Unknown Source of Strength

Mensen gebruiken nikkel al ongeveer net zo lang als dat ze metalen voorwerpen produceren. Nikkel is een relatief overvloedig element – het 24e meest voorkomende op aarde – en wordt overal ter wereld in metaalertsafzettingen gevonden. De oudheid waardeerde deze ertsen als een bron van metalen met gewenste eigenschappen, zoals sterkte en flexibiliteit, en gebruikte ze om van alles te maken, van munten tot messen, bijlen en wapens. De gewenste eigenschappen van deze metaallegeringen werden echter vaak toegeschreven aan de aanwezigheid van koper of ijzer. Archeologen hebben uit oude metalen artefacten kunnen afleiden dat het ‘ijzer’ van de vroege metaalgebruikende samenlevingen in feite een mengsel was dat 5 tot 26 procent nikkel bevatte.

Lang voordat nikkel werd geïsoleerd, ontwikkelden de oude Chinezen een materiaal dat paitung (ook wel paktong of tutenag genoemd) werd genoemd en dat werd gewaardeerd om zijn zilverachtige glans en sterkte. Volgens Chinese manuscripten werd paitung reeds in de derde eeuw na Christus gebruikt in wapens, munten en kunstwerken. Paitung zou hoofdzakelijk koper en nikkel hebben bevat met kleine hoeveelheden zink en tin.

Ook in Europa vond nikkel zijn weg in legeringen, zonder dat de smeden en smelterijen van die tijd het wisten. Nikkellegeringen werden in de Middeleeuwen gebruikt voor de vervaardiging van harnassen en kettingen, en de relatieve overvloed aan nikkelhoudende ertsen maakte het een goedkope manier om muntgeld van een mooie glans te voorzien. Maar pas na de ontdekking van nikkel in 1750 werd dit veelvoorkomende metaaladditief geïsoleerd en begrepen.

Mijnbouwactiviteiten in de Saksische regio van Duitsland leidden uiteindelijk tot de ontdekking van nikkel. In 1750 ontdekten kopersmelterijen in Saksen een eigenaardig kopererts dat iets lichter van kleur was dan normaal. Na verwerking en raffinage leverde dit erts een ongewone vorm van koper op die bijzonder helder en zilverachtig was. Deze vreemde vorm van koper bleek ook duidelijk andere materiaaleigenschappen te hebben. Het was extreem hard en kon niet smeedbaar worden gemaakt, ondanks herhaalde pogingen van de smelters. Het nieuwe metaal werd bekend als Kupfernickel, wat ruwweg vertaald “koper met de duivel erin” betekent. De samenstelling van deze legering was in feite zeer vergelijkbaar met de paitung van het oude China.

Nikkel – het mysterieuze bestanddeel van Kupfernickel dat het deze onderscheidende eigenschappen gaf – werd uiteindelijk “ontdekt” en geïsoleerd uit een mineraal genaamd niccoliet door de Zweedse mineraloog Baron Axel Frederik Cronstedt in 1751. De baron had, net als de Saksische smelters, eerst verwacht koper uit dit mineraal te winnen, maar in plaats daarvan leverde zijn werkwijze een sterk, wit metaal op. Omdat hij het materiaal met geen enkel bekend metaal kon vergelijken, stelde de baron vast dat hij het raadselachtige bestanddeel van Kupfernickel had geïsoleerd en noemde hij het nieuwe metaal “nikkel” naar de duivel zelf, “Old Nick.”

Nickel and Dimed

Zowel moderne als oude samenlevingen hebben nikkel gebruikt om munten meer glans te geven, het gewicht ervan te verminderen en ze beter bestand te maken tegen corrosie en slijtage. De toevoeging van nikkel aan muntlegeringen werd echter steeds gebruikelijker toen de naties overschakelden op systemen van zwevende wisselkoersen, waarbij de waarde van het materiaal in een munt niet langer overeen hoefde te komen met de nominale waarde. Toen de uitwisseling van valuta niet langer aan de goud- en zilverstandaard was gekoppeld, werd Zwitserland het eerste van vele moderne landen dat nikkel in munten gebruikte. De eerste zuivere nikkelen munt werd in 1881 door Zwitserland uitgegeven, en Oostenrijk en Hongarije volgden in 1893.

In de late jaren 1850 voegden de Verenigde Staten nikkel toe aan zowel hun penny als hun vijf-centstuk, die voorheen hoofdzakelijk koper en zink (brons) bevatten. Het woord “nikkel” werd een populaire term voor het vijf-centstuk zelf, ondanks het feit dat het grootste deel van de munt van koper was (de Amerikaanse nikkelen munt uit de jaren 1800 bevatte 75 procent koper en 25 procent nikkel). Er was veel vraag naar de munt, omdat hij een handige denominatie was voor veel alledaagse artikelen, zoals bier en sigaren. De komst van speelautomaten en de alomtegenwoordigheid van nikkeltarieven in bussen en metro’s hebben ook bijgedragen tot de populariteit van deze munt. Men schat dat de Verenigde Staten tegen 1958 meer dan 4 miljard stuivers hadden uitgegeven.

Van Meteoren tot Machines

Zelfs een eeuw nadat het element nikkel werd geïsoleerd, hadden wetenschappers en ingenieurs de unieke materiaaleigenschappen ervan nog niet ten volle benut. Nikkel is een overgangsmetaal dat legeringen vormt met een groot aantal andere overgangsmetalen zoals koper, zink, ijzer, zilver, cadmium en chroom. Het is zowel sterk – het is bestand tegen breuk onder hoge spanning – als buigzaam – het buigt in plaats van te barsten onder spanning. Dit is een waardevolle combinatie van eigenschappen. Ingenieurs zoeken deze combinatie van eigenschappen bij het ontwerpen van constructies zoals bruggen, die zware belastingen moeten kunnen weerstaan maar ook onder druk moeten buigen in plaats van te barsten.

Verhalen over dergelijke wondermaterialen zijn door de geschiedenis heen doorgegeven. De legendarische zwaardzwaarden van het oude Damascus en Arabië stonden alom bekend om hun extreme sterkte en hardheid. Van heilige stenen, zoals de zwarte steen van de Kaaba te Mekka, werd gezegd dat zij magische eigenschappen bezaten, waarschijnlijk magnetisme. Deze befaamde wapens en heilige relikwieën zijn samengesteld uit ijzer dat in meteoren uit de hemel is gevallen. Dit meteoorijzer bevat vaak grote hoeveelheden nikkel. De oude wapenmakers die hun messen hiervan maakten, waren gestuit op een primitieve, roestvrije staallegering met een hoge sterkte en roestbestendigheid. Het zou eeuwen duren voordat de wetenschap achter deze magische materialen zou worden verklaard.

In de jaren 1700, toen de Industriële Revolutie eerst in Engeland en vervolgens op het Europese vasteland en in de Verenigde Staten op gang kwam, leidde de ontwikkeling van industriële apparatuur en van stoommachines in het bijzonder tot een zoektocht naar sterkere materialen dan die welke tot dan toe beschikbaar waren. De eerste materiaalwetenschappers ontwikkelden staallegeringen om aan deze behoefte te voldoen. Staal ontstaat wanneer ijzer wordt gecombineerd met kleine hoeveelheden koolstof, die helpt om de kristalstructuur van ijzer te stabiliseren en te versterken. Toevoeging van kleine hoeveelheden andere elementen zoals zink, chroom en nikkel verhogen de sterkte, de taaiheid, de corrosiebestendigheid en de afwerking van staal.

Het was een halve eeuw na de ontdekking van nikkel dat Michael Faraday – ook beroemd om zijn ontdekking van elektromagnetische inductie en de Wet van Faraday, de basis van de moderne veldtheorie – voor het eerst voorstelde om nikkel aan staal toe te voegen om de materiaaleigenschappen ervan te verbeteren. In een brief aan Professor de la Rive van het Royal Institution in 1820 schreef hij: “Wij zijn er door het populaire idee dat meteorisch ijzer niet zou roesten, toe aangezet om het effect van nikkel op staal en ijzer te beproeven”. Ondanks aanvankelijke mislukkingen was Faraday in staat om met succes kleine hoeveelheden nikkel met staal te legeren, waarbij materialen werden geproduceerd die sterker waren, maar nog steeds kneedbaar en verwerkbaar als gewoon staal. Werk voortgezet door de Zwitserse metaalbewerker J.C. Fischer in 1824 resulteerde in succesvolle imitaties van meteorisch ijzer.

Deze vroege ontdekkingen legden de basis voor geavanceerd roestvrij en constructiestaal gemaakt van legeringen met verhoogde corrosiebestendigheid en sterkte. Een pantser van met nikkel versterkt staal werd al snel gebruikt in oorlogsschepen in het midden en het einde van de 18e eeuw. Het onderzoek van Michael Faraday naar de elektrochemie van verschillende metalen – hun bereidheid tot wisselwerking met elektrische stromen – deed de toepassingen van nikkel toenemen. Tegen de jaren 1840 waren metaalbewerkers in staat nikkel op andere metalen oppervlakken aan te brengen door een elektrische stroom te gebruiken om opgeloste nikkelzouten en nikkelionen naar het oppervlak van metalen elektroden te trekken. Deze coatings boden weerstand tegen slijtage en roest voor talrijke producten, gaande van kookgerei tot sanitair.

Aanwakkeren van oorlogsvlammen

Tijdens de Eerste Wereldoorlog steeg de waarde van nikkel dramatisch als gevolg van de nieuwe vraag naar roestvrij staal met hoge sterkte voor kanonnen, munitie en voertuigen. Nikkel was nu niet alleen een belangrijk bestanddeel van valuta, maar ook een waardevolle natuurlijke hulpbron die door alle strijdende partijen werd gezocht. In 1916 riskeerde een Duitse onderzeeër levensgevaarlijke pogingen om door de Britse blokkade heen te breken en een kleine lading Canadees nikkel te bemachtigen. De succesvolle missie werd op dezelfde manier gevierd als een traditionele militaire overwinning; zo waardevol en belangrijk was nikkel voor de Duitse oorlogsmachine. Op het hoogtepunt van de oorlogsproductie produceerde Canada, ’s werelds belangrijkste bron van nikkel, ongeveer 92 miljoen pond nikkel per jaar.

De wapenstilstand en later de Grote Depressie zorgden ervoor dat de nikkelindustrie tussen de wereldoorlogen even een duikvlucht nam. De productie van militaire uitrusting daalde drastisch toen de industriële wereld zich weer op consumptiegoederen concentreerde. De vooruitgang in de verbrandingsmotor tijdens de jaren 1930 hielp echter om de vraag naar bepaalde nikkel staalsoorten hoog te houden omdat ze bestand waren tegen defecten bij hoge temperaturen. Deze eigenschap was van cruciaal belang in onderdelen zoals cilinderkoppen en zuigers die onderhevig zijn aan explosieve druk bij zeer hoge temperaturen.

Het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog deed de vraag naar staal en nikkel opnieuw stijgen. Tijdens het conflict was de productie van nikkellegeringen gelijk aan de totale productie van de 54 voorafgaande jaren. Canada reguleerde samen met de Britse regering in feite de wereldmarkt voor nikkel tijdens de Tweede Wereldoorlog en legde zelfs beperkingen op voor het gebruik ervan in niet-essentiële consumptiegoederen. Hierdoor werd de hoeveelheid nikkel die beschikbaar was voor de As-mogendheden sterk beperkt, en de nikkelertsvoorraden werden daardoor al snel een strategisch belang voor de Duitsers. Er werden militaire operaties gestart om de nikkelvoorraden onder Duitse controle te brengen. De Petsamo nikkelmijn in Finland, eerder tot stilstand gebracht door het binnenvallende Sovjet leger, werd in 1940 door de Duitsers veroverd en werd een belangrijke bron van staalversterkend nikkel voor de Duitse oorlog.

Vliegtuigen, straalmotoren en verder

Nieuwe hoogstandjes in snelheid en kracht kwamen voort uit de ontwikkeling van de eerste straalmotoren tijdens de Tweede Wereldoorlog en in de jaren 1950. Deze nieuwe motoren creëerden hogedrukgasstralen door snel draaiende turbines te gebruiken om lucht samen te persen en door uitlaatmondstukken uit te stoten. De snel draaiende turbines bereikten hoge temperaturen en spanningen en vereisten opnieuw nieuwe metaallegeringen om deze krachten te weerstaan. Nikkel werd gebruikt als versterkingsmiddel in veel van deze legeringen. Soortgelijke behoeften aan weerstand tegen spanningen en temperaturen leidden tot het gebruik van nikkelhoudende legeringen in de ontluikende ruimtewedloop. Raketmotoren moeten aan soortgelijke technische eisen voldoen als straalmotoren, vanwege de hoge temperatuur en druk van de uitlaatgassen, en zij moeten ook bestand zijn tegen extreme trillingen, veroorzaakt door de verbranding van raketbrandstoffen. De vroege ruimtevaartindustrie gebruikte nikkel in combinatie met andere materialen met hoge sterkte, zoals titanium, om nieuwe klassen superlegeringen te creëren die de turbulentie van de ruimtevlucht konden weerstaan.

Nickel Today

Recente studies hebben aangetoond dat de verwerking en raffinage van nikkel schadelijke gevolgen voor de gezondheid kan hebben. Onderzoek in de jaren zestig toonde vroege aanwijzingen dat nikkelverbindingen zoals nikkelcarbonyl longtumoren bij laboratoriumratten kunnen veroorzaken. Latere studies die in de jaren tachtig door de Environmental Protection Agency (EPA) van de Verenigde Staten werden uitgevoerd, toonden aan dat langdurige blootstelling aan hoge concentraties nikkelraffinaderijstof, nikkelcarbonyl of nikkelsubulfide – allemaal directe bijproducten van de raffinage van nikkel en de verwerking van metalen – kanker kan veroorzaken. Ook het inademen van nikkelhoudende dampen bij het lassen van roestvrij staal bleek in verband te staan met een verhoogd risico op kanker. Dit heeft geleid tot federale regelgeving die de hoeveelheid van bepaalde nikkelverbindingen die op de werkplek en in het milieu aanvaardbaar zijn, beperkt.

Als nikkel in bepaalde vormen in hoge concentraties gedurende een voldoende lange periode wordt ingeademd, is het inderdaad kankerverwekkend voor de mens. Moderne industriële hygiënepraktijken hebben geholpen om deze door nikkel veroorzaakte gezondheidscomplicaties te beperken.

Verreweg het meest voorkomende gezondheidseffect van blootstelling aan nikkel is een allergische reactie. Sommige mensen zijn genetisch voorbestemd om gesensibiliseerd te worden voor nikkel als zij maar vaak genoeg direct met het metaal in aanraking komen. Eenmaal gesensibiliseerd, kan dermatitis – een allergische reactie op de huid – optreden op de plaats van het contact, wat uitslag en, in extreme gevallen, astma-aanvallen veroorzaakt. Naar schatting 5 tot 10 procent van de bevolking is gevoelig voor nikkelallergie.

Hoewel nikkel vooral in de staalindustrie wordt gebruikt om hoogwaardig staal te versterken en corrosiebestendiger te maken, heeft het zijn weg gevonden naar een groot aantal alledaagse voorwerpen. Nikkelhoudende huishoudelijke voorwerpen zijn onder meer kranen, keukengerei, apparaten, oplaadbare batterijen (nikkel-cadmium of Ni-Cad variëteit), sieraden en natuurlijk munten. Net als de ouden gebruiken de meesten van ons waarschijnlijk nikkelproducten zonder het te weten.

Bronnen omvatten:

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

-Aitchison, Leslie. A History of Metals. Londen: 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 and Shirley. Toxics A to Z: a Guide to Everyday Pollution Hazards. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: de basiswetenschap van vergiften. New York: McGraw-Hill, 2001.

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

-Winter, Mark. Nikkel: Belangrijke informatie. 2002. De Universiteit van Sheffield. 4 september 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern