Die Stickstoffgewinnung aus der Luft.Nach einem von Prof. Edström auf dem Elektriker-Kongress in St. Louis gehaltenen Vortrage. Die Stickstoffgewinnung aus der Luft. Ein gegenwärtig für die Industrie und Landwirtschaft gleich wichtiges Mineral ist der Chilisalpeter; er wird ausser zur Herstellung von Salpetersäure und anderen chemischen Produkten auch als Düngmittel benutzt, um dem Boden neue Nährstoffe zuzuführen. Die im nördlichen Chile aufgefundenen Salpeterfelder, deren Erde in Lagern von ¼ bis 4 m Mächtigkeit 15 bis 65 v. H. salpetersaures Natron (NaNO3) enthält, sind keineswegs unerschöpflich und man kann schon jetzt den Zeitpunkt vorausbestimmen, zu welchem, falls neue Lager nicht aufgefunden werden, die dort lagernden Vorräte aufgebraucht sind. Der Verbrauch an Chilisalpeter betrug im Jahre 1900 etwa 1¾ Millionen Tonnen und hat in den letzten 10 Jahren jährlich um etwa 50000 t zugenommen. Nimmt man, was der Wirklichkeit ziemlich nahe kommen wird, den heutigen Bestand der Salpeterfelder zu 100 Millionen Tonnen an, so würden die Felder unter der Annahme eines in gleichem Masse steigenden Verbrauches im Jahre 1940 erschöpft sein. Da es bisher nicht gelungen ist, andere grosse Lagerstätten von Salpeter aufzufinden, so hat man seit Jahren Versuche gemacht, einen Ersatz dafür zu finden. Eine sehr billige und unerschöpfliche Quelle für die Gewinnung von Stickstoff ist nun unsere atmosphärische Luft.D. p. J. 1903, 318, S. 262. Die ersten Versuche dieser Art waren bakteriologischer Natur, führten aber zu keinem brauchbaren Ergebnis. Später beschäftigte sich Siemens & Halske mit einem von Dr. Frank angegebenen Verfahren Calciumcyanid (CaCN2) herzustellen, indem ein Stickstoffstrom über erhitztes Calciumkarbid geleitet wurde. Der Stickstoff selbst wurde erhalten, indem man einen Luftstrom über rotglühendes Kupfer leitete. Diese Methode zur Darstellung von Calciumzyanid, welches sich als gutes Düngmittel erwies, wurde später auch noch weiter vereinfacht, konnte indessen nicht so weit vervollkommnet werden, dass eine fabrikmässige, gewinnbringende Herstellung in grösserem Umfange möglich war. Die Schwierigkeit, Stickstoffverbindungen aus der Luft herzustellen, liegt darin, dass sich der Stickstoff sehr indifferent gegen andere Stoffe verhält, und es daher schwer ist, ihn chemisch zu binden. Seit 100 Jahren ist es bekannt, dass in der Luft überspringende Funken eine Vereinigung zwischen dem Sauerstoff und dem Stickstoff der Luft zustande bringen, woraus sich Salpetersäure ergibt. Die ersten Arbeiten auf diesem Gebiete rühren von Priestley, Cavendish, Wills, Flücker, Dewar und Lord Rayleigh her. Die ersten praktischen Ergebnisse der Stickstoffherstellung aus der Luft in grösserem Masstabe erzielte 1902 die Atmospheric Products Co. in Niagara Falls, nach dem von Bradley und Lovejoy angegebenen Verfahren. Dies Verfahren besteht darin, dass zwei konzentrische Zylinder mit zahlreichen gegenüberstehenden Platinspitzen gegeneinander gedreht werden, welche an eine Gleichstromleitung von 8000 bis 10000 Volt Spannung angeschlossen sind. Die zwischen den Spitzen gebildeten Lichtbogen reissen bei der fortschreitenden Drehung der Zylinder ab, worauf sich wieder neue Lichtbogen bilden. Da der Widerstand der Lichtbogen naturgemäss wechselt, so wird eine Drosselspule mit in den Stromkreis eingeschaltet, um den Strom zu regulieren. Der zwischen den Zylindern hindurch streichende Luftstrom wird durch Berührung mit den Lichtbogen in seiner Zusammensetzung verändert, derart, dass sich Stickstoff und Sauerstoff verbinden. Die Hauptforderung des Systems liegt darin, dass die einzelnen Lichtbogen eine möglichst grosse Länge und einen möglichst geringen Querschnitt besitzen, damit möglichst viel Luft mit den Lichtbogen in Berührung kommt, d.h. dass die durch den Apparat fliessende Energie möglichst stark unterteilt wird. Dies bestimmt aber den Wirkungsgrad des Systems, da die in den Lichtbogen aufgezehrte Energie ihrem Volumen proportional ist. Die weitgehende Unterteilung des Lichtbogens bezw. der Energie bietet praktische Schwierigkeiten und setzt gleichzeitig den Wirkungsgrad bedeutend herab. Der Wirkungsgrad bezw. die Ausbeute des Systems beträgt 1000 kg 70 prozentiger Salpetersäure (HNO3) f. 1 Kilowattjahr. Dies entspricht 700 kg 100 prozentiger Salpetersäure. Es ist nicht zu verwundern, dass unter diesen ungünstigen Verhältnissen eine weitere Entwicklung des Verfahrens nicht stattgefunden hat. Eine andere von Kowalski und Moscicki angegebene Methode besteht darin, einen Luftstrom dem Einfluss eines Wechselstromlichtbogens von 50000 Volt und einer Frequenz von mehreren tausend Perioden in der Sekunde auszusetzen. Die Ausbeute soll hierbei 1 kg Salpetersäure f. 15 KW-Stunden oder 580 kg Säure f. d. Kilowattjahr betragen. Auch dies Verfahren hat den Nachteil, dass die Apparate zu kompliziert werden und dass es zu viel Energie erfordert. Textabbildung Bd. 320, S. 189 Fig. 1. Textabbildung Bd. 320, S. 189 Fig. 2. Eine neue und scheinbar weit mehr versprechende Methode ist kürzlich von Birkeland und Eyde erfunden worden. Sie gehen- von der bekannten Erscheinung aus, dass ein Strom bezw. der den Strom führende Lichtbogen durch ein starkes magnetisches Feld abgelenkt wird und zwar rechtwinklig zum Verlauf der Kraftlinien. Eine der vorgeschlagenen Anordnungen ist in Fig. 1 dargestellt: der Abstand der Elektroden ist ein solcher, dass die Maschine einen Lichtbogen bilden und unterhalten kann. Wird der Bogen einem senkrecht zu den Elektroden gerichteten: kontinuierlichen Magnetfeld ausgesetzt, so wird er in der skizzierten Richtung abgelenkt, wenn die Stromrichtung einen gewissen Sinn hat und konstant ist. Durch einen in den Stromkreis eingeschalteten Widerstand fällt bei Auftreten des Lichtbogens die Spannung an den Elektroden stark ab, der Bogen wird länger und länger und gestattet durch Abnahme der Stromstärke ein erneutes Ansteigen der Spannung, so dass ein neuer kürzerer Lichtbogen von geringerem Widerstand auftritt, der den ersten zum Verlöschen bringt. Die Bewegung des Lichtbogens ist eine so schnelle, dass etwa hundert Lichtbogen in einer Sekunde entstehen und so dem Auge als eine Lichtbogenfläche erscheinen. Ist das ablenkende Feld ein Wechselstromfeld, so breitet sich diese Fläche nach beiden Seiten aus wie in Fig. 2 dargestellt und besitzt die Form eines vollen Kreises. Diese Anordnung wird in dem von Birkeland und Eyde konstruierten Ofen benutzt. Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt des Ofens. NS sind die Blasmagnete, in deren Mitte sich die Elektroden befinden. Die Luft wird durch Kanäle AA in die zentrale Kammer mit den Elektroden eingesaugt und verlässt sie nach Berührung mit dem Lichtbogen bei C. Der Hauptvorzug dieser Methode gegen die älteren liegt vor allem darin, dass der Lichtbogen eine grössere Energiemenge in sich vereinigt; dieser Umstand ermöglicht eine rationellere Ausnutzung der Energie und zwar steigt der Wirkungsgrad, wie Versuche ergeben haben, in gleichem Masse wie die im Lichtbogen frei werdende Energie. Ein derartiger, bereits längere Zeit im Betriebe befindlicher Ofen ist so eingerichtet, dass der zwischen zwei einzelnen Elektroden gebildete Lichtbogen 75 bis 200 KW verzehrt. Dieser Ofen wurde mit Wechselstrom von 5000 Volt und 50 Perioden gespeist. Ein anderer im Bau befindlicher Ofen wird für 500 KW eingerichtet. Eine solche Leistung liess sich natürlich nicht einmal angenähert bei den älteren Systemen umsetzen. Textabbildung Bd. 320, S. 190 Fig. 3. Trotz des starken Stromes ist der eingangs erwähnte Ofen mehrere hundert Stunden lang im Betrieb gewesen, ohne dass sich unzulässige Erhitzungen oder Abnutzungen der dem Lichtbogen ausgesetzten Elektroden gezeigt hätten. Die Elektroden werden aus Eisen oder Kupfer hergestellt und haben solche Abmessungen, dass man durch Anbringung einer Wasserkühlung die Temperaturerhöhung in verhältnismässig niedrigen Grenzen halten kann. Der ganze Ofen ist ein kompakter Apparat, der sich ohne besondere Geschicklichkeit bedienen lässt und zum Betriebe keine besonderen Maschinen erfordert. Die Ausbeute bei einer der ersten Typen eines solchen Ofens, die nur für 7 bis 1,0 KW eingerichtet war, hat sich in 1½ jährigem Betriebe zu 400 kg Salpetersäure f. 1 Kilowattjahr ergeben. Die neueren grossen Oefen lieferten 900 kg Säure f. 1 Kilowattjahr. Die Energiemenge entspricht der im Lichtbogen selbst umgesetzten Leistung. Die Ausbeute eines solchen Ofens hängt ab von dem Feuchtigkeitsgehalt der eingeführten Luft, ihrer Temperatur, ihrem Sauerstoffgehalt ferner von der f. d. Einheit der Leistung zugeführten Luftmenge, der Leistung, der Spannung und der Frequenz des Stromes, von der Stärke des Blasfeldes und der Güte der Isolation im Ofen. Die austretende Luft enthält 2 bis 3 v. H. Stickstoffoxyd (NO), welches in Stickstoffdioxyd (NO2) übergeführt werden muss. Dies erfolgt in grossen, innen emaillierten Eisenblechkammern. Die Gase werden von hier durch einen aus Ton hergestellten Exhaustor abgesaugt und dann durch scrubberartige Türme geführt, in welchen sie mit fein verteiltem Wasser oder Sodalösung in Berührung kommen. Von diesen nach dem Gegenstrom konstruierten Türmen sind vier vorhanden, von denen in den ersten drei Wasser herabrieselt. Die letzten Reste des in der Luft enthaltenen Stickstoffdioxyds werden in dem vierten Turm durch die Sodalösung absorbiert. Das mit Salpeter angereicherte Wasser wird mehrere Male wieder herabrieseln gelassen, bis eine gewisse Konzentration erreicht ist. Dann wird die Säure aus den letzten Türmen in die ersten geleitet, wo eine weitere Anreicherung stattfindet. Die Säure wird dann entweder durch ein rein chemisches Verfahren weiter konzentriert oder zu Kalium- oder Natriumnitrat verarbeitet. Aus der ursprünglichen Sodalösung wird durch die Aufnahme von Stickstoffdioxyd Natriumnitrat oder -Nitrit, welches später weiter zu reinem Nitrat verarbeitet wird. Die Erfolge des Verfahrens von Birkeland und Eyde berechtigen zu der Hoffnung, dass die auf diesem Wege hergestellten Stickstoffverbindungen bald markt- und konkurrenzfähig sein werden und es bietet sich dadurch ein neues Verwendungsgebiet von grossen Wasserkräften, welche für die Fortleitung der elektrischen Energie bisweilen zu ungünstig gelegen sind unter diesem Gesichtspunkte indessen Bedeutung erlangen. Ein ähnliches Fiasko wie seinerzeit die Calciumcarbidwerke infolge der geringen Nachfrage nach diesem Produkt erfuhren, ist bei der Stickstoffabrikation nicht zu befürchten, da seine Verbindungen als Düngmittel in unbegrenzten Mengen gebraucht werden, sobald der Preis weiter herabgesetzt werden kann als der des Chilisalpeters. Es werden auf diese Weise auch zahlreiche bereits bestehende Elektrizitätswerke, welche noch nicht voll oder nur zu kurzen Tageszeiten voll ausgenutzt werden, ihre Rentabilität wesentlich verbessern können.