Unknown Source of Strength

Der Mensch verwendet Nickel ungefähr so lange, wie er Metallwaren herstellt. Nickel ist ein relativ häufig vorkommendes Element – das 24. häufigste auf der Erde – und wird in Metallerzlagerstätten auf der ganzen Welt gefunden. Die Menschen der Antike schätzten diese Erze als Quelle von Metallen mit wünschenswerten Eigenschaften wie Festigkeit und Flexibilität und verwendeten sie zur Herstellung von Münzen, Messern, Äxten und Waffen. Die wünschenswerten Eigenschaften dieser Metalllegierungen wurden jedoch häufig auf das Vorhandensein von Kupfer oder Eisen zurückgeführt. Tatsächlich haben Archäologen anhand antiker Metallgegenstände festgestellt, dass das „Eisen“ der frühen metallverarbeitenden Gesellschaften in Wirklichkeit eine Mischung war, die zwischen 5 und 26 Prozent Nickel enthielt.

Lange bevor Nickel isoliert wurde, entwickelten die alten Chinesen ein Material namens Paitung (auch Paktong oder Tutenag genannt), das wegen seines silbrigen Glanzes und seiner Stärke geschätzt wurde. Chinesischen Manuskripten zufolge wurde Paitung bereits im dritten Jahrhundert n. Chr. für Waffen, Münzen und Kunstwerke verwendet. Es wird angenommen, dass Paitung hauptsächlich Kupfer und Nickel mit geringen Mengen an Zink und Zinn enthielt.

Auch in Europa fand Nickel seinen Weg in Legierungen, ohne dass die Schmiede und Schmelzer der damaligen Zeit davon wussten. Nickellegierungen wurden im Mittelalter zur Herstellung von Platten- und Kettenrüstungen verwendet, und der relative Reichtum an nickelhaltigen Erzen machte es zu einer kostengünstigen Möglichkeit, Münzgeld mit einem feinen Glanz zu versehen. Aber erst mit der Entdeckung von Nickel im Jahr 1750 wurde dieser häufige Metallzusatz isoliert und verstanden.

Die Bergbauaktivitäten in der Region Sachsen führten schließlich zur Entdeckung von Nickel. Im Jahr 1750 stießen Kupferhütten in Sachsen auf ein eigentümliches Kupfererz, das etwas heller war als üblich. Bei der Verarbeitung und Raffination dieses Erzes wurde eine ungewöhnliche Form von Kupfer gewonnen, die besonders hell und silbrig war. Diese seltsame Form des Kupfers wies auch deutlich andere Materialeigenschaften auf. Es war extrem hart und konnte trotz wiederholter Versuche der Schmelzer nicht verformt werden. Das neue Metall wurde unter dem Namen Kupfernickel bekannt, was so viel bedeutet wie „Kupfer mit dem Teufel im Leib“. Die Zusammensetzung dieser Legierung war dem Paitung des alten China sehr ähnlich.

Nickel – der geheimnisvolle Bestandteil von Kupfernickel, der ihm diese besonderen Eigenschaften verlieh – wurde schließlich 1751 von dem schwedischen Mineralogen Baron Axel Frederik Cronstedt „entdeckt“ und aus einem Mineral namens Niccolit isoliert. Wie die sächsischen Hüttenleute hatte auch der Baron zunächst erwartet, aus diesem Mineral Kupfer zu gewinnen, aber stattdessen ergab sein Verfahren ein starkes, weißes Metall. Da er das Material mit keinem bekannten Metall vergleichen konnte, stellte der Baron fest, dass er den rätselhaften Bestandteil des Kupfernickels isoliert hatte, und nannte das neue Metall „Nickel“, nach dem Teufel selbst, „Old Nick“.

Nickel and Dimed

Sowohl in der modernen als auch in der antiken Gesellschaft wurde Nickel verwendet, um Münzen Glanz zu verleihen, ihr Gewicht zu verringern und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Verschleiß zu erhöhen. Die Zugabe von Nickel zu Münzlegierungen wurde jedoch üblicher, als die Länder begannen, zu flexiblen Wechselkurssystemen überzugehen, bei denen der Wert des physischen Materials in einer Münze nicht mehr mit ihrem Nennwert übereinstimmen musste. Als der Währungsumtausch nicht mehr an die Gold- und Silberstandards gekoppelt war, wurde die Schweiz zum ersten von vielen modernen Ländern, die Nickel in Münzen verwendeten. Die erste Münze aus reinem Nickel wurde 1881 von der Schweiz herausgegeben, Österreich und Ungarn folgten 1893.

In den späten 1850er Jahren fügten die Vereinigten Staaten ihrem Penny und ihrem Fünf-Cent-Stück, die zuvor hauptsächlich Kupfer und Zink (Bronze) enthielten, Nickel hinzu. Das Wort „Nickel“ wurde zu einem populären Begriff für das Fünf-Cent-Stück selbst, obwohl der Großteil der Münze aus Kupfer bestand (die US-Nickelmünze der 1800er Jahre enthielt 75 Prozent Kupfer und 25 Prozent Nickel). Die Nachfrage nach der Münze war groß, da sie ein praktischer Nennwert für viele Alltagsgegenstände wie Bier und Zigarren war. Das Aufkommen von Spielautomaten und die allgegenwärtigen Nickeltarife in Bussen und U-Bahnen trugen ebenfalls dazu bei, die Beliebtheit dieser Münze zu steigern. Man schätzt, dass die Vereinigten Staaten bis 1958 mehr als 4 Milliarden Nickels ausgegeben haben.

Von Meteoriten zu Maschinen

Auch ein Jahrhundert nach der Isolierung des Elements Nickel hatten Wissenschaftler und Ingenieure seine einzigartigen Materialeigenschaften noch nicht vollständig genutzt. Nickel ist ein Übergangsmetall, das mit einer Vielzahl anderer Übergangsmetalle wie Kupfer, Zink, Eisen, Silber, Kadmium und Chrom Legierungen bildet. Es ist sowohl fest – es widersteht Brüchen unter hoher Belastung – als auch duktil – es biegt sich, anstatt unter Belastung zu brechen. Dies ist eine wertvolle Kombination von Eigenschaften. Ingenieure suchen nach dieser Kombination von Eigenschaften, wenn sie Konstruktionen wie Brücken entwerfen, die schweren Lasten standhalten, sich aber auch unter Druck biegen müssen, damit sie nicht brechen.

Geschichten über solche Wundermaterialien wurden im Laufe der Geschichte überliefert. Die legendären Schwertklingen aus dem alten Damaskus und Arabien waren weithin für ihre extreme Stärke und Härte bekannt. Heiligen Steinen, wie dem schwarzen Stein der Kaaba in Mekka, wurden magische Eigenschaften nachgesagt, wahrscheinlich Magnetismus. Diese berühmten Waffen und heiligen Reliquien bestehen aus Eisen, das in Meteoriten vom Himmel gefallen ist. Dieses Meteoreisen enthält oft große Mengen an Nickel. Die alten Waffenschmiede, die ihre Klingen daraus fertigten, waren auf eine primitive, hochfeste und rostfreie Stahllegierung gestoßen. Es sollte noch Jahrhunderte dauern, bis die Wissenschaft hinter diesen magischen Materialien erklärt werden konnte.

In den 1700er Jahren, als die industrielle Revolution zunächst in England und dann in Kontinentaleuropa und den Vereinigten Staaten begann, führte die Entwicklung von Industrieanlagen und insbesondere von Dampfmaschinen zu einer Suche nach stärkeren Materialien als den damals verfügbaren. Frühe Materialwissenschaftler entwickelten Stahllegierungen, um diesen Bedarf zu decken. Stahl entsteht, wenn Eisen mit geringen Mengen Kohlenstoff kombiniert wird, der dazu beiträgt, die Kristallstruktur des Eisens zu stabilisieren und zu stärken. Die Zugabe kleiner Mengen anderer Elemente wie Zink, Chrom und Nickel erhöht die Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenbeschaffenheit des Stahls.

Ein halbes Jahrhundert nach der Entdeckung des Nickels schlug Michael Faraday – der auch für seine Entdeckung der elektromagnetischen Induktion und des Faradayschen Gesetzes, der Grundlage der modernen Feldtheorie, berühmt ist – erstmals vor, dem Stahl Nickel beizumischen, um seine Materialeigenschaften zu verbessern. In einem Brief an Professor de la Rive von der Royal Institution schrieb er 1820: „Die populäre Vorstellung, dass Meteoreisen nicht rosten würde, hat uns dazu veranlasst, die Wirkung von Nickel auf Stahl und Eisen zu testen.“ Trotz anfänglicher Misserfolge gelang es Faraday, kleine Mengen Nickel erfolgreich mit Stahl zu legieren und Materialien herzustellen, die stärker, aber immer noch formbar und verarbeitbar waren wie gewöhnlicher Stahl. Weitere Arbeiten des Schweizer Metallurgen J. C. Fischer im Jahr 1824 führten zu erfolgreichen Imitationen von Meteoreisen.

Diese frühen Entdeckungen legten den Grundstein für fortschrittliche rostfreie Stähle und Baustähle aus Legierungen mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Mitte bis Ende des 18. Jahrhunderts wurden mit Nickel verstärkte Stahlpanzerungen bald in Kriegsschiffen eingesetzt. Michael Faradays Untersuchungen zur Elektrochemie verschiedener Metalle – ihrer Bereitschaft, mit elektrischen Strömen zu interagieren – steigerten die Verwendung von Nickel. In den 1840er Jahren waren Metallurgen in der Lage, andere Metalloberflächen mit Nickel zu beschichten, indem sie mit Hilfe von elektrischem Strom gelöste Nickelsalze und Nickelionen an die Oberfläche von Metallelektroden anzogen. Diese Beschichtungen boten Verschleiß- und Rostschutz für zahlreiche Produkte, von Kochgeschirr bis hin zu Sanitärarmaturen.

Fanning Flames of War

Während des Ersten Weltkriegs stieg der Wert von Nickel aufgrund der neu entstandenen Nachfrage nach hochfestem rostfreiem Stahl für Geschütze, Munition und Fahrzeuge dramatisch an. Nickel war nun nicht nur ein wichtiger Bestandteil der Währung, sondern auch ein wertvoller Rohstoff, der von allen Kriegsparteien begehrt wurde. Im Jahr 1916 versuchte ein deutsches U-Boot unter Lebensgefahr, die britische Blockade zu durchbrechen, um eine kleine Ladung kanadischen Nickels zu erhalten. Die erfolgreiche Mission wurde wie ein traditioneller militärischer Sieg gefeiert; so groß war der Wert und die Bedeutung von Nickel für die deutsche Kriegsmaschinerie. Auf dem Höhepunkt der Kriegsproduktion produzierte Kanada, die wichtigste Nickelquelle der Welt, etwa 92 Millionen Pfund Nickel pro Jahr.

Der Waffenstillstand und später die Weltwirtschaftskrise ließen die Nickelindustrie zwischen den beiden Weltkriegen vorübergehend einbrechen. Die Produktion von Rüstungsgütern ging dramatisch zurück, da sich die industrielle Welt auf Konsumgüter konzentrierte. Die Fortschritte beim Verbrennungsmotor in den 1930er Jahren trugen jedoch dazu bei, dass die Nachfrage nach bestimmten Nickelstählen, die wegen ihrer Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu versagen, gefragt waren, hoch blieb. Diese Eigenschaft war entscheidend für Teile wie Zylinderköpfe und Kolben, die bei sehr hohen Temperaturen explosiven Drücken ausgesetzt sind.

Der Ausbruch des Zweiten Weltkriegs ließ die Nachfrage nach Stahl und Nickel erneut steigen. Während des Konflikts entsprach die Produktion von Nickellegierungen der Gesamtproduktion der vorangegangenen 54 Jahre. Kanada regulierte in Zusammenarbeit mit der britischen Regierung den Weltmarkt für Nickel während des Zweiten Weltkriegs und erließ sogar Beschränkungen für die Verwendung von Nickel in nicht lebensnotwendigen Konsumgütern. Dadurch wurde die Menge an Nickel, die den Achsenmächten zur Verfügung stand, stark eingeschränkt, und die Nickelerzvorkommen wurden für die Deutschen bald zu einem strategischen Anliegen. Es wurden militärische Operationen eingeleitet, um die Nickellager unter deutsche Kontrolle zu bringen. Die Petsamo-Nickelmine in Finnland, die zuvor von der einmarschierenden Sowjetarmee zum Stillstand gebracht worden war, wurde 1940 von den Deutschen erobert und wurde zu einer wichtigen Quelle für stahlverstärkendes Nickel für den deutschen Krieg.

Flugzeuge, Strahltriebwerke und mehr

Neue Höchstleistungen in Sachen Geschwindigkeit und Leistung brachte die Entwicklung der ersten Düsentriebwerke während des Zweiten Weltkriegs und bis in die 1950er Jahre hinein. Diese neuen Triebwerke erzeugten Hochdruckgasstrahlen, indem sie schnell drehende Turbinen benutzten, um Luft zu komprimieren und sie durch Auslassdüsen auszustoßen. Die schnell drehenden Turbinen erreichten hohe Temperaturen und Spannungen und erforderten wiederum neue Metalllegierungen, um diesen Kräften standzuhalten. Nickel wurde in vielen dieser Legierungen als Verstärkungsstoff verwendet. Ähnliche Anforderungen an die Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit führten zur Verwendung von nickelhaltigen Legierungen im aufkeimenden Weltraumrennen. Raketentriebwerke haben aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Drucks der Abgase ähnliche technische Anforderungen wie Düsentriebwerke und müssen außerdem extremen Vibrationen standhalten, die durch die Verbrennung von Raketentreibstoffen verursacht werden. Die frühe Raumfahrtindustrie verwendete Nickel in Verbindung mit anderen hochfesten Materialien wie Titan, um neue Klassen von Superlegierungen zu schaffen, die den Turbulenzen der Raumfahrt standhalten können.

Nickel Today

Neue Studien haben gezeigt, dass die Verarbeitung und Veredelung von Nickel gesundheitsschädliche Folgen haben kann. Untersuchungen in den 1960er Jahren ergaben erste Hinweise darauf, dass Nickelverbindungen wie Nickelcarbonyl bei Laborratten Lungentumore verursachen können. Spätere Studien, die in den 1980er Jahren von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) durchgeführt wurden, zeigten, dass eine längere Exposition gegenüber hohen Konzentrationen von Nickelraffineriestaub, Nickelcarbonyl oder Nickelsubsulfid – alles direkte Nebenprodukte der Nickelraffination und Metallverarbeitung – Krebs verursachen kann. Auch das Einatmen von nickelhaltigen Dämpfen beim Schweißen von rostfreiem Stahl wurde mit einem erhöhten Krebsrisiko in Verbindung gebracht. Dies führte zu Bundesverordnungen zur Begrenzung der Menge bestimmter Nickelverbindungen, die am Arbeitsplatz und in der Umwelt zulässig sind.

Wenn Nickel in bestimmten Formen in hohen Konzentrationen über einen ausreichend langen Zeitraum eingeatmet wird, ist es tatsächlich krebserregend für den Menschen. Die moderne Arbeitshygiene hat dazu beigetragen, diese nickelbedingten Gesundheitskomplikationen einzudämmen.

Die bei weitem häufigste gesundheitliche Auswirkung der Nickelbelastung ist eine allergische Reaktion. Manche Menschen haben eine genetische Veranlagung, sich gegen Nickel zu sensibilisieren, wenn sie oft genug direkt mit dem Metall umgehen. Wenn sie sensibilisiert sind, kann an der Kontaktstelle eine Dermatitis – eine allergische Reaktion auf der Haut – auftreten, die Hautausschläge und in extremen Fällen Asthmaanfälle verursacht. Schätzungsweise 5 bis 10 Prozent der Bevölkerung sind anfällig für Nickelallergien.

Obwohl Nickel hauptsächlich in der Stahlindustrie verwendet wird, um hochwertige Stähle zu verstärken und korrosionsbeständiger zu machen, hat es seinen Weg in eine Vielzahl von Alltagsgegenständen gefunden. Zu den nickelhaltigen Haushaltsgegenständen gehören Wasserhähne, Küchenutensilien, Haushaltsgeräte, wiederaufladbare Batterien (Nickel-Cadmium- oder Ni-Cad-Variante), Schmuck und natürlich auch Münzen. Wie die Menschen der Antike verwenden die meisten von uns wahrscheinlich Nickelprodukte, ohne es zu wissen.

Quellen sind:

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

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern