaloverflader ved at bruge elektrisk strøm til at tiltrække opløste nikkelsalte og nikkelioner til overfladen af metalelektroder. Disse belægninger gav slid- og rustbestandighed til en lang række produkter, lige fra køkkenredskaber til sanitetsartikler.

Krigens flammer

Under Første Verdenskrig steg værdien af nikkel dramatisk på grund af den nye efterspørgsel efter højstyrke rustfrit stål til våben, ammunition og køretøjer. Nikkel var nu ikke blot en vigtig bestanddel i valuta, men også en værdifuld naturressource, som alle krigsførende fraktioner søgte at få fat i. I 1916 løb en tysk ubåd en livstruende risiko, da den forsøgte at bryde igennem den britiske blokade for at få fat i en lille ladning canadisk nikkel. Den vellykkede mission blev fejret på samme måde som en traditionel militær sejr; så stor var nikkels værdi og betydning for den tyske krigsmaskine. På toppen af produktionen i krigstiden producerede Canada, verdens førende kilde til nikkel, ca. 92 millioner pund nikkel om året.

Våbenhvilen og senere den store depression fik nikkelindustrien til at tage et kortvarigt dyk mellem verdenskrigene. Produktionen af militært udstyr faldt drastisk, da den industrielle verden fokuserede sin indsats på forbrugsgoder. Fremskridt inden for forbrændingsmotoren i 1930’erne bidrog imidlertid til at holde efterspørgslen høj efter visse nikkelstål, der ønskes på grund af deres evne til at modstå svigt ved høje temperaturer. Denne egenskab var afgørende i dele som cylinderhoveder og stempler, der udsættes for eksplosive tryk ved meget høje temperaturer.

Den anden verdenskrigs udbrud øgede endnu en gang efterspørgslen efter stål og nikkel. Under konflikten var produktionen af nikkellegeringer lig med den samlede produktion i de foregående 54 år. Canada i samarbejde med den britiske regering regulerede i det væsentlige verdensmarkedet for nikkel under Anden Verdenskrig og indførte endda restriktioner på brugen af nikkel i ikke-essentielle forbrugsgoder. Dette begrænsede i høj grad den mængde nikkel, som aksemagterne kunne få adgang til, og nikkelmalmforekomsterne blev derfor hurtigt et strategisk problem for tyskerne. Der blev iværksat militære operationer for at bringe nikkellagrene under tysk kontrol. Petsamo-nikkelminen i Finland, der tidligere var blevet bragt til standsning af den invaderende sovjetiske hær, blev erobret af tyskerne i 1940 og blev en vigtig kilde til stålforstærkende nikkel til den tyske krig.

Flyvemaskiner, jetmotorer og videre

Nye bedrifter med hensyn til hastighed og kraft kom fra udviklingen af de første jetmotorer under Anden Verdenskrig og ind i 1950’erne. Disse nye motorer skabte højtryksgasstråler ved at bruge hurtigt snurrende turbiner til at komprimere luft og udstøde den gennem udstødningsdyser. De hurtigt snurrende turbiner opnåede høje temperaturer og spændinger og krævede endnu en gang nye metallegeringer for at kunne modstå disse kræfter. Nikkel blev anvendt som et forstærkende middel i mange af disse legeringer. Lignende behov for modstandsdygtighed over for spændinger og temperaturer fik nikkelholdige legeringer til at blive anvendt i det spirende rumkapløb. Raketmotorer har lignende tekniske krav som jetmotorer på grund af udstødningsgassernes høje temperatur og tryk, og de skal også tåle ekstreme vibrationer forårsaget af forbrændingen af raketbrændstof. Den tidlige rumindustri brugte nikkel sammen med andre materialer med høj styrke som f.eks. titanium til at skabe nye klasser af superlegeringer, der kunne modstå turbulensen under rumflyvning.

Nickel Today

Renoverede undersøgelser har vist, at forarbejdning og raffinering af nikkel kan have skadelige konsekvenser for sundheden. Forskning i 1960’erne viste tidlige tegn på, at nikkelforbindelser som f.eks. nikkelcarbonyl kunne forårsage lungetumorer hos forsøgsrotter. Senere undersøgelser udført i 1980’erne af det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur (EPA) viste, at langvarig eksponering for høje niveauer af nikkelraffinaderistøv, nikkelcarbonyl eller nikkelsubsulfid – alle direkte biprodukter fra nikkelraffinering og metalforarbejdning – kan forårsage kræft. Indånding af nikkelholdige dampe fra svejsning af rustfrit stål blev også fundet at være forbundet med øget kræftrisiko. Dette førte til føderale bestemmelser, der begrænser den mængde af visse nikkelforbindelser, der er acceptabel på arbejdspladsen og i miljøet.

Hvis nikkel indåndes i visse former i høje koncentrationer over en tilstrækkelig lang periode, er nikkel faktisk kræftfremkaldende for mennesker. Moderne industrihygiejnepraksis har bidraget til at dæmme op for disse nikkelinducerede sundhedskomplikationer.

Langt den mest almindelige sundhedsrelaterede virkning af eksponering for nikkel er en allergisk reaktion. Nogle mennesker er genetisk disponeret for at blive sensibiliseret over for nikkel, hvis de ofte nok håndterer metallet direkte. Når de først er blevet sensibiliseret, kan der opstå dermatitis – en allergisk reaktion på huden – på det sted, hvor de kommer i kontakt med nikkel, hvilket kan give udslæt og i ekstreme tilfælde astmaanfald. Det anslås, at 5 til 10 procent af befolkningen er modtagelige for nikkelallergi.

Og selv om nikkel primært anvendes i stålindustrien til at styrke og tilføje korrosionsbestandighed til stål af høj kvalitet, har det fundet vej til et væld af dagligdags genstande. Nikkelholdige husholdningsgenstande omfatter vandhaner, køkkenredskaber, apparater, genopladelige batterier (nikkel-cadmium- eller Ni-Cad-batterier), smykker og naturligvis mønter. Ligesom de gamle mennesker bruger de fleste af os sandsynligvis nikkelprodukter uden at vide det.

Kilderne omfatter:

-Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). 1997. Toksikologisk profil for nikkel. Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.

-Aitchison, Leslie. A History of Metals. London: MacDonald and Evans Ltd., 1960.

-Encyclopedia of Toxicology. ed. Philip Wexler. Boston: Academic Press, 1998.

-Gmelins Handbuch der Inorganischen Chemie. Berlin: Springer-Verlag, 1924.

-Howard-White, F. B. Nickel: an Historical Review. New York: D. Van Nostrand Company, Inc., 1963.

-John Harte, Holdren, Schneider og Shirley. Toxics A to Z: a Guide to Everyday Pollution Hazards (Giftstoffer A til Z: en guide til hverdagens forureningsrisici). Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: den grundlæggende videnskab om giftstoffer. New York: McGraw-Hill, 2001.

-Nriagu, Jerome O. Nickel in the Environment. New York: Wiley, 1980.

-Winter, Mark. Nickel: Key Information. 2002. The University of Sheffield. 4. september 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern