Aluminium

Aluminium ist das häufigste Metall der Erdkruste, steckt dort aber in Oxiden, die weder Feuer noch Holzkohle aufbrechen. Seit 1886 gewinnt man es, indem man Bauxit zu Tonerde raffiniert, die Tonerde in geschmolzenem Kryolith löst und mit starkem Gleichstrom zerlegt.

Was es ist

Aluminium ist ein leichtes, silbriges Metall mit etwa einem Drittel der Dichte von Stahl. Es macht rund 8 % der Masse der Erdkruste aus, mehr als jedes andere Metall, kommt aber fast nie gediegen vor. In Tonen, Feldspäten und den meisten gewöhnlichen Gesteinen ist es an Sauerstoff gebunden, und diese Bindung hält dem Holzkohlefeuer stand, das Eisen oder Kupfer freisetzt.

Das Erz ist Bauxit, ein rötliches Gestein aus tropischer Verwitterung. Eine Raffinerie macht daraus Tonerde, ein weißes Oxidpulver, und eine Hütte zerlegt die Tonerde mit Strom in der Hall-Héroult-Zelle der Tafel. Sie ist bis heute der einzige industrielle Weg zu neuem Aluminium.

Wie es funktioniert

Vom Erz zum Metall: Zwei bis drei Tonnen Bauxit ergeben eine Tonne Tonerde, zwei Tonnen Tonerde eine Tonne Aluminium.

Vom Bauxit zur Tonerde. Im Bayer-Verfahren wird gemahlener Bauxit unter Druck in heißer Natronlauge aufgeschlossen, je nach Erz bei 140 bis 280 °C. Die Aluminiumminerale lösen sich, Eisenoxide und Sand setzen sich als roter Rückstand ab. Abgekühlt und mit Kristallen aus einem früheren Durchgang geimpft, scheidet die Lauge Aluminiumhydroxid aus, das bei bis zu etwa 1100 °C zu Tonerde gebrannt wird.

Von der Tonerde zum Metall. Tonerde schmilzt erst über 2000 °C, doch eine Schmelze aus Kryolith, einem Fluorid von Natrium und Aluminium, mit Zusatz von Aluminiumfluorid löst sie bei etwa 950 bis 980 °C. Die Zelle ist eine mit Kohlenstoffblöcken ausgekleidete Stahlwanne; die Auskleidung bildet die negative Elektrode. Kohlenstoffanoden hängen an Stangen, die an einer schweren Stromschiene festgeklemmt sind, in die Schmelze.

Der Gleichstrom fließt von den Anoden durch die Schmelze zur Auskleidung und zerlegt die gelöste Tonerde. Das Aluminium ist dichter als die Schmelze und sammelt sich flüssig am Boden. Der Sauerstoff wandert zu den Anoden und verbrennt deren Kohlenstoff zu Kohlendioxid, etwa 0,4 bis 0,5 kg Kohlenstoff je Kilogramm Metall; abgenutzte Anoden werden deshalb nacheinander ersetzt. Eine Kruste aus erstarrter Schmelze und Tonerde hält die Wärme. Durch sie wird Tonerde nachgefüllt, und das Metall wird in Abständen abgesaugt.

Der Strom hält die Schmelze auch flüssig. Die Zellen sind in Reihe geschaltet, jede führt weit über hunderttausend Ampere bei nur vier bis fünf Volt. Jedes Aluminiumatom braucht drei Elektronen; so verbraucht die Zelle etwa 13 bis 15 Kilowattstunden je Kilogramm, und weniger als die Hälfte davon geht in die Reaktion selbst. Strom ist der größte Kostenposten, deshalb stehen Hütten dort, wo er billig ist: an den Staudämmen Kanadas, Norwegens oder Islands oder bei großen Kraftwerken, mit Transformatoren und Gleichrichtern für den Gleichstrom.

An der Luft bildet sich auf dem Metall sofort eine wenige Nanometer dicke Oxidschicht, die die Korrosion stoppt und sich nach einem Kratzer neu bildet. Wenige Prozent Kupfer, Magnesium, Silizium oder Zink machen es fest genug für den Flugzeugbau. Recycling muss nur Schrott umschmelzen: 8,3 Gigajoule je Tonne gegenüber 186 für neues Metall im Jahr 2019, eine Ersparnis von etwa 95 %.

Bauanleitung

Aluminium zu Hause herzustellen oder zu schmelzen, kommt nicht infrage. Die Schmelze gibt giftige fluoridhaltige Abgase ab und ist fast 1000 °C heiß, und ein Tropfen Wasser unter flüssigem Metall verdampft schlagartig und schleudert das Metall heraus; geschmolzene Dosen setzen zudem Dämpfe aus Lack und Beschichtung frei. Eine Werkstatt kann das Metall sortieren, kalt bearbeiten und die Elektrolyse mit wenigen Volt zeigen.

Der Magnet haftet an der Stahldose und lässt die Aluminiumdose unbeachtet.

Sortieren. Ein Magnet zieht Stahl an, Aluminium nicht. Um es von anderen unmagnetischen Metallen zu unterscheiden, wiegt man ein Stück und misst das verdrängte Wasser: Aluminium kommt auf etwa 2,7 Gramm je Kubikzentimeter, Kupfer und Messing auf über 8. Speisereste abspülen, lackierte oder beschichtete Teile getrennt halten.

Biegen und bohren. Weiche Sorten lassen sich kalt im Schraubstock zwischen Hartholzbacken biegen; harte Legierungen reißen an einer scharfen Kante und werden um einen gerundeten Klotz gebogen. Zum Bohren ankörnen, das Blech auf eine Holzunterlage spannen und einen scharfen Bohrer mit einem Tropfen Öl nehmen: Von Hand gehaltenes Blech kann sich verhaken und mitdrehen.

Kalt verbinden. Aluminium ist schwer zu schweißen: Sein Oxid schmilzt über 2000 °C, das Metall bei 660 °C, und es glüht nicht, bevor es zusammensackt. Man verbindet es mit Nieten, Schrauben oder Strukturklebstoff, möglichst mit Befestigungen aus Aluminium. In feuchter Umgebung, vor allem am Meer, korrodiert es im Kontakt mit Kupfer, Stahl und selbst Edelstahl; Kunststoffscheiben oder ein Anstrich trennen die Metalle.

Das Prinzip zeigen. Zwei Bleistiftminen in ein Glas Wasser mit einem Teelöffel Waschsoda stellen und an eine 9-Volt-Batterie anschließen. An der negativen Mine perlt Wasserstoff, an der positiven Sauerstoff: Der Strom zerlegt Wasser, wie die Zelle Tonerde zerlegt.

Sicherheit. Kein flüssiges Metall und keine Schmelzflusselektrolyse außerhalb eines Werks. Geschnittenes Blech ist scharf: beim Hantieren Handschuhe tragen und jede Kante entgraten, die Handschuhe vor dem Bohren aber ausziehen und die Augen schützen. Waschsoda reizt Haut und Augen, also eine Schutzbrille tragen. In der Vorführung nie Kochsalz verwenden, weil dabei Chlor entsteht; den Wasserstoff von Flammen fernhalten und nur eine kleine Batterie benutzen, nie das Stromnetz.

Geschichte und Entwicklung

Hans Christian Ørsted gewann 1825 aus Aluminiumchlorid eine winzige, unreine Probe. Friedrich Wöhler stellte 1827 ein Pulver her und 1845 kleine Kügelchen.

Aluminiumbesteck aus dem Zweiten Kaiserreich, als das Metall so viel wert war wie Silber.

In Frankreich reduzierte Henri Sainte-Claire Deville das Chlorid mit Natrium und zeigte auf der Pariser Weltausstellung 1855 einen Barren. Napoleon III. förderte ihn und soll Aluminiumbesteck seinen vornehmsten Gästen vorbehalten haben. Im Dezember 1884 wurde eine 100 Unzen schwere Aluminiumpyramide auf das Washington Monument gesetzt, bei 1,10 Dollar je Unze, etwa dem Preis von Silber.

1886 fanden zwei 22-Jährige dieselbe Lösung. Am 23. Februar gewann Charles Martin Hall in Oberlin, Ohio, mit selbst gebauten Batterien Aluminiumkügelchen aus Tonerde, die in Kryolith gelöst war. Paul Héroult, der sein Erbe für einen Dynamo ausgegeben hatte, meldete am 23. April ein französisches Patent an. Halls Firma in Pittsburgh, die spätere Alcoa, produzierte ab 1888; Héroults Verfahren lief in Neuhausen am Rheinfall an. Karl Josef Bayer meldete 1887 das Ausrühren der Tonerde mit Impfkristallen an und 1892 den Druckaufschluss des Bauxits; zusammen machten sie reine Tonerde billig.

Ein Pfund kostete 1888 etwa 4,86 Dollar und Anfang der 1890er-Jahre weniger als einen Dollar. Der Motor der Brüder Wright hatte 1903 ein Kurbelgehäuse aus Aluminium; aushärtbare Legierungen wie Duralumin, ab etwa 1909 im Handel, kamen in Luftschiffe und dann in Flugzeuge. 2025 erzeugten die Hütten etwa 74 Millionen Tonnen neues Metall.