Tuntematon voimanlähde

Ihmiset ovat käyttäneet nikkeliä suunnilleen yhtä kauan kuin he ovat valmistaneet metallitavaroita. Nikkeli on suhteellisen runsas alkuaine – maapallon 24. runsain – ja sitä esiintyy metallimalmiesiintymissä kaikkialla maailmassa. Muinaiset arvostivat näitä malmeja sellaisten metallien lähteenä, joilla on toivottuja ominaisuuksia, kuten lujuutta ja joustavuutta, ja käyttivät niitä kaikenlaisten metallien valmistukseen kolikoista veitsiin, kirveisiin ja aseisiin. Näiden metalliseosten toivotut ominaisuudet johtuivat kuitenkin usein kuparin tai raudan läsnäolosta. Itse asiassa arkeologit ovat muinaisista metalliesineistä havainneet, että varhaisten metallia käyttäneiden yhteiskuntien ”rauta” oli itse asiassa seos, joka sisälsi 5-26 prosenttia nikkeliä.

Kauan ennen nikkelin eristämistä muinaiset kiinalaiset kehittivät paitung-nimisen materiaalin (jota kutsuttiin myös nimellä paktong tai tutenag), jota arvostettiin sen hopeisen kiillon ja lujuuden vuoksi. Kiinalaisten käsikirjoitusten mukaan paitungia käytettiin jo kolmannella vuosisadalla jKr. aseissa, kolikoissa ja taideteoksissa. Paitungin uskotaan sisältäneen pääasiassa kuparia ja nikkeliä sekä pieniä määriä sinkkiä ja tinaa.

Euroopassakin nikkeliä löytyi seoksiin silloisten seppien ja sulattajien tietämättä. Nikkeliseoksia käytettiin keskiajalla levy- ja ketjupanssareiden valmistukseen, ja nikkeliä sisältävien malmien suhteellinen runsaus teki siitä edullisen tavan lisätä hienoa kiiltoa metallirahaan. Mutta vasta nikkelin löytyminen vuonna 1750 johti siihen, että tämä yleinen metallin lisäaine eristettiin ja ymmärrettiin.

Mineraalikaivostoiminta Saksin alueella Saksassa johti lopulta nikkelin löytymiseen. Vuonna 1750 Saksien kuparisulattamot paljastivat erikoisen kuparimalmin, joka oli väriltään hieman tavallista vaaleampi. Kun tämä malmi käsiteltiin ja puhdistettiin, siitä saatiin epätavallinen kuparin muoto, joka oli erityisen kirkas ja hopeanhohtoinen. Tällä oudolla kuparilla havaittiin myös selvästi erilaiset materiaaliominaisuudet. Se oli erittäin kovaa, eikä sitä voitu tehdä muokattavaksi sulattajien toistuvista yrityksistä huolimatta. Uusi metalli tuli tunnetuksi nimellä Kupfernickel, joka tarkoittaa karkeasti käännettynä ”kuparia, jossa on paholainen”. Tämän metalliseoksen koostumus oli itse asiassa hyvin samankaltainen kuin muinaisen Kiinan paitung.

Nikkelin – Kupfernikkelin salaperäisen komponentin, joka antoi sille nämä erityisominaisuudet – ”löysi” ja eristi lopulta nikoliitiksi kutsutusta mineraalista ruotsalainen mineralogi paroni Axel Frederik Cronstedt vuonna 1751. Saksalaisten sulattajien tavoin paroni oli ensin odottanut voivansa louhia kuparia tästä mineraalista, mutta sen sijaan hänen menetelmänsä tuotti vahvaa, valkoista metallia. Koska paroni ei pystynyt vertaamaan ainetta mihinkään tunnettuun metalliin, hän totesi eristäneensä Kupfernikkelin arvoituksellisen komponentin ja nimesi uuden metallin ”nikkeliksi” itse paholaisen, ”Old Nickin”, mukaan.”

Nickel and Dimed

Sekä nykyaikaiset että muinaiset yhteiskunnat ovat käyttäneet nikkeliä lisäämään kiiltoa ja vähentämään kolikoiden painoa sekä lisäämään niiden korroosion- ja kulutuskestävyyttä. Nikkelin lisääminen kolikkoseoksiin yleistyi, kun valtiot alkoivat siirtyä kelluviin valuuttakurssijärjestelmiin, joissa kolikon fyysisen materiaalin arvon ei enää tarvinnut vastata sen nimellisarvoa. Kun valuutanvaihto lakkasi olemasta sidoksissa kulta- ja hopeastandardeihin, Sveitsistä tuli ensimmäinen monista nykyaikaisista maista, jotka käyttivät nikkeliä kolikoissa. Sveitsi laski ensimmäisen puhtaan nikkelikolikon liikkeeseen vuonna 1881, ja Itävalta ja Unkari seurasivat perässä vuonna 1893.

Yhdysvallat lisäsi 1850-luvun lopulla nikkeliä sekä penneihin että viiden sentin kolikoihinsa, jotka aiemmin sisälsivät pääasiassa kuparia ja sinkkiä (pronssia). Sanasta ”nikkeli” tuli suosittu nimitys itse viiden sentin kappaleelle, vaikka suurin osa kolikosta oli kuparia (1800-luvun Yhdysvaltain nikkelikolikko sisälsi 75 prosenttia kuparia ja 25 prosenttia nikkeliä). Kolikolla oli suuri kysyntä, sillä se oli kätevä nimellisarvo monille päivittäistavaroille, kuten oluelle ja sikareille. Rahapeliautomaattien tulo ja nikkelimaksujen yleisyys busseissa ja metroissa edistivät myös kolikon suosiota. On arvioitu, että vuoteen 1958 mennessä Yhdysvallat oli laskenut liikkeeseen yli 4 miljardia nikkeliä.

Meteoreista koneisiin

Jopa sata vuotta sen jälkeen, kun alkuaine nikkeli oli eristetty, tiedemiehet ja insinöörit eivät olleet vielä täysin hyödyntäneet sen ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia. Nikkeli on siirtymämetalli, joka muodostaa seoksia monien muiden siirtymämetallien, kuten kuparin, sinkin, raudan, hopean, kadmiumin ja kromin kanssa. Se on sekä luja – se kestää murtumista suuressa rasituksessa – että sitkeä – se taipuu eikä halkeile rasituksessa. Tämä on arvokas ominaisuusyhdistelmä. Insinöörit etsivät tätä ominaisuusyhdistelmää suunnitellessaan rakenteita, kuten siltoja, joiden on kestettävä suuria kuormia mutta myös taipua paineen alla eikä halkeilla.

Tarinoita tällaisista ihmeellisistä materiaaleista on kerrottu läpi historian. Muinaisen Damaskoksen ja Arabian legendaariset miekanterät tunnettiin laajalti niiden äärimmäisestä lujuudesta ja kovuudesta. Pyhillä kivillä, kuten Mekan Kaaban mustalla kivellä, sanottiin olevan maagisia ominaisuuksia, luultavasti magnetismia. Nämä kuuluisat aseet ja pyhäinjäännökset koostuvat raudasta, joka putosi taivaalta meteoreina. Tämä meteerinen rauta sisältää usein suuria määriä nikkeliä. Muinaiset aseentekijät, jotka valmistivat teränsä tästä, olivat törmänneet alkeelliseen, erittäin lujaan ja ruostumattomaan ruostumattomaan terässeokseen. Kestäisi vuosisatoja ennen kuin näiden taikamateriaalien takana oleva tiede selitettäisiin.

1700-luvulla, kun teollinen vallankumous alkoi ensin Englannissa ja sitten Manner-Euroopassa ja Yhdysvalloissa, teollisuuslaitteiden ja erityisesti höyrykoneiden kehittäminen synnytti etsintää vahvemmista materiaaleista kuin mitä tällä hetkellä oli saatavilla. Varhaiset materiaalitutkijat kehittivät terässeoksia tätä tarvetta varten. Terästä syntyy, kun rauta yhdistetään pieniin määriin hiiltä, joka auttaa vakauttamaan ja vahvistamaan raudan kiderakennetta. Muiden alkuaineiden, kuten sinkin, kromin ja nikkelin, lisääminen pieninä määrinä lisää teräksen lujuutta, sitkeyttä, korroosionkestävyyttä ja viimeistelyä.

Puoli vuosisataa nikkelin keksimisen jälkeen Michael Faraday – joka on kuuluisa myös sähkömagneettisen induktion ja Faradayn lain, joka on nykyaikaisen kenttäteorian perusta, keksinnöstään – ehdotti ensimmäisen kerran nikkelin lisäämistä teräkseen parantamaan teräksen materiaalisia ominaisuuksia. Kirjeessään Royal Institutionin professorille de la Rivelle vuonna 1820 hän kirjoitti: ”Meidät on saanut yleinen ajatus siitä, että meteoriittirauta ei ruostuisi, kokeilemaan nikkelin vaikutusta teräkseen ja rautaan.” Alkuvaiheen epäonnistumisista huolimatta Faraday onnistui seostamaan pieniä määriä nikkeliä teräksen kanssa ja saamaan aikaan materiaaleja, jotka olivat vahvempia mutta silti muovautuvia ja työstettäviä kuin tavallinen teräs. Sveitsiläisen metallurgin J.C. Fischerin vuonna 1824 jatkama työ johti onnistuneisiin meteoriittisen raudan jäljitelmiin.

Nämä varhaiset keksinnöt loivat perustan kehittyneille ruostumattomille ja rakenneteräksille, jotka on valmistettu seoksista, joilla on parempi korroosionkestävyys ja lujuus. Nikkelillä vahvistettuja teräspanssareita käytettiin pian sota-aluksissa 1800-luvun puolivälissä ja lopussa. Michael Faradayn tutkimukset eri metallien sähkökemiasta – niiden kyvystä olla vuorovaikutuksessa sähkövirran kanssa – lisäsivät nikkelin käyttöä. 1840-luvulle tultaessa metallurgit pystyivät levyttämään nikkeliä muihin metallipintoihin käyttämällä sähkövirtaa liuenneiden nikkelisuolojen ja nikkeli-ionien houkuttelemiseksi metallielektrodien pinnalle. Nämä pinnoitteet tarjosivat kulumis- ja ruostesuojaa lukuisille tuotteille keittiövälineistä LVI-kalusteisiin.

Sodan liekkien lietsominen

Tämän ensimmäisen maailmansodan aikana nikkelin arvo nousi dramaattisesti, koska aseissa, ampumatarvikkeissa ja kulkuneuvoissa tarvittiin uudella tavalla erittäin lujaa ruostumatonta terästä. Nikkeli oli nyt paitsi tärkeä osa valuuttaa myös arvokas luonnonvara, jota kaikki sotaa käyvät ryhmittymät etsivät. Vuonna 1916 saksalainen sukellusvene joutui hengenvaaralliseen vaaraan yrittäessään murtautua brittisaarron läpi saadakseen pienen lastin kanadalaista nikkeliä. Onnistunutta tehtävää juhlittiin samalla tavalla kuin perinteistä sotilasvoittoa; niin arvokas ja tärkeä nikkeli oli Saksan sotakoneistolle. Sota-ajan tuotannon huipulla Kanada, maailman tärkein nikkelilähde, tuotti nikkeliä noin 92 miljoonaa puntaa vuodessa.

Aselepo ja myöhemmin Suuri lama saivat nikkeliteollisuuden hetkelliseen notkahdukseen maailmansotien välillä. Sotatarvikkeiden tuotanto väheni dramaattisesti, kun teollinen maailma keskittyi uudelleen kulutustavaroihin. Polttomoottoreiden kehittyminen 1930-luvulla auttoi kuitenkin pitämään tiettyjen nikkeliterästen kysynnän korkeana, sillä ne olivat haluttuja kestämään vikoja korkeissa lämpötiloissa. Tämä ominaisuus oli ratkaisevan tärkeä sylinterinpäiden ja mäntien kaltaisissa osissa, joihin kohdistuu räjähdysmäisiä paineita erittäin korkeissa lämpötiloissa.

Toisen maailmansodan syttyminen lisäsi jälleen teräksen ja nikkelin kysyntää. Konfliktin aikana nikkeliseosten tuotanto vastasi edellisen 54 vuoden kokonaistuotantoa. Kanada yhdessä Ison-Britannian hallituksen kanssa sääteli käytännössä maailman nikkelimarkkinoita toisen maailmansodan aikana ja asetti jopa rajoituksia sen käytölle muissa kuin välttämättömissä kulutustavaroissa. Tämä rajoitti huomattavasti akselivaltojen saatavilla olevan nikkelin määrää, ja sen seurauksena nikkelimalmiesiintymistä tuli pian strateginen huolenaihe saksalaisille. Sotilasoperaatioita käynnistettiin nikkelivarastojen saamiseksi Saksan hallintaan. Petsamon nikkelikaivos Suomessa, jonka Neuvostoliiton armeija oli aiemmin pysäyttänyt, joutui saksalaisten haltuun vuonna 1940, ja siitä tuli merkittävä terästä lujittavan nikkelin lähde Saksan sotaa varten.

Lentokoneet, suihkumoottorit ja muuta

Uudet saavutukset nopeudessa ja tehossa tulivat ensimmäisten suihkumoottoreiden kehittämisestä toisen maailmansodan aikana ja 1950-luvulla. Nämä uudet moottorit loivat korkeapaineisia kaasusuihkuja käyttämällä nopeasti pyöriviä turbiineja, jotka puristivat ilmaa ja heittivät sen pakosuuttimien kautta ulos. Nopeasti pyörivät turbiinit saavuttivat korkeita lämpötiloja ja jännityksiä, ja jälleen kerran tarvittiin uusia metalliseoksia kestämään näitä voimia. Nikkeliä käytettiin lujitteena monissa näistä seoksista. Samanlaiset jännityksen- ja lämpötilankestävyyden tarpeet johtivat nikkeliä sisältävien seosten käyttöön orastavassa avaruuskilvassa. Rakettimoottoreihin kohdistuu samanlaisia teknisiä vaatimuksia kuin suihkumoottoreihin pakokaasujen korkean lämpötilan ja paineen vuoksi, ja niiden on myös kestettävä äärimmäistä tärinää, joka aiheutuu rakettipolttoaineen palamisesta. Varhainen avaruusteollisuus käytti nikkeliä yhdessä muiden lujien materiaalien, kuten titaanin, kanssa luodakseen uusia luokkia superseoksia, jotka kykenivät kestämään avaruuslentojen turbulenssia.

Nickel Today

Uudemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että nikkelin käsittelystä ja jalostuksesta voi aiheutua haitallisia terveysvaikutuksia. 1960-luvulla tehdyt tutkimukset osoittivat varhaisia viitteitä siitä, että nikkeliyhdisteet, kuten nikkelikarbonyyli, voivat aiheuttaa keuhkokasvaimia laboratoriorotilla. Myöhemmät tutkimukset, jotka Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) teki 1980-luvulla, osoittivat, että pitkäaikainen altistuminen korkeille pitoisuuksille nikkelinjalostamopölyä, nikkelikarbonyyliä tai nikkelisulfidia – jotka kaikki ovat nikkelinjalostuksen ja metallien jalostuksen suoria sivutuotteita – voi aiheuttaa syöpää. Ruostumattoman teräksen hitsauksessa syntyvien nikkelipitoisten höyryjen hengittämisen todettiin myös olevan yhteydessä lisääntyneeseen syöpäriskiin. Tämä johti siihen, että liittovaltion säädöksillä rajoitettiin tiettyjen nikkeliyhdisteiden hyväksyttäviä määriä työpaikoilla ja ympäristössä.

Jos nikkeliä hengitetään tietyissä muodoissa suurina pitoisuuksina riittävän pitkään, se on todellakin syöpää aiheuttava ihmiselle. Nykyaikaiset työhygieniakäytännöt ovat auttaneet hillitsemään näitä nikkelin aiheuttamia terveyskomplikaatioita.

Neuvoisimmin nikkelille altistumisen ylivoimaisesti yleisin terveysvaikutus on allerginen reaktio. Jotkut ihmiset ovat geneettisesti alttiita herkistymään nikkelille, jos he käsittelevät metallia suoraan riittävän usein. Herkistyneenä ihottumaa – allerginen reaktio iholla – voi esiintyä kosketuskohdassa aiheuttaen ihottumaa ja ääritapauksissa astmakohtauksia. Arviolta 5-10 prosenttia väestöstä on altis nikkeliallergialle.

Vaikka nikkeliä käytetään pääasiassa terästeollisuudessa vahvistamaan ja lisäämään korroosionkestävyyttä korkealaatuisiin teräksiin, se on löytänyt tiensä moniin arkipäiväisiin esineisiin. Nikkeliä sisältäviä kotitalousesineitä ovat esimerkiksi hanat, keittiövälineet, kodinkoneet, ladattavat paristot (nikkeli-kadmium- eli Ni-Cad-lajike), korut ja tietysti kolikot. Kuten muinaisetkin, useimmat meistä todennäköisesti käyttävät nikkelituotteita tietämättään.

Lähteet:

-Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). 1997. Nikkelin toksikologinen profiili. 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 ja Shirley. Toxics A to Z: opas jokapäiväisistä saastumisvaaroista. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: Myrkkyjen perustutkimus. New York: McGraw-Hill, 2001.

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

-Winter, Mark. Nickel: Key Information. 2002. Sheffieldin yliopisto. 4. syyskuuta 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern

.