Gruvan i Ytterby har gett namn åt fyra grundämnen

2018-06-24 06:00  

Under nästan 200 år bröts här kvarts och fältspat för porslinstillverkning, men i slutet av 1700-talet upptäcktes att malmen i Ytterby gruva också innehöll en rad okända grundämnen. I dag planeras ett litet museum över svenska kemister och mineraloger och de sällsynta jordartsmetallerna.

De kallas för sällsynta jordartsmetaller, men i själva verket är de inte alls särskilt sällsynta. Exempelvis är silver (0,07 ppm i jordskorpan) betydligt ovanligare än den ”sällsynta” jordartsmetallen erbium (3,8 ppm).

Varför har då silver varit känt sedan förhistorisk tid medan erbium upptäcktes först efter oerhörd forskarmöda år 1842? Svaret är naturligtvis att silver visserligen är sällsynt, men där det finns uppträder det i högt anrikad form, lätt att förädla till ren metall. Erbium finns däremot närvarande praktiskt taget överallt, men i mycket låga halter.

Används i fiberoptiska kablar

Under senare tid har erbium fått stor användning som dopämne i fiberoptiska kablar. Erbiumatomerna kan nämligen exciteras, varefter de sänder ut fotoner med samma våglängd som signalen i kabeln när de faller tillbaka till en lägre nivå. Detta gör att de fungerar som signalförstärkare inne i själva fibern. Erbium är alltså i högsta grad ett ämne som har hög teknisk och kommersiell användning.

Andra av de sällsynta jordartsmetallerna används i dag i supraledare, i bildskärmar, i extremt starka magneter, i högeffektlasrar och fluoriserande tryckfärg i sedlar och pass. Utan de sällsynta jordartsmetallerna skulle vi i dag varken har internet eller mobiltelefoner, men när de upptäcktes på 1700- och 1800-talen hade de inget som helst kommersiellt värde.

Låt oss titta lite närmare på de inte alls så ovanliga men desto mer svårfångade jordartsmetallerna och hur de upptäcktes.

Började med porslinstillverkning

Historien börjar i slutet av 1700-talet i Ytterby på Resarö norr om Vaxholm. Där fanns sedan länge ett pegmatitbrott där man bröt kvarts och fältspat för porslinstillverkningen i Rörstrand och Gustavsberg. (En pegmatitgång är en formation där magma trängt igenom graniten och sedan svalnat så långsamt att stora rena kristaller av de olika ingående mineralen bildats.)

En artilleriofficer och mineralog vid namn Carl Axel Arrhenius begav sig 1794 till Ytterby för att undersöka om man kunde placera ett kanonbatteri uppe på berget för att skydda inloppet till Stockholm mot eventuella ryska flottattacker via Kodjupet. Han upptäckte då att det inbäddat i kvartsen och fältspaten fanns klumpar av ett svart tungt mineral som han aldrig sett förut. Han blev nyfiken och tog med sig ett par stenar som han skickade över till den finske geologen Johan Gadolin vid Åbo akademi som just då jobbade i Uppsala.

Gadolin analyserade mineralet efter konstens alla regler och fann att det bestod av ”31 delar kiseljord, 19 delar alunjord, 12 delar järnkalk och 38 delar av en okänd jordart”. Saken bekräftades snart av ledande kemister i Tyskland och Frankrike.

Den okända jordarten, det vill säga det nya grundämnet, gavs namnet yttrium, och därmed hade Ytterby fått en plats på den kemiska världskartan. Mineralet döptes till gadolinit.

Men inte nog med det. I Bastnäs i Västmanland fann man ett likartat mineral, kallat bastnäsit. Det undersöktes av Jacob Berzelius, och befanns även det innehålla en ny ”jordart”. Berzelius gav den namnet cerium efter en nyupptäckt småplanet i asteroidbältet – vilken i sin tur har fått sitt namn efter den romerska fruktbarhetsgudinnan.

Analyserade i smyg

Två splitter nya grundämnen hade nu upptäckts i Sverige. Men det skulle bli fler.

År 1825 hade ceriummetall för första gången framställts. Men en av Berzelius lärjungar, Carl Gustaf Mosander, började misstänka att cerium i själva verket var en blandning av två likartade grundämnen.

Till en början gjorde han sina analyser i smyg för att inte förarga sin store läromästare, men 1838 lyckades han isolera ett nytt ämne som legat gömt i ceriumet. Berzelius accepterade storsint sitt misstag, och det nya ämnet fick namnet lantan – grekiska för ”gömd”.

Men även lantan visade sig vara en tvillingmetall. 1840 lyckades Mosander isolera ytterligare ett nytt ämne som han kallade didym, tvillingen.

Kunde det vara så att även yttrium var ett sammansatt ämne? Analysmetoderna hade nu förbättrats, och Mosander fick fram tre olika nya grundämnen vilka han kallade yttrium, terbium och erbium, alla efter fyndplatsen Ytterby.

Några decennier senare visade sig både terbium och erbium dölja ytterligare ämnen. Efter spektralanalys upptäckte kemiprofessorn Per Theodor Cleve i Uppsala thulium (efter romarnas namn Thule för den yttersta Norden) samt holmium (efter Stockholm). Holmium visade sig gömma ytterligare ett ämne som fick namnet dysprosium (efter grekiskans ”svårt att komma fram till”).

Men det var inte slut här heller. 1885 lyckades en tysk kemist vid namn Carl Auer von Welsbach splittra Mosanders didym i två ämnen som han kallade neodym (den nya tvillingen) och praseodym (den gröna tvillingen). Vidare analyser i Frankrike ledde till upptäckten av samarium (efter mineralet samarskit från Ural) och gadolinium (efter Johan Gadolin, upptäckaren av yttrium).

Periodiska systemet gör entré

Vid den här tiden hade Dmitrij Mendelejev presenterat sitt periodiska system och sorterat in grundämnena i perioder och grupper, något som fullständigt revolutionerat kemin. Tyvärr fanns ett förargligt hål på plats 21.

Mendeljev hävdade att här skulle placeras ett ännu oupptäckt grundämne som han kallade eka-bor. Uppsalaprofessorerna Per Teodor Cleve och Lars Fredrik Nilsson förutsåg nu att detta ämne borde ha ungefär samma egenskaper som de redan funna sällsynta jordartsmetallerna. Och mycket riktigt. Ur erbium kunde Nilsson 1880 renframställa oxiden av ämne 21, skandium (efter Skandinavien). Dessutom fann han ett nytt ämne som han kallade ytterbium.

Ämnesjakten fortsatte i Paris med upptäckterna av lutetium (efter romarnas namn på Paris) och europium. Hur många sällsynta jordartsmetaller fanns det egentligen?

Med ökad förståelse för elektronskalens uppbyggnad klarnade det hela till sist. I periodiska systemet finns en inskjuten grupp av sammanlagt 14 ämnen, lantaniderna, med atomnummer från 57 till 71. År 1910 hade 13 av dem upptäckts. Var fanns då det fjortonde, ämne nummer 61?

Inte på jorden, ämne 61 är nämligen instabilt. Men dess spektrallinjer upptäcktes i ljuset från en supernova i Andromedanebulosan. Ämne 61 bildas som klyvningsprodukt när uran sönderfaller, och 1945 kunde ett lag amerikanska forskare påvisa ämnet vid en forskningsreaktor i Tennessee. Det fick namnet prometium efter Prometeus, titanen som stal elden från gudarna och gav den till människorna.

Fyra ämnen från Ytterby

Efter 150 år var alla de sällsynta jordartsmetallerna äntligen funna, de flesta av svenska kemister. Inte mindre än fyra ämnen har fått namn efter lilla Ytterby: yttrium, ytterbium, erbium och terbium. Dessutom finns i malmen från Ytterby skandium, holmium, tantal, lantan och thulium.

Faktum är att en fjärdedel av periodiska systemets naturligt förekommande grundämnen har upptäckts av svenska kemister under 1700- och 1800-talen.

Ytterby gruva har alltså en minst sagt framträdande plats i kemihistorien. Faktum är att gruvan redan 1989 utnämnts till ”Historical Landmark” av ASM (American Society for Metals). En skylt nedanför gruvan vittnar om detta.

Det berättas att en av 2010 års Nobelpristagare i kemi, japanen Ei-ichi Negishi, under Nobelbanketten fick höra talas om att Ytterby gruva var belägen bara några mil från Stockholm. Redan morgonen efter banketten såg han till att bli körd till Ytterby, och i lågskor klättrade han i snöyra uppför varphögarna till brottet. En anmärkningsvärd bedrift, för vintern 2010 var ovanligt kall och snörik.

Sedan dess har gruvan blivit vallfartsort för kemister och mineraloger från hela världen.

Gruvstängning 1933

I dag är det inte mycket mer än varphögarna man kan se av själva brottet. Gruvan stängdes 1933 när dess ägare, Rörstrands porslinsfabrik, la ner sin verksamhet i Stockholm och flyttade västerut. Först till Göteborg och därefter till Lidköping.

Det 170 meter djupa gruvhålet stod länge öppet, men vid 1950-talets början övertogs området av försvaret. Fortifikationsförvaltningen försåg gruvöppningen med ett bombsäkert femton meter tjockt lock av armerad betong, och använde sedan bergrummet därunder som hemlig depå för flygbensin.

Från strandkanten norr om gruvan där djupgående fartyg kunde lägga till sprängdes en 300 meter lång smal tunnel in till bergrummet. I tunneln las pipeline och ventilationsrör. Inne i berget installerades ett dieseldrivet elektricitetsverk för att driva pumpar, ventilation och belysning.

Det 170 meter djupa gruvschaktet fylldes i botten med havsvatten och över det flöt flygbensinen. När man tankade ur bensinen fyllde man samtidigt på med havsvatten så att luftfickan upptill blev så liten som möjligt. Detta för att minska explosionsrisken.

Efter 20 år visade det sig emellertid att flygbensinen inte mådde bra av att samsas med havsvatten. I gränsskiktet frodades mikroorganismer, och bensinen förorenades så att den blev oanvändbar. Man tömde på 1970-talet ut bensinen (den gick väl till något raffinaderi) och fyllde i stället gruvan med dieselolja för marinens fartyg. Det gick bättre.

Tömning på 90-talet

Efter murens fall på 1990-talet beslutades emellertid att försvarets beredskapslager skulle avvecklas. 1995 tömdes bergrummet, och sedan 1999 har man arbetat med att sanera den nu vattenfyllda gruvan från oljerester. Detta går mycket långsamt, för med jämna mellanrum bubblar det till och nya kubikmetrar olja flyter upp från okända sprickor och hålrum i berget. Det kommer att dröja länge innan gruvan kan anses helt sanerad.

Samtidigt som saneringen pågått har flera forskare intresserat sig för gruvan. Här har allt stått orört och temperaturen varit konstant under två decennier, vilket lett till uppkomsten av en alldeles egen flora av mikroorganismer.

2012 upptäcktes egendomliga svarta utfällningar i vattenförande sprickor i tunnelväggarna. Det visade vara bakterier och arkéer som på något sätt lever på att anrika sällsynta jordartsmetaller och avsätta dem som en manganutfällning på bergväggen. Egendomligt nog skapar organismerna också sin egen atmosfär, de omger sig av ofta decimeterstora gasbubblor.

Susanne Sjöberg vid Stockholms universitet driver ett experiment om detta i gruvgången. Dessutom bedriver professor Bert Allard vid Örebro universitet försöksodling av mikroorganismer som kan bryta ner oljerester i en berggrundsmiljö i mörker.

Ägs än av Försvarsmakten

Ytterby anrika gruva ägs fortfarande av Försvarsmakten genom Fortifikationsverket. En del av marken ovanpå gruvan är kulturmärkt och skyddad. Föreningen Ytterby gruva, bildad av en grupp kemister och entusiaster, vill nu bygga ett litet museum på berget och skildra upptäckterna av de sällsynta jordartsmetallerna och de olika skedena i gruvans historia.

– En stiftelse har bildats för att driva projektet, säger Magnus Ericsson, gruvexpert och professor vid Luleå tekniska universitet.

– Nu letar vi samarbetspartner och sponsorer både inom och utom landet. Association of China Rare Earth Industry, som organiserar de kinesiska producenterna av sällsynta jordartsmetaller och står för runt 90 procent av världsproduktionen, är bland de många organisationer och företag som har uttryckt sitt stora intresse, säger han.

Det gäller bara att få kommunen med sig för att få alla tillstånd som behövs. Området har en detaljplan som inte ändras hur som helst. Trakten runt gruvan är sedan länge bebyggt med burgna villor, något som brukar vara ett tecken på att viljan till överklaganden mot alla förändringar är stor.

Men vi får se. Om cirka fem år hoppas föreningen ha kommit i gång med det nya museet.

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.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt