Unknown Source of Strength

A nikkelt az emberek körülbelül annyi ideje használják, amióta fémárukat gyártanak. A nikkel viszonylag bőséges elem – a 24. leggyakoribb a Földön – a világ minden táján megtalálható fémérclelőhelyeken. Az ókoriak ezeket az érceket a kívánatos tulajdonságokkal – például szilárdsággal és rugalmassággal – rendelkező fémek forrásaként becsülték, és az érméktől kezdve a késeken és fejszéken át a fegyverekig mindenfélét készítettek belőlük. E fémötvözetek kívánatos tulajdonságait azonban gyakran a réz vagy a vas jelenlétének tulajdonították. Valójában a régészek az ősi fémleletekből megállapították, hogy a korai fémhasználó társadalmak “vasa” valójában egy 5-26% nikkelt tartalmazó keverék volt.

Jóval a nikkel izolálása előtt az ősi kínaiak kifejlesztettek egy paitung (más néven paktong vagy tutenag) nevű anyagot, amelyet ezüstös csillogása és szilárdsága miatt becsültek. Kínai kéziratok szerint a paitungot már az i. sz. harmadik században használták fegyverekben, érmékben és műalkotásokban. A paitung feltehetően főként rezet és nikkelt tartalmazott, kis mennyiségű cinkkel és ónnal.

Európában is a korabeli kovácsok és kohászok által nem ismert nikkel került az ötvözetekbe. A nikkelötvözeteket a középkorban lemezes és láncos páncélok készítésére használták, és a nikkeltartalmú ércek viszonylagos bősége miatt olcsón lehetett finom fényt adni a pénzérméknek. De csak a nikkel 1750-es felfedezése után sikerült izolálni és megérteni ezt a gyakori fémadalékot.

A németországi Szászországban folytatott bányászati tevékenység vezetett végül a nikkel felfedezéséhez. A szászországi rézolvasztók 1750-ben egy különös rézércet fedeztek fel, amely a szokásosnál kissé világosabb színű volt. Feldolgozás és finomítás során ez az érc a réz egy szokatlan formáját eredményezte, amely különösen fényes és ezüstös volt. A réz e különös formájáról azt is megállapították, hogy határozottan eltérő anyagi tulajdonságokkal rendelkezik. Rendkívül kemény volt, és a kohászok többszöri próbálkozása ellenére sem lehetett formálhatóvá tenni. Az új fém Kupfernickel néven vált ismertté, ami nagyjából azt jelenti, hogy “réz az ördöggel benne”. Ennek az ötvözetnek az összetétele valójában nagyon hasonlított az ókori kínai paitunghoz.

A nikkel – a Kupfernickel titokzatos összetevője, amely ezeket a jellegzetes tulajdonságokat adta neki – végül 1751-ben a svéd mineralógus, Axel Frederik Cronstedt báró “felfedezte” és izolálta egy nikkolit nevű ásványból. A báró, akárcsak a szász kohászok, először arra számított, hogy ebből az ásványból rezet fog kinyerni, ehelyett azonban eljárása egy erős, fehér fémet eredményezett. Mivel az anyagot egyetlen ismert fémmel sem tudta összehasonlítani, a báró megállapította, hogy izolálta a Kupfernickel rejtélyes összetevőjét, és az új fémet “nikkelnek” nevezte el magáról az ördögről, “Old Nick”-ről.”

Nickel and Dimed

A modern és az ókori társadalmak egyaránt használták a nikkelt a csillogás növelésére, az érmék súlyának csökkentésére, valamint a korrózióval és kopással szembeni ellenállás növelésére. A nikkel hozzáadása az érmeötvözetekhez azonban akkor vált gyakoribbá, amikor a nemzetek elkezdtek áttérni a lebegő árfolyamrendszerekre, amelyekben az érmében lévő fizikai anyag értékének már nem kellett megegyeznie az érme névértékével. Ahogy a pénzváltás megszűnt az arany és ezüst szabványokhoz kötődni, Svájc lett az első a sok modern nemzet közül, amely nikkelt használt az érmékben. Az első tiszta nikkel érmét Svájc 1881-ben bocsátotta ki, majd 1893-ban Ausztria és Magyarország is követte a példát.

Az Egyesült Államok az 1850-es évek végén nikkelt adott a penny és az ötcentes érméhez, amelyek korábban főként rezet és cinket (bronzot) tartalmaztak. A “nikkel” szó népszerű kifejezés lett magára az ötcentesre, annak ellenére, hogy az érme többsége réz volt (az 1800-as évek amerikai nikkelérméje 75 százalékban rezet és 25 százalékban nikkelt tartalmazott). Az érme nagy keresletnek örvendett, mivel számos mindennapi cikkhez, például sörhöz és szivarhoz kényelmes címlet volt. A nyerőgépek megjelenése és a buszokon és metrókon mindenütt alkalmazott nikkeles viteldíjak szintén hozzájárultak ennek az érmének a népszerűségéhez. Becslések szerint 1958-ra az Egyesült Államok több mint 4 milliárd ötcentest bocsátott ki.

A meteoroktól a gépekig

A nikkel elem izolálása után még egy évszázaddal sem sikerült a tudósoknak és mérnököknek teljesen kiaknázniuk egyedülálló anyagi tulajdonságait. A nikkel egy átmeneti fém, amely számos más átmeneti fémmel, például rézzel, cinkkel, vassal, ezüsttel, kadmiummal és krómmal alkot ötvözeteket. Egyszerre erős – nagy igénybevétel esetén ellenáll a törésnek – és képlékeny – igénybevétel esetén inkább meghajlik, mintsem megrepedne. Ez a tulajdonságok értékes kombinációja. A mérnökök a tulajdonságoknak ezt a kombinációját keresik, amikor olyan szerkezeteket terveznek, mint a hidak, amelyeknek nagy terhelést kell elviselniük, de nyomás alatt is hajlékonynak kell lenniük ahelyett, hogy megrepednének.

A történelem során ilyen csodaanyagokról szóló történetek maradtak fenn. Az ókori Damaszkusz és Arábia legendás kardpengéi széles körben ismertek voltak rendkívüli szilárdságukról és keménységükről. Az olyan szent kövekről, mint a mekkai Kaaba fekete köve, azt mondták, hogy mágikus tulajdonságokkal, valószínűleg mágnesességgel rendelkeznek. Ezek a híres fegyverek és szent ereklyék olyan vasból állnak, amely meteorok formájában hullott le az égből. Ez a meteroikus vas gyakran nagy mennyiségű nikkelt tartalmaz. Az ősi fegyverkészítők, akik ebből készítették pengéiket, egy kezdetleges, nagy szilárdságú, rozsdamentes acélötvözetre bukkantak. Évszázadokba telt, mire e varázslatos anyagok mögött álló tudományt megmagyarázták.

Az 1700-as években, amikor az ipari forradalom előbb Angliában, majd a kontinentális Európában és az Egyesült Államokban is kitört, az ipari berendezések és különösen a gőzgépek fejlődése az addig elérhetőnél erősebb anyagok keresésére sarkallt. A korai anyagtudósok acélötvözeteket fejlesztettek ki ennek az igénynek a kielégítésére. Az acél akkor keletkezik, amikor a vasat kis mennyiségű szénnel kombinálják, amely segít stabilizálni és erősíteni a vas kristályszerkezetét. Más elemek, például cink, króm és nikkel kis mennyiségű hozzáadása növeli az acél szilárdságát, alakíthatóságát, korrózióállóságát és felületkezelését.

Fél évszázaddal a nikkel felfedezése után Michael Faraday – aki az elektromágneses indukció felfedezéséről és Faraday törvényéről, a modern mezőelmélet alapjairól is híres – javasolta először, hogy az acélhoz nikkelt adjanak, hogy javítsák annak anyagi tulajdonságait. A Royal Institution de la Rive professzorának 1820-ban írt levelében azt írta: “Az a népszerű elképzelés, hogy a meteorvas nem rozsdásodik, arra késztetett bennünket, hogy kipróbáljuk a nikkel hatását az acélra és a vasra”. A kezdeti kudarcok ellenére Faraday sikeresen tudott kis mennyiségű nikkelt ötvözni az acéllal, olyan anyagokat előállítva, amelyek erősebbek voltak, de még mindig formálhatók és megmunkálhatók, mint a közönséges acél. A svájci kohász, J. C. Fischer által 1824-ben folytatott munka a meteorvas sikeres utánzását eredményezte.

Ezek a korai felfedezések megalapozták a fokozott korrózióállósággal és szilárdsággal rendelkező ötvözetekből készült korszerű rozsdamentes és szerkezeti acélok alapjait. A nikkelnel dúsított acélpáncélzatot hamarosan hadihajókon használták az 1800-as évek közepén és végén. Michael Faraday vizsgálatai a különböző fémek elektrokémiájáról – vagyis arról, hogy mennyire hajlandóak kölcsönhatásba lépni az elektromos árammal – növelték a nikkel felhasználási területét. Az 1840-es évekre a kohászok képesek voltak a nikkelt más fémfelületekbe bevonni úgy, hogy elektromos árammal oldott nikkelsókat és nikkelionokat vonzottak a fémelektródák felületére. Ezek a bevonatok kopás- és rozsdaállóságot biztosítottak számos termék számára, a főzőedényektől a vízvezeték-szerelvényekig.

A háború lángjainak fellobbanása

Az első világháború alatt a nikkel értéke drámaian megnőtt, mivel a fegyverekhez, lőszerekhez és járművekhez szükséges nagy szilárdságú rozsdamentes acél iránt újonnan felmerült igény mutatkozott. A nikkel most már nemcsak a valuta fontos összetevője volt, hanem értékes természeti erőforrás is, amelyet minden hadviselő fél keresett. 1916-ban egy német tengeralattjáró életveszélyes kockázatot vállalt, amikor megpróbálta áttörni a brit blokádot, hogy egy kis rakomány kanadai nikkelhez jusson. A sikeres küldetést ugyanúgy ünnepelték, mint egy hagyományos katonai győzelmet; ilyen értékes és fontos volt a nikkel a német hadigépezet számára. A háborús termelés csúcspontján Kanada, a világ első számú nikkelforrása, évente mintegy 92 millió font nikkelt termelt.

A fegyverszünet és később a nagy gazdasági világválság miatt a nikkelipar a két világháború között pillanatnyi visszaesést szenvedett. A katonai felszerelések gyártása drámaian visszaesett, mivel az ipari világ a fogyasztási cikkekre összpontosított. A belsőégésű motorok fejlődése az 1930-as években azonban hozzájárult ahhoz, hogy a magas hőmérsékleten való meghibásodással szembeni ellenálló képességük miatt keresett bizonyos nikkelacélok iránti kereslet továbbra is magas maradt. Ez a tulajdonság kulcsfontosságú volt az olyan alkatrészeknél, mint a hengerfejek és dugattyúk, amelyek nagyon magas hőmérsékleten robbanásszerű nyomásnak vannak kitéve.

A második világháború kitörése ismét megnövelte az acél és a nikkel iránti keresletet. A konfliktus alatt a nikkelötvözetek gyártása elérte az előző 54 év teljes termelését. Kanada a brit kormánnyal közösen lényegében szabályozta a világ nikkelpiacát a második világháború alatt, és még a nem létfontosságú, fogyasztási cikkekben való felhasználását is korlátozta. Ez súlyosan korlátozta a tengelyhatalmak számára elérhető nikkel mennyiségét, és ennek következtében a nikkelérclelőhelyek hamarosan stratégiai jelentőségűvé váltak a németek számára. Katonai hadműveleteket indítottak a nikkelraktárak német ellenőrzés alá vonására. A finnországi Petsamo nikkelbányát, amelyet korábban a megszálló szovjet hadsereg leállított, 1940-ben a németek elfoglalták, és a németek számára az acélszilárdító nikkel egyik fő háborús forrásává vált.

A repülőgépek, sugárhajtóművek és azon túl

A második világháború alatt és az 1950-es években az első sugárhajtóművek kifejlesztésével új sebesség- és teljesítményteljesítmények születtek. Ezek az új hajtóművek nagy nyomású gázsugarakat hoztak létre úgy, hogy gyorsan forgó turbinák segítségével sűrítették össze a levegőt, majd kipufogó fúvókákon keresztül kilőtték azt. A gyorsan forgó turbinák magas hőmérsékletet és feszültséget értek el, és ismét új fémötvözeteket igényeltek, hogy ellenálljanak ezeknek az erőknek. A nikkelt sok ilyen ötvözetben erősítőanyagként használták. A feszültséggel és hőmérséklettel szembeni hasonló igény a nikkeltartalmú ötvözetek alkalmazását a kibontakozó űrversenyben is indokolta. A rakétahajtóművek a kipufogógázok magas hőmérséklete és nyomása miatt hasonló műszaki követelményeket támasztanak, mint a sugárhajtóművek, és a rakétaüzemanyag elégetése által okozott szélsőséges rezgéseket is el kell viselniük. A korai űripar a nikkelt más nagy szilárdságú anyagokkal, például titánnal együtt használta a szuperötvözetek új osztályainak létrehozására, amelyek képesek ellenállni az űrrepülés során fellépő turbulenciának.

Nickel Today

Újabb tanulmányok kimutatták, hogy a nikkel feldolgozása és finomítása káros egészségügyi következményekkel járhat. Az 1960-as években végzett kutatások korai jeleket mutattak arra, hogy a nikkelvegyületek, mint például a nikkel-karbonil, tüdődaganatot okozhatnak laboratóriumi patkányokban. Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) által az 1980-as években végzett későbbi vizsgálatok kimutatták, hogy a nikkelfinomítói por, a nikkel-karbonil vagy a nikkel-szulfid – mind a nikkelfinomítás és fémfeldolgozás közvetlen melléktermékei – magas szintű, hosszan tartó expozíciója rákot okozhat. A rozsdamentes acél hegesztéséből származó nikkeltartalmú füst belélegzése szintén összefüggésbe hozható a rák kockázatának növekedésével. Ez vezetett ahhoz, hogy szövetségi rendeletek korlátozták bizonyos nikkelvegyületek munkahelyen és a környezetben elfogadható mennyiségét.

Ha bizonyos formában, elég hosszú időn keresztül nagy koncentrációban belélegzik, a nikkel valóban rákkeltő az emberre nézve. A modern ipari higiéniai gyakorlatok segítettek megfékezni ezeket a nikkel okozta egészségügyi szövődményeket.

A nikkelnek való kitettség messze leggyakoribb egészségügyi hatása az allergiás reakció. Egyes emberek genetikailag hajlamosak arra, hogy érzékennyé váljanak a nikkelre, ha elég gyakran foglalkoznak közvetlenül a fémmel. Ha egyszer érzékennyé váltak, az érintkezés helyén dermatitis – allergiás reakció a bőrön – léphet fel, amely kiütéseket és szélsőséges esetben asztmás rohamokat okozhat. Becslések szerint a lakosság 5-10 százaléka hajlamos a nikkelallergiára.

Noha a nikkelt elsősorban az acéliparban használják a kiváló minőségű acélok erősítésére és korrózióállóságának növelésére, számos mindennapi tárgyba is bekerült. A nikkeltartalmú háztartási tárgyak közé tartoznak a csapok, konyhai eszközök, készülékek, újratölthető elemek (nikkel-kadmium vagy Ni-Cad fajta), ékszerek és természetesen az érmék. Az ősökhöz hasonlóan valószínűleg a legtöbben közülünk is használnak nikkeltermékeket anélkül, hogy tudnának róla.

A források között szerepel:

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

-Aitchison, Leslie. A fémek története. London: MacDonald and Evans Ltd., 1960.

-Encyclopedia of Toxicology. szerk. 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 és Shirley. Toxikumok A-tól Z-ig: Útmutató a mindennapi környezetszennyezési veszélyekhez. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: a mérgek alaptudománya. New York: McGraw-Hill, 2001.

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

-Winter, Mark. Nickel: Key Information. 2002. Sheffieldi Egyetem. 2002. szeptember 4.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern

.