Norska snillets jakt på norrskenets hemlighet

2017-10-01 06:00  

Egentligen ville den norske fysikern Kristian Birkeland bara ta reda på vad som gav upphov till norrskenet, men för att få råd att göra detta var han tvungen att först uppfinna en högspänningsströmbrytare för kraftverk, en elektrisk kanon och en metod att binda luftkväve till nitrat. Av bara farten grundades Norsk Hydro med hans uppfinningar som bas.

Det är trångt i lokalen i universitetets källare. Vi har kommit för att delta i en fysikalisk demonstration som utlovats bli något alldeles extra. Vid något som ser ut som en stor glaslåda står en man med glasögon och mustasch. Han är iklädd en röd fez och har orientaliska tofflor på fötterna. Den något excentriske mannen heter Kristian Birkeland och är professor i fysik här vid universitetet i Kristiania. Eller Oslo, som staden nu börjat kallas. Året är 1912.

”Välkomna”, säger Birkeland. ”Jag ska nu visa att norrskenet uppkommer genom att jordens atmosfär bombarderas med elektriskt laddade partiklar från solen. För det ändamålet har jag konstruerat den här apparaturen. Det ni ser här är inget akvarium, även om det kanske ser ut så. Det är i själva verket ett lufttomt urladdningsrör av samma typ som den engelske fysikern sir William Crookes använde när han demonstrerade katodstrålar, bara väldigt mycket större. Glasväggarna är flera centimeter tjocka för att stå emot atmosfärstrycket. Jag kommer nu att använda den här glaslådan för att simulera rymden och solsystemet. Den här metallgloben som hänger i mitten av glaslådan och tjänstgör som anod kallar jag terrella, liten jord. Den föreställer alltså jorden, och inne i sfären finns en elektromagnet som simulerar det jordmagnetiska fältet. Jag kommer nu att visa vad som händer när vi bombarderar terrellan med katodstrålar. Kan någon släcka ljuset?”

Det blir skumt i rummet, men Birkeland slår om några strömbrytare på en manöverpanel och glaslådans inre börjar skimra i ett blåaktigt sken.

”Katodstrålarna består, som Crookes visat, av negativt laddade elektriska partiklar”, säger Birkeland. ”Samma typ av partiklar som ständigt utsänds av solen. Som ni ser sugs de upp av terrellan. Men nu ska ni få se vad som händer när jag låter terrellan få ett magnetfält.”

Han vrider på några reglage, och vi ser hur det bildas lysande ringar vid terellans nord- och sydpol. Det hörs ett sus när publiken drar efter andan.

”Detta”, fortsätter Birkeland triumferande, ”är precis vad som händer här på jorden när laddade partiklar från solen närmar sig jorden. De avböjs i det jordmagnetiska fältet och kommer ner i atmosfären vid polerna, där de ger upphov till norrsken. Och sydsken vid sydpolen. Norrskenet är ett elektriskt fenomen som har sitt upphov i solen. Det har alltså inget att göra med vädret, vilket många envisats med att tro.”

”Men professor Birkeland”, säger någon, ”detta kan väl ändå inte vara möjligt. Om negativt laddade partiklar kom från solen till jorden skulle det ju på sikt innebära att jorden blev negativt laddad samtidigt som solen blev alltmer positivt laddad. Och som vi vet attraherar motsatta elektriska laddningar varandra. Resultatet skulle ju bli att jorden sögs in i solen. Eller?”

”Ingen fara”, svarar Birkeland. ”Uppenbarligen strömmar inte bara negativa utan också positiva partiklar ut från solen. Som en het vind. Men det förefaller som om det bara är de negativa som ger upphov till norrsken. Ni kan läsa allt om saken i min nya avhandling som just nu publicerats. Dock bara på franska, eftersom inga internationella forskare av rang läser på norska.”

Det skulle dröja till slutet av 1900-talet och observationer från satelliter innan vetenskapen gav Birkeland rätt. I dag vet man att norrskenet mycket riktigt uppstår när elektroner exciterar molekyler i atmosfären. Färgen bestäms av vilka gaser partiklarna kolliderar med och hur högt upp i atmosfären kollisionerna inträffar. Över 150 km blir det rött sken, 120–150 km gulgrönt sken och under 120 km blålila sken.

Experimenten med terrellan var krönet på Birkelands långa forskning om norrskenet. Den hade börjat redan femton år tidigare då han på universitetets bekostnad utrustade en expedition som tillbringade vintern 1899 på en forskningsstation i nordligaste Norge med norrskensobservationer. Eftersom man inte visste på vilken höjd norrskenet uppstod beslutades att man skulle upprätta ett observatorium så högt beläget som möjligt. Valet föll på Halddetoppen, ett berg i närheten av Alta. Här tillbringade ett forskningsteam under Birkelands ledning en hel vinter med rykande snöstormar och temperaturer långt under kvicksilvrets fryspunkt. Här fanns instrument för registrering av deviationer i det jordmagnetiska fältet och apparatur för att mäta atmosfärens elektriska laddning. Eftersom det var en allmän uppfattning att norrskenet hade något med vädret att göra mätte man också meteorologiska parametrar: vind, temperatur, nederbörd, lufttryck, relativ fuktighet etcetera. På en närbelägen fjälltopp fanns en parallell observationsplats. Tanken var att man skulle kunna triangulera fram höjden till norrskenet.

Forskningsprojektet kantades av dramatik. En man omkom när han störtade ner i en ravin. En annan fick så svåra förfrysningsskador att alla fingrarna fick amputeras. Men något entydigt svar på sina frågor fick inte Birkeland. Han beslutade sig för att nästa vinter genomföra ett nytt projekt. Nu ville han observera norrskenet från en kedja av stationer, från Novaja Semlja i öster via Finnmark och Svalbard till Island. Problemet var finansieringen. Universitetet i Kristiania vägrade ge några som helst nya anslag innan Birkeland hade redovisat kostnaderna för äventyret på Halddetoppen. Det skulle senare visa sig att han hade överdragit budgeten fyra gånger.

Birkeland befann sig i samma situation som så många andra stora vetenskapsmän gjort sedan sextonhundratalet. För att kunna bedriva självständig forskning måste man vara ekonomiskt oberoende och själv kunna stå för kostnaderna. Kort sagt, man behövde en egen förmögenhet att ösa ur.

Det enklaste sättet att skaffa sig en förmögenhet är som bekant att ärva den (som sir Joseph Banks, som tillsammans med Daniel Solander från Piteå därigenom hade råd att segla jorden runt på kapten Cooks första resa). Om man nu inte själv kommer från en rik familj kan man ju alltid gifta in sig i en (som Charles Darwin gjorde). Birkeland kom varken från fin familj eller tänkte gifta sig. Han beslutade sig för att uppfinna något värdefullt och därigenom tjäna mängder av pengar.

Vad var det då som behövde uppfinnas som man kunde få bra betalt för? Tja, militären hade ju alltid behov av nya massförstörelsevapen. Varför inte en elektrisk kanon? Birkeland uppfann snabbt en apparat som kunde accelerera en artillerigranat i ett rörligt magnetfält. Tekniken påminde om den som används i dagens partikelacceleratorer. Det sägs att den tyske kejsaren Wilhelm II var intresserad, men efter en serie misslyckade demonstrationer med kortslutningar och explosioner lade Birkeland projektet på is.

Men det fanns annat som behövde uppfinnas, som strömbrytare för vattenkraftsindustrin. Problemet var att när man bröt strömmen från en stor generator i drift uppstod en motriktad elektromotorisk kraft, som gav upphov till en ljusbåge. Resultatet blev vanligtvis att hela apparaturen exploderade och smälte ner. Birkeland gav sig i kast med problemet och tänkte sig att han skulle kunna använda sig av starka elektromagneter för att snabbt skilja polerna i brytaren. Det gick inte så bra. Men Birkeland märkte att ljusbågen tänjdes ut av elek-tromagneterna, och att det luktade kraftigt av nitrösa gaser. Han insåg att här fanns ett sätt att binda luftkväve.

Sedan länge hade jordbruket i Europa och USA skriat efter kvävehaltigt konstgödsel. Sedan 1800-talets andra hälft hade stora mängder av Chilesalpeter, nitrat, importerats från guanobergen i Peru och Chile, men tillgångarna där var begränsade. Kunde Birkeland på något sätt elektromagnetiskt binda det i vanliga fall så inerta luftkvävet så kunde han tillverka vilka konstgödningsmedel som helst. Norgesalpeter var framtiden.

Birkeland gjorde experiment med en liten ljusbågsugn där ljusbågen drogs ut till en skiva av elektromagneter. Luft blåstes genom ljusskivan och de bildade nitrösa gaserna fick kondensera till salpetersyrlighet i vattnet i ett efterföljande rörsystem. Vid en middagsbjudning hos en bekant träffade sedan Birkeland en ung finansman och vid namn Sam Eyde. Det visade sig att de två kompletterade varandra väl. Birkeland hade idéerna och det tekniska kunnandet. Eyde hade kontakterna med finansvärlden. Snart hade de bildat ett bolag och fått in en första skvätt kapital från lokala norska riskkapitalister. Birkeland kunde börja utvecklingen av ljusbågsugnar i kommersiellt format.

Att binda luftkväve med elektricitet är på många sätt en god idé, men det krävs stora mängder ström. Och den måste vara billig. Nu var detta inget problem. Eyde hade nämligen skaffat sig rätten till vattenfallen i Rjukan i Telemark med en fallhöjd på etthundrafyra meter. Problemet var att för att bygga ett kraftverk där krävdes betydligt större investeringar än vad som kunde uppbringas i Norge. Men i Sverige fanns det pengar. Eyde uppsökte Wallenbergarna i Stockholm, som visade sig intresserade.

Nu uppstod andra problem. Just i denna veva, 1905, höll Norge på att bryta sig ur unionen med Sverige. Det skramlades med vapen på båda sidorna kölen. Skulle det bli krig mellan brödrafolken? I så fall var det ajöss med de svenska pengarna. Men tyska kemiföretaget Badische Anilin und Soda Fabriek (BASF) var också intresserat av att investera. Skulle Norgesalpetern bli tysk?

Men krisen gick över, ett avtal slöts i Karlstad och norrmännen fick äntligen sin frihet. Det diskuterades länge om den nya nationen skulle bli republik (vilket väl hade varit det modernaste och naturligaste) men till sist be-slutades att Norge skulle bli monarki. En dansk prins utsågs till kung, han var nämligen gift med en engelsk prinsessa. Norge gick alltså sängkammar‑ vägen till det brittiska imperiets högsta sfärer. En bra försäkring om svenskarna skulle börja krångla.

Nu satte arbetet i gång i Telemark. Kraftverk byggdes i Rjukan och en fabrik för ljusbågsugnarna i Notodden. Birkeland och hans fru Ida flyttade dit. De hade gift sig några år tidigare, men eftersom maken alltid jobbade och aldrig var hemma började förhållandet knaka i fogarna. Till sist hade Ida fått nog av att bo i det isolerade Telemark och flyttade hem till Oslo.

Birkeland blev mer och mer sliten och fick sömnproblem efter skilsmässan. Han konsumerade alltmer alkohol, och fick en läkare i bekantskapskretsen att skriva ut stora mängder av ett nytt sömnmedel vid namn Veronal. Medlet hade utvecklats av den tyska kemibjässen Bayer, och det sägs att det fått sitt namn sedan en av kemisterna provat medlet under en tågresa till Italien. Kemisten sov som en stock och vaknade inte förrän konduktören ropade ut att nästa station var Verona.

Birkeland hade för övrigt också fått nog. Egentligen ville han ju bara forska om norrskenet, men han var tvungen att slutföra utvecklingen av ljusbågsugnarna. Sam Eyde gjorde sitt bästa för att utmanövrera Birkeland från ledningen av verksamheten, med resultatet att Birkeland stod utanför bildandet av Norges första multinationella storbolag, Norsk Hydro. Men han blev inte lottlös. Nu hade han blivit ekonomiskt oberoende.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt