Aluminium
Steckbrief
Geschichte
Schwarz-Luftschiff
Aluminium aus Bauxit
Steckbrief
- Der Name Aluminium leitet sich vom lateinischen Wort „alumen“ Alaun ab, einem schwefelsauren Doppelsalz von Kalium und Aluminium, geprägt von Humphry Davy, einem englischen Wissenschaftler (1778-1829).
- III. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente: (Bor-Gruppe, Ordnungszahl 13, Symbol Al)
- Dichte: 2,7 g/cm³, also etwa ein Drittel der Dichte von Eisen.
- Schmelzpunkt: 660,32 Grad Celsius, Siedepunkt: 2.467 Grad Celsius
Schaubild Mengenverhältnisse einiger Elemente in der Erdkruste, Sauerstoff in gebundener Form bei Oxiden.
Quelle: Carl Schmöle: Von den Metallen und ihrer Geschichte, Menden 1967, S. 71
- Massenanteil an der Erdkruste: 8,1 %. Damit ist Aluminium nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element und in der Erdkruste das häufigste Metall.
- Eigenschaften: Silberglänzendes und weiches Leichtmetall. Sehr reaktionsfreudig, da unedel mit großer Affinität zu Sauerstoff, bildet dadurch eine dünne und dichte Oxidschicht. Es ist elektrisch gut leitfähig und durch die Oxidschicht sehr korrosionsbeständig
- Gewinnung: Aus dem Gestein Bauxit (besteht aus 50 bis 60 % Aluminiumoxid, 30 % Eisenoxid, sowie aus Siliziumoxid und Wasser)
- Verwendung: Nach Eisen das zweitwichtigste Metall für die Industrie.
Geschichte
Aluminium wurde erst spät entdeckt, da es in der Natur nicht in reiner Form, sondern nur in Verbindungen, besonders mit Sauerstoff und Kieselsäure, vorkommt. Sein Entdecker war der dänische Chemiker Hans Christian Ørsted (1777-1851), der 1825 mittels eines Reduktionsprozesses von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam als Reduktionsmittel verunreinigtes Aluminium gewinnen konnte.
Reaktionsgleichung: 4 AlCl3 + 3 K ==> Al + 3 KAlCl4.
Ørsted forderte wegen anderer Interessen den Göttinger Chemiker Friedrich Wöhler (Bild rechts) auf, seine Versuche mit Aluminium fortzuführen. 1827 stellte Wöhler ein reines Aluminium als graues Metallpulver mit demselben Reduktionsverfahren, aber mit metallischem Kalium, her. Nach Unterbrechungen gelang es ihm erst im Jahr 1845, einige winzige Aluminiumkügelchen herzustellen. Damit konnte er dann auch die Dichte des Metalls bestimmen.
Der französische Chemiker Henri Sainte-Claire Deville (1818 -1881) las die veröffentlichten Forschungsergebnisse von Wöhler und konnte damit seine eigenen Aluminium Versuche erfolgreich fortsetzen: Er verwendete aber sehr reine Ausgangssubstanzen und konnte damit 1854 größere Aluminiumstücke erzeugen. Sein nächstes Ziel war die industrielle Gewinnung von Aluminium. Er entwickelte bei seinen öffentlichen Auftritten Visionen über die Verwendung dieses neuen Metalls, konnte damit auch Kaiser Napoleon III. begeistern und bekam von ihm Geld zur Entwicklung der industriellen Herstellung von Aluminium. Nach erfolgreichen Versuchen begann er in der Chemischen Fabrik der Brüder Rousseau mit der Herstellung von Aluminium. Er entwickelte das Wöhlerverfahren weiter: Statt des teuren Kaliums benutzte er das billigere Natrium als Reduktionsmittel, verbesserte auch das Produktionsverfahren für Natrium und senkte damit nochmals die Kosten.
1854 kostete 1 Kilo Aluminium noch 3000 Francs und wurde deswegen als Schmuckmaterial verwendet, das aufgrund des hohen Preises und seine Neuartigkeit einen hohen Prestigewert in der Gesellschaft hatte. Das Prestige verschwand aber rasch wieder, nachdem 1860 der Preis für 1 Kilo auf 130 Francs gesunken war.
Im Jahr 1866 erfand Werner von Siemens die Dynamomaschine als Voraussetzung für die Erzeugung von Strom im großen Maßstab. Nachdem sein Bruder Carl Siemens 1883 auch den ersten elektrischen Metallschmelzofen mit Kohleelektroden und Kohletiegel gebaut hatte, konnten die von Deville und Bunsen bereits 1854 gefundenen Grundlagen zur elektrolytischen Abscheidung des Aluminiums industriell ausgewertet werden.
Unabhängig voneinander meldeten 1886 P. T. Herault in Frankreich und Christian M. Hall in Amerika Patente zur industriellen Elektrolyse von Aluminium an. In Neuhausen (Schweiz) am Hochrhein und an den Niagarafällen in Amerika wurden Hüttenwerke errichtet, die durch Stromerzeugung aus Wasserkraft das Aluminium so billig herstellen konnten, dass es für allgemeine Gebrauchsartikel erschwinglich wurde.
Turbinenanlage (600 PS) und Gleichstromdynamoanlage (12.000 Ampere, 16 Volt) in Neuhausen/ Schweiz am Rhein von 1888
Quelle: Joliet, Hans (Hrsg.): Aluminium. Die ersten hundert Jahre. Düsseldorf 1988. S. 90.
Quelle: Joliet, Hans (Hrsg.): Aluminium. Die ersten hundert Jahre. Düsseldorf 1988. S. 105.
Mengenbeispiel zur Erzeugung von einer Tonne Aluminium:
Aus 4-5 Tonnen Bauxit lassen sich 2 Tonnen Tonerde extrahieren, die mit 75 kg Kryolit (senkt Schmelzpunkt von 2000 auf 1000 ° Celsius) und 550 kg Elektrodenkohle unter Zufuhr von 18.000- 20.000 Kilowattstunden Strom 1 to Aluminium ergeben.
Die ersten Verwendungen für das neue leichte Metall fanden sich beim Militär, das an Gewichtsreduzierungen für die Ausrüstung der Soldaten interessiert war: Es wurden Feldflaschen, Kochgeschirre und Zeltstangen produziert. Die Stahlgießereien benötigten Aluminium zum Desoxidieren von Flusseisen und Flussstahl. Dabei zerstört Aluminium die im Flusseisen gelösten Oxide, hauptsächlich Eisenoxid und reduziert auch die Gasentwicklung beim Guss. Die Verwendung von Aluminium bei Haushaltsartikeln setzte sich dagegen nur sehr langsam durch.
Für die Verwendung in der Luftfahrt war Aluminium durch sein geringes Gewicht geradezu prädestiniert. Der Fabrikant Carl Berg erkannte dies frühzeitig und unterstützte den Erfinder David Schwarz beim Bau des ersten Aluminiumluftschiffs 1897 mit Geld und dem Wissen seiner Ingenieure bei der Konstruktion. Bereits vorher hatte Berg Aluminiumlegierungen zur Steigerung der Festigkeit entwickelt und patentieren lassen.
In der Zeit danach kam es zwischen Carl Berg und Graf Zeppelin mit dessen Patent von 1895 auf einen "Lenkbaren Luftfahrzug" zur einer engen Zusammenarbeit, die zur Herstellung der Aluminiumbauteile für die ersten Zeppeline LZ1- LZ3 führte
Das erste Luftschiff aus Aluminium
In der Ausstellung im Zeppelin Museum Friedrichshafen vom 26.02. bis 25.04.2010 ist ein Modell des Schwarz-Luftschiffs von Andreas Horn aus Basel im Maßstab 1: 66 2/3 zu besichtigen.
Luftschiff-Erfinder David Schwarz
David Schwarz, bis zu seinem 40. Lebensjahr ein Holzhändler in Österreich- Ungarn, beschäftigte sich in langen Winterabenden mit Büchern über den Ballonflug. Er erkannte, dass nur ein völlig starrer Körper gute Flugeigenschaften haben könne und plante deshalb ein Luftschiff mit einer äußeren Hülle aus dünnen Aluminiumblechen und einem starren Gerüst im Inneren. Nach missglückten Versuchen in Russland fand er 1892 im Fabrikbesitzer Carl Berg aus dem westfälischen Eveking einen Verbündeten, der den vorteilhaften Einsatz des Aluminiums sowohl für die Luftfahrt, als auch für sich als Marktchance erkannte und die Aluminiumbauteile für das Schwarz Luftschiff in seiner Fabrik auf eigene Kosten anfertigen ließ. Am 18. August 1892 schloss Schwarz mit Berg einen Vertrag zur Lieferung von Aluminium ab.
In den Fabriken von Berg wurde das Projekt von den Ingenieuren Weißpfennig , v. Watzesch- Waldbach und dem Oberingenieur Tenzer durchkonstruiert, geprüft, verbessert und schließlich in Einzelteilen gebaut, die dann unter der Aufsicht von David Schwarz auf dem Tempelhofer Feld bei Berlin montiert wurden. Den Aufstieg konnte Schwarz nicht mehr miterleben, da er am 13. Januar 1897 in Wien verstarb. Seine Witwe Melanie Schwarz wollte sein Lebenswerk weiter betreiben und einigte sich mit Carl Berg vertraglich über die Fortsetzung des Projekts. Nachdem von den Vereinigten Chemischen Werken in Leopoldshall-Staßfurt endlich ein Wasserstoffgas mit der erwarteten Hebekraft von 1,15 kg pro Kubikmeter geliefert worden war, sollte der Aufstieg am 3. November 1897 stattfinden.
Luftschiff David Schwarz, vor dem Aufstieg am 3. Nov. 1897
Quelle: Berg, Carl: David Schwarz, Carl Berg, Graf Zeppelin: ein Beitrag zur Geschichte der Luftfahrt. Werdohl 1926 [erschienen 1953]. S. 21.
Der Luftschiffführer Ernst Jagels stieg am geplanten Tag um 3 Uhr nachmittags mit dem Luftschiff auf, obwohl ein starker Wind wehte. Bald nach dem Aufstieg bei einem Wind mit einer Geschwindigkeit von 15 m pro Sekunde fielen beide Propellerriemen kurz nacheinander von den Antriebsscheiben. Das Luftschiff wurde abgetrieben und Jagels öffnete schließlich in seiner Not das Gasventil, um das Schiff herunter zu bringen und landete dabei nach mehreren Bodenberührungen ziemlich heftig. Das Luftschiff wurde dadurch so stark beschädigt, dass es nicht mehr repariert werden konnte.
Schwarz-Luftschiff nach der Havarie
Quelle: Berg, Carl: David Schwarz, Carl Berg, Graf Zeppelin: ein Beitrag zur Geschichte der Luftfahrt. Werdohl 1926 [erschienen 1953]. S. 31.
Graf Zeppelin war als Zaungast bei dem Aufstieg dabei und kam danach in Kontakt mit Carl Berg. Es entwickelte sich eine Partnerschaft für das Vorhaben von Graf Zeppelin, ein Luftschiff nach seinen patentierten Plänen zu bauen. Berg hatte sich als Großaktionär mit 100.000 Mark an Graf Zeppelins "Gesellschaft zur Förderung der Luftschifffahrt" auf Aktien beteiligt und lieferte die benötigten Bauteile aus seinen patentierten Victoria-Aluminium Legierungen zunächst für das erste Zeppelin Luftschiff LZ 1, das am 2.7.1900 erfolgreich seinen Erstaufstieg absolvierte. Technische Daten des Luftschiffs
Die Gesamtlänge betrug 38,32 Meter. Das Luftschiff bestand aus einem 12 m breiten Zylinder von 24,32 m Länge, dessen vorderes Ende in einem 11 m langen spitz parabolischen Teil auslief, während das andere Zylinder- Ende durch einen 3 m hohen Hohlkugelteil abgeschlossen wurde. Die äußere Hülle bestand aus langen Aluminiumblechen von 0,18 bis 0,20 mm Stärke, die luftdicht gefalzt und genietet waren. Die Form des Luftschiffs wurde durch einen 24,32 m langen, 8 m breiten Rahmen erreicht, der aus zwei Längsgitterträgern und zwei parallel damit verlaufenden Zwischenträgern und zehn Querträgern bestand. Die Gondel des Luftschiffs war aus Aluminiumblech und 20x20x2 mm Doppelwinkeln hergestellt; sie hing unterhalb des Luftschiffs an vier Gitterträgern, die an zwei starken Querträgern des Hauptrahmens montiert waren. Der Daimlermotor hatte vier Zylinder mit 16 PS und trieb durch Riemen je einen Propeller von 2 m Durchmesser rechts und links am Luftschiff an, sowie 3 weitere Propeller an der Gondel, die über Achsen angetrieben wurden.
Vom Bauxit zum Aluminium
Grube des ersten Bauxitabbaus 1821 bei Les Baux, Namensgeber für Bauxit
Quelle: Robert Raymond: Out of the Fiery Furnace, Univ. of Pennsylvania State Press 1986, S. 220.
Bauxit als Ausgangsmaterial zur Aluminiumgewinnung:
Steinige Gemenge, die neben 60.72% wasserhaltiger Tonerde auch Eisen, Silizium, Titan und andere Stoffe in geringer Menge enthalten. Bauxit entstand durch Verwitterung verschiedener silikatischer Gesteine, wie Granit, Gneis, Basalt, Syenit, Ton und Tonschiefer.
Zwei Arten von Bauxit:
- Laterit (Silikat)- Bauxite aus den Tropengürtelländern. Bedeutendste Fördergebiete in Australien, China, Brasilien, Guinea, Jamaika und Indien.
- Karst (Karbonat)- Bauxite aus Griechenland, Ungarn und Frankreich.
Weltweite Bauxitvorkommen
Quelle: Luitgard Marschall: Aluminium- Metall der Moderne, München 2008, S. 209
Bauxitförderung
Welt 1931: 3,1 Mio. t
Welt 2007: 202 Mio. t
Aluminiumproduktion
Welt 1938: 579.000 t
Welt 2007: 38 Mio. t
Europa 1938: 359.000 t
Deutschland 1938: 161.000 t
Aluminiumgewinnung in zwei Stufen
1. Prozessstufe: Aus dem Bauxit werden hier Eisenoxid und Kieselsäure entfernt, um reine Tonerde (Aluminiumoxid) für die weitere Verarbeitung zu erzeugen.
Prozessschema zur Erzeugung von Tonerde aus Bauxit
Quelle: Luitgard Marschall: Aluminium- Metall der Moderne, München 2008, S. 228.
2. Prozessstufe: Die Tonerde wird in diesem Schmelzflusselektrolyseofen (durch Reduktion) vom Sauerstoff befreit, um reines Aluminium zu erhalten. Die Elektroden sind aus Kohle. Bei dem Reduktionsprozess entsteht neben dem Aluminium Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Der Prozess benötigt sehr viel Strom (pro kg erzeugtes Aluminium 16 kWh). Die Tonerde wird laufend dem Prozess hinzugefügt. Durch das Hinzufügen von Kryolit wird der Schmelzpunkt des Aluminiumoxids von 2000 auf 1000° Celsius reduziert, was einen ökonomischen Prozess erst möglich gemacht hat. Das reine Aluminium lagert sich allmählich am Boden des Ofens ab und wird regelmäßig abgepumpt. Der Prozess muss kontinuierlich am Laufen gehalten werden, da ein längerer Stromausfall den Ofen zerstören würde.
