Om maar met de deur in huis te vallen; het kost gewoon erg veel energie om aluinaarde van bauxiet te scheiden en deze weer naar vloeibaar aluminium te vormen. Dat zorgde ervoor dat aluminium pas laat op grote schaal kon worden ingezet.
Overigens; als lid van de stichting High-Tech de Peel-Helmond werken we met de jongste jeugd (groep 6-7-8 basisschool) en willen daar de techniek enthousiasmeren. In die gedachte blijf ik ook deze blog schrijven en vertaal in die bewoordingen, denkwijze qua snelle digitale wereld; waarom dat aluminium ook jong en hip is!
Terug naar het feit dat we voor de productie van aluminium dus energie nodig hebben. Maar hoe en wanneer vonden we dat als mensheid dan uit? en hoe kregen we die energie en productie van de grond?
Dan duik ik voor het gevoel terug naar de oudheid waar meneer Archimedes (die leefde van 287 tot 212 voor Christus) al beroemd was vanwege zijn natuurwetenschappelijke en technische prestaties. Hij legde de fundamenten voor de hydrostatica, de statica en gaf een verklaring voor het principe van de hefboom; maar de energie die nodig is voor de productie van aluminium en het proces van verhitting in vuur of een oven zoals bij ijzererts is pas veel later “uitgevonden” (zie onderstaande; nu namelijk zo’n 135 jaar geleden pas). Het is en was namelijk erg complex en dus niet voldoende bekend om de aluminiumoxyde (ook wel aluinaarde genoemd) uit het bauxiet te halen.
Om dit te realiseren is namelijk veel onderzoek gedaan, veel getest en is er uiteindelijk een combinatie nodig van het Bayerproces en het Hall-Héroult-proces. Dat zijn procesnamen genoemd naar die nog relatief jonge uitvinders.
Het Bayerproces is het proces voor de raffinage van ruw bauxieterts tot zuiver aluminiumoxide, dat geschikt is voor de productie van het metaal aluminium. Het bauxiet is ten eerst daarin dan goed fijngemalen en dan onder druk met warme natronloog gemengd om de Al2O3 op te lossen tot een natriumaluminaat oplossing. De Oostenrijkse scheikundige Carl Josef Bayer vond dit proces in 1887 uit. Vrijwel alle aluminium ter wereld wordt geproduceerd uit bauxiet dat met zijn uitvinding/ zijn proces is gezuiverd.
Het Hall-Héroult-proces is een elektrolyseproces. Voor de elektrolyse is een niet-hygroscopisch en goed geleidend zout nodig om de grondstof voor de metaalproductie in op te kunnen lossen. Het proces is vernoemd naar de Amerikaan Charles Martin Hall en de Fransman Paul Héroult, die gelijktijdig maar onafhankelijk van elkaar in 1886 dit proces uitvonden. Een van de metalen waarbij dit proces op grote schaal wordt toegepast is dus aluminium. De grondstof voor de productie is aluminiumoxide (Al2O3), dat met grafiet gereduceerd wordt: de reactie wordt uitgevoerd in een bad van vloeibaar kryoliet (natriumaluminiumhexafluoride). Aan de kathode (In een elektrisch systeem met twee polen of elektroden is de kathode (letterlijk vertaald; de weg naar beneden) de pool waar de elektronen het systeem ingaan) komt vloeibaar aluminium vrij, aan de anode koolstofdioxide.
Het Hall-Héroult-proces maakt elektrolytisch reductie van aluminiumoxide mogelijk bij slechts 950 tot 970 °C terwijl aluminiumoxide pas smelt bij 2050 °C. Nadeel van het proces is dus dat voor reductie grote hoeveelheden elektrische energie benodigd is. Theoretisch 6,2 kWh per kilogram, praktisch ligt dit ongeveer twee keer hoger.
In die jonge jaren dat aluminium dus beschikbaar is was, werden de voordelen t.o.v. staal al snel duidelijk: het is 3x lichter ten opzichte van staal, het is niet giftig, het is voor bijna 100% te recyclen, het is redelijk makkelijk te bewerken en de sterkte in verhouding met het gewicht is erg hoog. Wat aluminium daarbij ook uniek maakt, is dat je de nadelen meestal prima kunt opvangen door een andere constructie of oplossing te gebruiken. Staal kunnen we overigens onderbouwd vergelijken met aluminium aangezien staal al vanaf ongeveer het jaar 1500 in productie is en we daar in veel toepassingen goed bekend mee zijn.
Chronologisch daarom hier ook wat leuke weetjes waarom Aluminium ook echt wel jong te noemen is. Nog zelf zo lang terug naar voor onze jaartelling!
In tegenstelling tot Aluminium zijn bijvoorbeeld Goud en zilver materialen die behoren tot de eerste (zeg oudste) metalen die de mens ging gebruiken. Beide metalen komen als kleine klompjes in de aarde voor en zijn gemakkelijk te bewerken. Ook koper en tin waren eenvoudig te winnen en konden met primitieve gereedschappen worden bewerkt. Later ontdekte men dat de mengvorm van koper en tin – brons – geschikt is om krachtige wapens en goed gereedschap te maken. Elk nieuw ontdekt metaal gaf de mens en de beschaving een enorme impuls. Brons, een legering van koper en tin, was geschikt voor wapens. Koper is al meer dan 10.000 jaar bekend. Het werd circa 9000 v.Chr. in het Midden-Oosten voor het eerst ontdekt. In het begin werd het metaal gebruikt voor sieraden, gereedschap en eenvoudige wapens. Zo had de beroemde mummie Ötzi uit 3300 v.Chr. bijvoorbeeld een koperen bijl bij zich. Ook in de Europese oudheid was koper belangrijk. De Romeinen noemden het metaal aes Cyprium, omdat op Cyprus veel koper werd gewonnen. De metalen koper en tin hebben allebei een laag smeltpunt. In gebieden waar ze beide in de grond voorkwamen, gebeurde het dan ook vast wel eens dat ze bij een brand tegelijk smolten en vermengd raakten. In de oudheid ontdekte men dat deze mengvorm – brons – hard en eenvoudig te bewerken was. En zo werd de kopertijd afgelost door de bronstijd.
Tin werd echter ook apart gebruikt. In Egypte en op de Balkan zijn tinnen voorwerpen van misschien wel 6000 jaar oud gevonden. Het metaal kwam in Europa echter pas rond 2500 v.Chr. in zwang.
Uit vondsten in Klein-Azië en op eilanden in de Egeïsche Zee blijkt dat daar al in de 4e eeuw v.Chr. zilver uit erts gewonnen werd. Net als goud werd zilver al snel een waardevol en gewild edelmetaal. Zilver werd vooral gebruikt voor sieraden en andere siervoorwerpen, en als betaalmiddel. Uit die tijd stamt ook de basis van de Romeinse geldeconomie. Die basis was in hoge mate gebaseerd op het zilver dat op verschillende plaatsen in het groeiende imperium gewonnen werd. In de oudheid fluctueerde de prijs van zilver van een zesde tot een twaalfde van de prijs van goud.
Het gebruik van nikkel gaat terug naar 3500 v.Chr. Omdat nikkel nauwelijks roest, werd het in latere tijd vaak gebruikt om andere metalen een beschermlaag te geven. Daarnaast is nikkel altijd erg populair geweest bij valsemunters, omdat het verschil tussen een munt van nikkel en een munt van zilver moeilijk te zien is.
IJzer is voor onze beschaving van groot belang geweest. In zuivere vorm komt het echter weinig voor. We kennen ijzer dan ook waarschijnlijk dankzij ijzermeteorieten. Uit vondsten blijkt dat Soemeriërs en Egyptenaren al in 4000 v.Chr. speerpunten van zuiver meteorietijzer maakten. Tussen 3000 en 2000 v.Chr. begon de winning van ijzer uit erts in Egypte en Mesopotamië. Het gebruik van ijzer breidde zich geleidelijk uit naar Europa en Afrika, maar het zou nog eeuwen duren voordat het ‘nieuwe’ metaal de rol van het brons volledig had overgenomen. Historici denken dat dit niet zozeer gebeurde doordat ijzer beter was, als wel door een gebrek aan tin.
Als koper en tin schaars waren, moest het dure brons geïmporteerd worden. Maar in het grootste deel van Noord-Europa kon ijzer uit ijzeroer worden gewonnen, zodat de import van brons overbodig werd.
Kwikzilver is gevonden in meer dan 3500 jaar oude Egyptische graven. Ook de oude Chinezen en de Grieken en Romeinen waren vertrouwd met het vloeibare metaal. Ze wisten echter niet dat kwikzilver zeer giftig is en gebruikten het vaak, in zowel cosmetica als medicijnen.
In de tweede helft van de 19e eeuw trokken duizenden goudzoekers naar Californië en Alaska. Uit archeologische vondsten blijkt dat smeden in Egypte, Mesopotamië en op de Balkan 6000 jaar geleden al wisten hoe ze goud moesten bewerken. Ook in oude geschriften wordt goud genoemd.
Goud was te zacht voor gereedschap en werd daarom vanaf het eerste begin gebruikt als versiering of betaalmiddel. In Klein-Azië werden al in de 7e eeuw v.Chr. gouden munten geslagen, en in Etruskische graven uit dezelfde tijd zijn gouden tandvullingen gevonden. Hoewel goud in de oudheid veel werd gebruikt, is 75% van al het goud in de wereld na 1910 gewonnen.
En pas nu komen we weer uit bij Aluminium; dus een van de jongste materialen. De Hamilton H-47 uit 1928 was een van de eerste vliegtuigen met een romp van aluminium. Omstreeks het begin van onze jaartelling ontdekten de Grieken en Romeinen dat het metaalzout aluin geschikt was om bloedingen mee te stelpen en kleding te verven. Veel later, in 1808, ontdekte de Engelse scheikundige Humphry Davy dat aluin een metalen component bevat. Hij noemde dit bestanddeel alumium en later aluminium. Het metaal zelf werd pas in 1825 door de Deen H.C. Ørsted geïsoleerd. Een paar jaar later wist de Duitse scheikundige Friedrich Wöhler aluminium in poedervorm te winnen. De methoden van Ørsted en Wöhler waren echter niet geschikt voor massaproductie. Daarom was het lichte, exotische, ‘moderne’ materiaal destijds kostbaarder dan goud en platina. Het schijnt dat keizer Napoleon III eens een feestmaal gaf, waarbij de tafel gedekt was met aluminium bestek – maar alleen voor de voornaamste gasten. De anderen moesten genoegen nemen met gouden bestek.
Pas na de opkomst van elektrolyse eind jaren 1880 kon aluminium op grote schaal worden geproduceerd en daalde de prijs. Zoals begonnen; feitelijk is het daarom pas vanaf 1934 dat aluminium op industriële schaal aluminium kon worden geproduceerd en een te benoemen als jong en hip materiaal.