Stworzenie metalu lepszego niż ten, którym dysponują konkurenci, jest rzeczą bezcenną. Niezależnie, czy powstanie z niego klinga szabli, czy kadłub samolotu, to i tak otwiera on drogę do fortuny i władzy. A przede wszystkim nieodwracalnie zmienia świat.
Koncern Boeing uznał za stosowne pochwalić się przed tygodniem, że dysponuje najlżejszym metalem, jaki zna ludzkość. Przy czym, żeby było ciekawiej, materiał o nazwie Microlattice w 99,99 proc. składa się z... powietrza. Owo cudo jest dziełem naukowców z kalifornijskiego ośrodka badawczego HRL Laboratories, niegdyś założonego przez wizjonera lotnictwa Howarda Hughesa. Placówka naukowa, zlokalizowana w Malibu, której Boeing jest od 15 lat współwłaścicielem, ma na swoim koncie wiele rewolucyjnych wynalazków, jak ciekłokrystaliczny zegar czy pierwszy roboczy laser. Tym razem opracowała strukturę przypominającą polimerową piankę uformowaną ze stopu niklu i fosforu. Dzięki temu, że w nowym metalu większość przestrzeni stanowi po prostu pustka, wykazuje się on nie tylko niesamowitą lekkością, ale też giętkością i sprężystością. Wedle zapowiedzi koncernu Boeinga Microlattice znajdzie zastosowanie przy budowie elementów konstrukcyjnych samolotów. Obniżając ich wagę, co zawsze owocuje oszczędnościami w zużyciu paliwa. Jednak nowa technologia ma w sobie potencjał, aby odmienić świat. Zwłaszcza jeśli podobną, polimerową strukturę uda się uzyskiwać nie tylko przy zastosowaniu stopu niklowo-fosforowego, lecz także bardziej odpornych metali. Wówczas możemy stać się świadkami takich skokowych zmian cywilizacyjnych, jakich ludzkość doświadczyła w XIX w. za sprawą pionierów metalurgii.
Reklama
Na początku była tajemnica

Reklama
„Nagrzewać, aż zaświeci blaskiem słońca wschodzącego na pustyni, wtedy ochłodzić do barwy cesarskiej purpury, zatapiając w ciele muskularnego niewolnika” – zapisano w instrukcji doradzającej kowalom, jak wytwarzać najdoskonalszy na świecie metal, odnalezionej w świątyni Bangalla. „Moc niewolnika przechodzi do kindżału i przydaje mu twardości” – dodawał ok. roku 1300 p.n.e. anonimowy metalurg z Azji Mniejszej. Jest to najstarszy znany nauce opis technologii produkcji legendarnej stali, nazywanej w Europie damasceńską. Jej zalety przez stulecia budziły zachwyt każdego, kto miał do czynienia z bronią białą. Wykonane z niej ostrze miało w sobie coś magicznego. Zakrzywiona szabla potrafiła być giętka, niemal jak gumowa, i dawała się zwinąć w obręcz, nie pękając. Jednocześnie przecinała żelazną kolczugę lub rozłupywała hełm wraz z głową delikwenta, bez stępienia się. Na polu bitwy czy podczas szermierskich pojedynków zwyczajne klingi pękały po zderzeniu z damasceńskim ostrzem. Nic dziwnego, że posiadający taki miecz europejscy rycerze uważali się za wielkich szczęściarzy.
Umiejętność kucia stali damasceńskiej pojawiła się ok. XIV w. p.n.e., najprawdopodobniej w Indiach. Potem nauczyli się tego niektórzy kowale na terenie Persji. Wreszcie zasłynął z niej w średniowieczu Damaszek (stąd też wzięła się nazwa). Technologię produkcji trzymano w tak ścisłej tajemnicy, że dla mieszkańców Starego Kontynentu na zawsze stała się zagadką. Co specjalnie nie przeszkadzało Europejczykom aż do połowy XVIII w. Dopiero początki rewolucji przemysłowej uświadomiły wynalazcom, inżynierom oraz przemysłowcom, jak ważna jest trwałość materiału, z którego buduje się maszyny, przęsła mostów czy szkielety budynków. Do takich samych wniosków dochodzili producenci broni. Zwłaszcza nowoczesnych karabinów, odznaczających się coraz większą szybkostrzelnością. Tymczasem żeliwo oraz żelazo były z natury swej kruche. Gdy do roztopionej surówki żelaznej dodawano około 2 proc. węgla, otrzymywano o wiele mocniejszą stal. Ale i ona nie mogła się równać z damasceńską.
Zauważył to pracujący dla Kompanii Wschodnioindyjskiej lekarz Helenius Scott. Gdy praktykował w Bombaju, zetknął się z nożami, szablami oraz stolarskimi piłami, wykutymi przez miejscowych kowali ze stali nazwanej wutsem, a nieróżniącej się od tej z Damaszku. Ostrza z angielskich warsztatów nie umywały się do wyrobów powstających w prymitywnych indyjskich kuźniach. Zafascynowany zagadką Scott przesłał partię kling Królewskiemu Towarzystwu Naukowemu. W Londynie paczka z odległej kolonii wzbudziła sporą sensację. Zbadanie tajemnicy powierzono jednemu z najwybitniejszych uczonych Michaelowi Faradayowi. Profesor Instytutu Królewskiego na co dzień zajmował się zjawiskiem elektryczności, ale będąc samoukiem, otwartym na każdą dziedzinę wiedzy, łatwo dał się wciągnąć w szukanie rozwiązania fascynującej zagadki. Na początek badał przesyłkę za pomocą chemicznych odczynników. Potem próbował odwzorowywać jej strukturę. Wreszcie w 1819 r. doszedł do wniosku, że wbrew temu, co nakazywała sztuka metalurgiczna, rozstąpionej żelaznej surówki nie należy oczyszczać, lecz wzbogacić niklem i solami glinu. Tak uzyskał pierwsze stopy metali o bardzo ciekawych właściwościach. Jednak żaden nie dorównywał doskonałością stali damasceńskiej.
Niemiecka twardość
Eksperymenty Faradaya usiłował kontynuować młody metalurg mieszkający w Essen, Friedrich Krupp. Ale badanie stopów okazało się nadzwyczaj kosztowne. Swój zakład zadłużył na niebagatelną kwotę 10 tys. talarów, po czym dał się zaszczuć wierzycielom. Gdy umarł w wieku zaledwie 39 lat, cały interes przejął jego zaledwie czternastoletni syn. Nastoletni Alfred Krupp kierujący bankrutującą firmą budził wesołość wśród niemieckich metalurgów, ale tylko przez kilka lat. Okazał się bowiem o wiele zdolniejszym eksperymentatorem od ojca. Nie dość, że opracował znakomity stop, stanowiący połączenie żelazowej surówki z siarką i fosforem, to na dodatek wykonał z niego karabinową lufę. Przetestowano ją najpierw w fabryce broni w Saarn. Wytrzymywała odpalenie pięciokrotnie większego ładunku prochu niż lufy tam produkowane. Wówczas, w 1841 roku, młody Krupp wysłał kilka sztuk swojego wyrobu wraz z opisem technologii wytwarzania pruskiemu ministrowi wojny Hermannowi von Boyenowi. „Obecny sposób produkcji, jak i jakość wytworzonych tym sposobem luf, spełnia wszystkie rozsądne wymagania i nie pozostawia nic do życzenia” – odpisał niespecjalnie lotny feldmarszałek, odrzucając ofertę. Zakłady Kruppa przetrwały dzięki produkcji szyn i zwrotnic, które szybko docenili inwestorzy kolejowi w całej Europie.
Jeszcze większym hitem eksportowym stała się jednak nowatorska broń. „Ci, którzy zwiedzili pierwszą wystawę światową w roku 1851 w Londynie, przypomną sobie zapewne, że już wówczas okazy stalowe Kruppa, między któremi znajdowało się i piękne działo, obudziły sprawiedliwy podziw” – wspominał na łamach „Gazety Handlowej” jeszcze piętnaście lat po tym wydarzeniu profesor politechniki wiedeńskiej Adam Burg. Gdy firmy zbrojeniowe produkowały (tak jak przed wiekami) armaty odlewane z brązu, niemiecki metalurg chwalił się działem ze stalową lufą, a ściślej mówiąc – sporządzoną ze stopu bardzo odpornego na wybuch ładunku prochowego. Stało się ono sensacją, którą obejrzało 6 mln gości, którzy przewinęli się przez specjalnie wzniesiony w Londynie, na czas wystawy światowej, Kryształowy Pałac. Notabene jego szkielet w całości wykonano z angielskiej stali. Ale to armacie Kruppa gospodarze przyznali złoty medal.
Wkrótce też potwierdziła się prawidłowość, iż reklama jest dźwignią handlu. Koncern z Essen, dzięki jakości swoich produktów, podbił Stary Kontynent. „Wyrobom tak znakomitego i genialnego przemysłowca, jakim jest p. Krupp, bez zaprzeczenia wszędzie, gdzie lokomotywy i parostatki zastosowanie mają i gdzie się tylko przeciw zewnętrznemu nieprzyjacielowi bronić potrzeba, dać można zupełne zaufanie” – twierdził w 1865 r. prof. Burg. Całkowicie zgadzał się z tą opinią szef sztabu generalnego armii Prus Helmuth von Moltke. Generał, nim jego kraj pod wodzą kanclerza Bismarcka rozpoczął serie wojen o zjednoczenie Niemiec, przezbroił pruską artylerię. Wyposażając ją w działa Alfreda Kruppa. Zaniechał tego natomiast Napoleon III. Chociaż przemysłowiec z Essen posłał w 1868 r. do Paryża folder reklamowy z dołączanym liścikiem o treści: „Pozwalam sobie żywić nadzieję, że zwłaszcza cztery ostatnie stronice z rysunkami stalowych dział, które dostarczam już najprzeróżniejszym rządom państw Europy, zwrócą na chwilę uwagę Waszej Cesarskiej Mości”. Zaledwie dwa lata później pod Sedanem Napoleon III srodze pożałował zlekceważenia wspomnianej oferty. Pruskie armaty strzelały dwa razy szybciej i celniej od dział odlanych z brązu. Francuskie wojska poniosły całkowitą klęskę, a cesarz dostał się do niewoli. Gdy przyprowadzono go przed oblicze pruskiego króla Wilhelma I, powiedział cierpko: „Gratuluję panu armii, a przede wszystkim artylerii”. Nic dziwnego, że gdy Wilhelm I został cesarzem zjednoczonych Niemiec, nakazał wznieść w Berlinie Kolumnę Zwycięstwa oplecioną wieńcem z armatnich luf.
Gruszka wszech czasów
Po takiej kampanii reklamowej stal Kruppa zawojowała cały świat, a produkująca ją firma stała się największym koncernem Europy. Co ułatwiał fakt, iż popyt przewyższał podaż. Zwłaszcza od kiedy wszystkie państwa zaczęły wspierać budowę linii kolejowych. Szybki transport gwarantował rozwój gospodarczy oraz wzrost potencjału militarnego. Pociągi zapewniały rzecz bezcenną podczas każdej wojny – możliwość łatwego przerzucania wojsk na dalekie odległości. Ale rozwój kolei mógł się odbywać jedynie wtedy, gdy szybko rosła produkcja wysokiej jakości stali. Początkowo kładziono tańsze szyny żelazne, lecz te zbyt łatwo pękały. A przecież w drugiej połowie XIX w. powstawały tysiące kilometrów torów rocznie. Trasy kolejowe wymagały też setek mostów i wiaduktów. Tymczasem w klasycznym piecu hutniczym jeden wytop żelaza, a potem uzupełnienie składu surówki węglem, zajmował około tygodnia.
Z problemem tym postanowił się zmierzyć angielski wynalazca Henry Bessemer. Podczas wojny krymskiej zaprojektował pocisk cylindryczny. W czasie lotu wirował on wokół własnej osi, dzięki czemu trafiał o wiele dokładniej w cel niż okrągłe kule. Wymagał jednak bardzo mocnych luf. Do tego wynalazca zauważył, iż aby wygrać wojnę, konieczna jest jak największa ilość nowoczesnej broni. Czyli mocarstwa potrzebowały jeszcze więcej wysokogatunkowej stali. Mający mgliste pojęcie o metalurgii Bessemer w trzy tygodnie zaprojektował zupełnie nowatorski model pieca w kształcie gruszki, wyposażony w dmuchawę. Doszedł bowiem do wniosku, że dodatkowy nawiew podniesie temperaturę spalania i pozwoli szybciej usunąć z surówki zanieczyszczenia. Intuicja go nie zawiodła. Kiedy zaprezentował 24 sierpnia 1856 r. w Cheltenham podczas publicznego pokazu „gruszkę Bessemera”, w ciągu zaledwie 20 minut wytopił znakomitą stal. Zużywając przy tym siedem raz mniej paliwa, niż potrzebował klasyczny piec hutniczy na jeden wytop. Branża stalowa przyjęła wynalazek z entuzjazmem. Szybko jednak zamienił się on w olbrzymie rozczarowanie. Gdy zaczęto powtarzać eksperyment, otrzymywano stal najpodlejszej jakości, pękającą przy co mocniejszym uderzeniu.
Tajemnicy, dlaczego tak się dzieje, nie udawało się rozwiązać aż przez dwie dekady. Dopiero w 1878 r. sukces Bessemera udało się powtórzyć walijskiemu metalurgowi Sidneyowi Gilchristowi Thomasowi. Wraz ze swoim kuzynem, policjantem Percym Gilchristem, zbudowali konwertor, który wyłożyli wykładziną zawierającą dolomit i wapń. Podczas wytopu żelaza wytrącał się z niego fosfor. Obiecujący rezultat kazał im jeszcze raz prześledzić eksperyment angielskiego wynalazcy. Wówczas odkryli, że miał on nieprawdopodobny fart. Do pierwszego wytopu Bessemer wybrał przypadkiem rudę żelaza, zanieczyszczoną niewielką ilością fosforu. Bez tego pierwiastka w surówce gruszka okazywała się zupełnie bezużyteczna. Ale odkrycie, jak szybko i w ogromnych ilościach uzyskiwać wysokogatunkową stal, odmieniło życie nie wynalazców, lecz Aleksandra Holleya. Ostatniego człowieka, który nie stracił wiary w gruszkę Bessemera. Ów projektant lokomotyw i założyciel Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników, gdy tylko przeczytał o pierwszych eksperymentach Anglika, udał się do Wielkiej Brytanii, by całej sprawie przyjrzeć się z bliska. Choć kolejne powtarzane przez hutników wytopy przynosiły kruchą stal, jako jedyny wierzył, że ma do czynienia z epokowym wynalazkiem. Przestał tak sądzić nawet konstruktor gruszki i podłamany porażkami odsprzedał Holleyowi prawa patentowe na teren Stanów Zjednoczonych. Przez kilkanaście lat nie były warte funta kłaków, aż nagle okazały się bezcenne. Gdy tylko upubliczniono przyczyny złego funkcjonowania gruszki Bessemera, Aleksander Holley zaczął szukać w USA inwestorów gotowych wyłożyć kapitał na budowę hut nowego typu. Jednym z pierwszych biznesmenów, dostrzegającym potencjał nowatorskiej technologii, był młody szkocki emigrant Andrew Carnegie.
Starcia gigantów
Holley miał szansę stać się jednym z najbogatszych ludzi w dziejach, ale pechowo zmarł już cztery lata po zainicjowaniu besemerowskiej rewolucji w USA. Jej owoce zebrał Andrew Carnegie. Szkot skupił grupę biznesmenów gotowych wyłożyć fundusze, żeby stworzyć metalurgiczny koncern. Jak wyliczył wspólnie z Holleyem, ich nowoczesna stalownia mogła produkować tonę szyn w cenie 69 dol. Tradycyjne huty nie były w stanie zejść poniżej 100 dol. za tonę. Już to zapowiadało, co przyniesie przyszłość. Carnegie jedynie przyśpieszał zmiany, sukcesywnie eliminując konkurentów z rynku. Poprzez nabywanie ich hut, gdy tylko któraś wpadła w kłopoty finansowe. Czasami sam te problemy prokurował, jak np. w przypadku Duquesne Steel Company, kiedy rozpowszechnił plotkę, że szyny produkowane przez tę firmę łatwo pękają. Poczekał, aż na Wall Street nastąpił spadek cen akcji szkalowanego przedsiębiorstwa, a potem tanio kupił pakiet większościowy. Koncern Carnegie Steel w ciągu dwóch dekad przejął większość amerykańskich stalowni, które natychmiast przestawiano na nową technologię.
Jedyne, czego Andrew Carnegie nie potrafił dokonać, to wyprzeć z rynku w USA wyrobów Kruppa. Jego najgroźniejszy rywal równie szybko wprowadzał do użytku nowe sposoby wytopu stali. Sięgając po technologię opracowaną przez Pierre Martina. Francuz zauważył, iż w procesie besemerowskim tracone są wielkie ilości energii, gdy przedmuchuje się roztopione żelazo chłodnym powietrzem. Zastąpił je więc gazem uzyskiwanym ze spalanego pyłu węglowego. Piec martenowski wytapiał stal wolniej od besemerowskiego, ale koszty produkcji spadły, a do tego jeszcze pozwalał wytwarzać różnego rodzaju stopy. Najsławniejszym z nich stała się „stal Kruppa”, stanowiąca połączenie żelaza z niklem oraz chromem. Najbardziej wytrzymały materiał tamtych czasów. Z jego powodu Carnegie’emu uciekały kontrakty na dostawy szyn dla spółek kolejowych w Stanach Zjednoczonych i płyt pancernych dla okrętów US-Navy. Szczęściem dla Szkota w 1892 r. wybuchł kryzys gospodarczy. Korzystając z okazji, prezes Carnegie Steel umówił spotkanie z prezydentem Groverem Clevelandem. W jego trakcie łatwo przekonał polityka, że podczas recesji musi brać w obronę rodzimych producentów. Wkrótce Stany Zjednoczone wprowadziły wysokie cła na zagraniczne wyroby stalowe. Jaką to robiło różnicę, najlepiej oddawały zapisy księgowe. Wystarczyło potem zaledwie pięć lat, aby zyski Carnegie Steel wzrosły siedmiokrotnie, czyniąc zeń największy koncern stalowy świata. Zaś właściciel pod koniec XIX zdobył sobie tytuł najbogatszego człowieka wszech czasów.
Metale przyszłości
Gdy Carnegie znajdował się u szczytu powodzenia, stalowniom wyrósł zupełnie niespodziewany konkurent. Wprawdzie metal, nazwany aluminium, jako pierwsi już w latach 20. XIX w. wytwarzali, niezależnie od siebie, niemiecki chemik Friedrich Wöhler oraz duński fizyk Hans Christian Orsted. Jednak nie udało im się stworzyć metody produkowania glinu na skalę przemysłową. Dlatego uncja tego lekkiego metalu w 1870 r. kosztowała nadal więcej niż uncja złota. Cesarz Napoleon III podczas wystawnych bankietów podawał gościom potrawy na aluminiowych talerzach. Chcąc oddać należną cześć pierwszemu prezydentowi George’owi Washingtonowi, Amerykanie w 1884 r. ufundowali w stolicy kraju najwyższy w świecie, bo liczący 169 m wysokości obelisk z granitu i marmuru. Na jego wierzchołku zamocowano drogocenny, bo ważący 100 uncji (ok. 2,8 kg) szpic z aluminium.
Dwa lata później Charles Martin Hall wpadł na pomysł, żeby tlenek glinu rozpuścić w stopionym kriolicie. Po czym do roztworu włożył dwie elektrody. Pod wpływem prądu wytrącało się sproszkowane aluminium oraz tlen. Wynalazca długo szukał inwestora chcącego zbudować hutę przetapiającą proszek na metal. Jak niezwykłą rzecz ma do zaoferowania, dostrzegł dopiero udziałowiec banku T. Mellon and Sons – członek bankierskiego rodu Andrew W. Mellon. Na budowę huty wyłożył 250 tys. dol. Trafił w dziesiątkę, bo wkrótce okazało się, że nowo powstający przemysł samochodowy kupi każdą ilość dużo lżejszego od stali metalu. Spóźnieni konkurenci zaczęli budować własne huty, lecz wówczas Mellon wytaczał im procesy o naruszenie praw patentowych, które odkupił od Charlesa M. Halla. Dzięki pozycji monopolisty spółka Aluminium Company of America (zwana w skrócie „Alcoa”) w ciągu niespełna dekady osiągnęła wartość ok. 100 mln ówczesnych dolarów. Powstanie przemysłu samolotowego zagwarantowało jej dalsze wzrosty. Tuż po I wojnie światowej Andrew W. Mellon znalazł się na czele rankingu najbogatszych ludzi na ziemi. Wybrał wówczas spokojną posadę rządową, obejmując w 1921 r. funkcję sekretarza skarbu USA.
Nowe stulecie, choć owocowało kolejnymi niezwykłymi odkryciami w metalurgii, zdawało się jednak należeć do tworzyw sztucznych. Mimo iż metale, takie jak wolfram, tytan czy lit, dostarczały nowych impulsów do cywilizacyjnego rozwoju. Zaś stal jest nadal podstawowym materiałem konstrukcyjnym w kluczowych gałęziach przemysłu oraz budownictwie. I gdy wydawało się, że metale już niczym ludzkości nie zaskoczą, pojawił się Microlattice.
Nadal też nie udało się wyjaśnić wszystkich tajemnic stali damasceńskiej. Acz jak w grudniu 2006 r. doniosło czasopismo „Nature”, Peter Paufler z Technische Universität Dresden (TUD) ustalił dzięki mikroskopowi elektronowemu, iż za jej giętkość, a zarazem twardość odpowiadają oryginalne nanostruktury. „Jedna z odkrytych struktur to nanokable, których część jest z bardzo twardego, ale kruchego cementytu (węglika żelaza). Paufler i jego współpracownicy zauważyli, że w damasceńskiej stali te cementytowe nanokable są osłonięte słynącymi z wytrzymałości węglowymi nanorurkami. Zdaniem niemieckiego naukowca to właśnie połączenie tych dwóch struktur odpowiada za niezwykłą wytrzymałość damasceńskiej stali” – donosił „Nature”. Niestety, na pytanie, jak taką stal wykuć, kowale z Damaszku już nie odpowiedzą.