Die Industrie der Lebensluft

Unsere Kenntnisse vom Wesen des Sauerstoffes als des eigentlichen Trägers der meisten chemischen und organischen Lebensvorgänge hat Menschenalter hindurch zu denjenigen theoretischen Thatsachen gehört, die sich in der Schule von Geschlecht zu Geschlecht vererben, ohne daß das Leben erklecklichen Gewinn aus ihnen zieht. Daß von dem uns umgebenden Luftmeer nur der fünfte Teil, nämlich der darin enthaltene Sauerstoff, uns eigentlich von Nutzen ist, während der weit überwiegende Stickstoffgehalt nur als unnützer Ballast sowohl in unseren Lungen als bei allen chemischen und technischen Prozessen, bei denen wir der Luft bedürfen, funktioniert, das haben wir alles längst gewußt; aber erst in den letzten Jahren hat man begonnen, aus diesem Wissen Nutzen zu ziehen. Natürlich können wir den alltäglichsten Lebensvorgang, bei dem die atmosphärische Luft die Hauptrolle spielt, die Atmung, nicht verändern; die Lunge ist einmal für die Verarbeitung des Sauerstoffs in der fünffachen Verdünnung, wie die Atmosphäre ihn uns bietet, eingerichtet und vermag ihre Verbrennungsarbeit auch so zu bewältigen. Bisweilen aber treten auch hier Fälle ein, in denen eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff uns von weit größerem Nutzen sein würde und jetzt, nachdem man sie herzustellen gelernt hat, auch ist. So z. B. auf hohen Bergen, wo dem Besucher leicht der Atem zu kurz wird. In 5500 m Höhe z. B., wo der Kubikmeter Luft bloß noch halb soviel Sauerstoff enthält als in der Tiefebene, muß die Lunge mit verdoppelter Kraft arbeiten, um die Lebensvorgänge zu unterhalten, und je höher man kommt, desto schwieriger wird das. In 7000 bis 8000 m Höhe hört die Möglichkeit, mittels der Lunge der Atmosphäre hinreichend Sauerstoff zu entziehen, überhaupt auf, und die darüber hinausliegenden Höhen, die mehrfach auf wissenschaftlichen Ballonfahrten erreicht worden sind, wurden dem Menschen erst zugänglich durch die Mitnahme von aufgespeichertem reinen Sauerstoff, den man in den stark verdünnten Luftschichten zum Atmen benutzte.

Unverhältnismäßig größer ist das Wirkungsfeld, welches sich dem reinen Sauerstoff in der Verbrennung von Kohle oder irgendwelchen anderen Feuerungsmitteln zu gewerblichen Zwecken öffnet. In jeder Feuerungsanlage, vom Stubenofen bis zum Eisenschmelzwerk und ebenso in jedem Petroleum-, Gas- oder Spiritusbrenner, der zum Kochen oder Heizen dient, findet eine große Verschwendung statt, indem jede Flamme nur durch unausgesetzte Luftzufuhr unterhalten werden kann, aber stets nur ein Fünftel der zugeführten Luft wirklich ausnutzt, während vier Fünftel, der ganze Stickstoffgehalt der Atmosphäre, als unnützer Ballast miterhitzt und alsdann ausgestoßen wird. Es wäre ein Irrtum, zu glauben, daß diese Erhitzung der überflüssigen atmosphärischen Bestandteile keine erhebliche Rolle beim Verbrennungsprozeß spielen könne. Die durch sie bewirkten Verluste sind jedenfalls größer als diejenigen der so oft beklagten unvollkommenen Aufzehrung der Kohle, von welcher die Ruß- und Rauchentwicklung zeugt. Ein Hochofen gebraucht in 24 Stunden an eingeblasenem Wind ein größeres Gewicht, als Erze und Kohlen zusammen ausmachen, und vier Fünftel dieses Gewichtes müssen nutzlos auf dieselbe Temperatur erhitzt werden, welche das schmelzende Erz besitzt. Viel Kosten würden sich ersparen lassen, wenn man anstatt Luft reinen Sauerstoff in die Oefen blasen könnte, um so mehr, als im reinen Sauerstoff alle Brennmaterialien sich unter weit höherer Glut zersetzen und mit wenig Kohle derselbe Effekt erreicht wird wie unter bloßem Luftzutritt mit sehr viel mehr Brennstoff. Im kleinen beobachtet man schon an einer Flamme von Leuchtgas oder Wasserstoff dasselbe: unter reiner Sauerstoffzufuhr entwickeln diese Heizstoffe eine Temperatur, bei der die am schwersten schmelzbaren Metalle sich verflüssigen und Kalk, Zirkon und ähnliche Erden zu einer Glut gebracht werden, die an Helligkeit dem elektrischen Bogenlicht nichts nachgiebt.

Daß alle diese und andere Vorteile sich mit Hilfe des Sauerstoffes erreichen lassen würden, sah man nun, wie erwähnt, schon vor Menschenaltern ein, aber erst in den letzten Jahren ist man der Verwirklichung des alten Gedankens näher gekommen, und jetzt giebt es bereits eine ganze Zahl von Fabriken, welche die Herstellung von Sauerstoff zu ihrer Aufgabe gemacht haben, wie es schon seit langer Zeit Leuchtgasfabriken und neuerdings solche zur Erzeugung von Kohlensäure und zahlreichen anderen Gasen giebt. Der Sauerstoff, den früher nur die Laboratorien jeweilig in kleinen Mengen für ihren eigenen Gebrauch erzeugten, wird heute in diesen Anstalten im großen durch Retorten und Maschinen fabriziert, und zwar meist nach einer Methode, die von Boussingault schon vor mehr als 40 Jahren angegeben wurde, ohne indes damals wegen der ihr noch anhaftenden Mängel eine praktische Bedeutung erlangen zu können. Das Verfahren besteht darin, [196] daß man den in der Luft vorhandenen Sauerstoff von den ihm beigemengten Stickstoffmassen befreit. Das Mittel dazu bildet das Baryumoxyd, d. h. eine kalkartige Sauerstoffverbindung des Metalles Baryum, welche die wunderbare Eigenschaft hat, bei einem bestimmten Wärmegrade, etwa 600 °, mit großer Begier Sauerstoff aus der Atmosphäre einzuschlucken, den es bei nur wenig höherer Glühhitze ebenso energisch wieder von sich giebt.

Weiter als diese Thatsache braucht man von chemischen Prozessen nichts zu verstehen, um die Vorgänge in einer Sauerstofffabrik zu begreifen. Wir erblicken beim Besuch einer solchen im Maschinenraum vor allem eine oder mehrere große Luftpumpen, einige Oefen mit darin aufgehängten, in schwacher Glut stehenden Retorten aus Schmiedeeisen und mehrere sehr einfache Reinigungsapparate. Die Seele des ganzen Betriebes ist die von Dr. Elkan, dem Gründer der ersten derartigen Fabrik in Deutschland, ersonnene Pumpmaschine, welche fast ohne Bedienung, automatisch und mit der Regelmäßigkeit einer Uhr, Tag und Nacht in stetigem Wechsel ihren unausgesetzt sich verändernden Dienst versieht. Einmal preßt sie nämlich Luft in die glühenden, mit Baryumoxyd gefüllten Retorten hinein, dann saugt sie solche daraus auf und befördert sie weiter, und diese Verrichtungen wechseln von fünf zu fünf Minuten ab, ohne daß jemand einen Hahn an der Maschine zu drehen brauchte. Verfolgen wir einmal den Vorgang, um zu beobachten, wie dabei das eigentliche Produkt der ganzen Arbeit, der Sauerstoff, gewonnen wird.

Die Retorten mit ihrer vollen Ladung von Baryumoxyd schwitzen in der Glut der darunter züngelnden Gasfeuerung und haben eine genau abgestimmte Temperatur, etwa 800° C. Sie sind nicht nur unfähig, Sauerstoff aufzunehmen, sondern haben sogar, wie das Baryumoxyd bei dieser Temperatur gezwungen ist, soeben allen Ueberschuß davon ausgestoßen. Jetzt beginnt die Maschine zu arbeiten und preßt einen Luftstrom durch die Retorten, der vorher in den chemisch wirkenden Reinigungskästen von allen anhaftenden Unreinigkeiten befreit ist, so daß nur eine tadellose Mischung von Sauerstoff und Stickstoff in die Retorten gelangt und durch die hohe Schicht körnigen Baryumoxyds, wie Wasser durch ein Filter, hindurchstreicht. Der Luftstrom ist eisig kalt und unter seinem Einfluß sinkt die Temperatur des Baryumsalzes in wenigen Sekunden um etwa 200 °, so daß letzteres nun gerade den kritischen Punkt erreicht, in dem es begierig Sauerstoff in sich aufsaugt. Dieser Prozeß geht denn auch vor sich: die Pumpe drückt nach wie vor ihren kalten Luftstrom unten in die Retorten hinein, aber was oben entweicht, ist bloß noch Stickstoff, den Sauerstoff hat das Baryumoxyd in sich geschluckt, dabei gleichzeitig in Baryumsuperoxyd übergehend. Die Sauerstoffaufnahme kann nun aber nicht immer in gleichem Maße fortgehen: das Salz ist in wenigen Minuten damit gesättigt, und der Prozeß muß unterbrochen werden. Hier greift nun die sinnreichste Vorkehrung des Elkanschen Verfahrens ein und bewirkt, daß im gebotenen Augenblick eine Umkehrung der Luftströmung in allen Röhren stattfindet. Der Inhalt der Retorten nämlich, der anfangs durch die eingepreßte Luft auf 600 ° abgekühlt wurde, wird in derselben Zeit, in der die Sauerstoffaufnahme stattgefunden hat, vom darumspielenden Feuer auf 800 ° wieder erhitzt, und das Baryumsalz hat jetzt nur noch das Bestreben, seinen Sauerstoff möglichst rasch loszuwerden. In demselben Augenblick nun steuert die Luftpumpe, die übrigens hier aus einer großen Dampfmaschine besteht, ihre Ventile um, ohne dazu der Handreichung eines Wärters zu bedürfen, und beginnt nun zu saugen, anstatt zu drücken. In den ersten Sekunden saugt sie noch stickstoffhaltige Gase aus den Retorten, dann aber stoßen die letzteren mit großer Energie ihren aufgespeicherten Sauerstoff aus; die Pumpen saugen ihn auf und pressen ihn in den Gasbehälter, wo er sich abkühlen kann.

Auch dieser Prozeß dauert nur einige Minuten, dann ist der Sauerstoffüberschuß des Salzes erschöpft; die Pumpen beginnen wieder, kalte Luft in die Retortenbatterie zu pressen; deren Inhalt kühlt sich ab, erlangt bei 600° wieder die Fähigkeit, begierig Sauerstoff aufzusaugen, und die ganze Geschichte wiederholt sich in einem festgesetzten Rhythmus von etwa fünf zu fünf Minuten ohne Aufhören, Tag und Nacht, gleich wie die Oefen der Gasanstalten wochen– und monatelang unter Glut liegen, bevor sie einmal außer Dienst gesetzt werden. Der so erhaltene Sauerstoff ist so rein, daß er nur noch etwa 2 % Stickstoff enthält, welche in der Praxis keine Rolle mehr spielen, und dabei verhältnismäßig billig herzustellen, nämlich für einen Pfennig das Liter oder 10 Mark der Kubikmeter. Allerdings ist das vorläufig nur in dem Sinne billig, daß diejenigen Prozesse, bei denen man bis jetzt den reinen Sauerstoff gebraucht, ihn in so geringen Mengen benutzen, daß er auch bei einem höheren Preise noch seine Abnehmer finden würde. Um die Verwendung im großen, etwa für Hüttenwerke, Oefen u. dergl., zu ermöglichen, müßte man den Sauerstoff so billig herstellen können wie etwa das Leuchtgas, d. h. 50 bis 60 mal wohlfeiler als jetzt. Indessen kann man nicht in Abrede stellen, daß künftige bessere Arbeitsmethoden nicht auch dies Ziel noch einmal erreichen könnten, denn schon jetzt rivalisieren mit dem vorbeschriebenen Verfahren mehrere andere Methoden, die alle eine billigere Herstellung zum Zweck haben. Der berühmte Erfinder vieler Kältemaschinen, Prof. Linde in München, hat sich ebenfalls der Sauerstofffabrikation zugewandt; das von ihm erdachte Verfahren, welches er vor kurzem dem deutschen Kaiser in Berlin vorführte, verdient schon seiner Kühnheit und Originalität wegen Erwähnung.

Bekanntlich ist es den letzten Jahren gelungen, die meisten Gase, die sonst am hartnäckigsten in ihrem luftförmigen Zustande beharrten, flüssig zu machen, so auch den Sauerstoff und den Stickstoff, die Hauptbestandteile der atmosphärischen Luft; von den beiden Gasen läßt sich aber der Stickstoff schwerer verflüssigen. Linde stellt nun große Massen flüssiger Luft her, die dann der Destillation unterworfen, d. h. auf ihren Siedepunkt gebracht wird. Um die Neuheit und Schwierigkeit dieses Verfahrens zu verstehen, muß man wissen, daß das Sieden der flüssigen Luft sich etwa bei 200° unter Null vollzieht, während die Verflüssigung selbst so schwierig ist, daß es bisher in den Laboratorien nur gelang, ganz geringe Mengen dieser blauen, aus verdichteter Atmosphäre bestehenden Flüssigkeit herzustellen. Wie Linde diesen Prozeß im großen auf maschinellem Wege ins Werk setzt, konnte man im vorigen Sommer an dem auf der bayrischen Landesausstellung zu Nürnberg vorgeführten Modell zum erstenmal öffentlich sehen. Die Wirkung der Lindeschen Maschine beruht vor allem auf dem Prinzip der sogenannten Expansionskälte, d. h. der plötzlichen starken Abkühlung, welche ein Gas oder Gasgemisch erleidet, wenn es ebenso plötzlich einer starken Expansion oder Ausdehnung unterworfen wird. Im wesentlichen besteht die Maschinerie aus einer starken Dampfluftpumpe zum Komprimieren großer Luftmengen, einer Expansionskammer zur plötzlichen Ausdehnung und Abkühlung der Luft und einem sogenannten Gegenstromapparat, dessen Aufgabe es ist, die einmalige, in der Expansionskammer erzielte Abkühlung der Luft nach Möglichkeit auszunutzen und in einem eigentümlichen Kreisprozeß weiter zu übertragen. Nach diesen Andeutungen wird eine kurze Schilderung der Wirkungsweise des Lindeschen Apparates verständlicher sein. Die in der Kompressionspumpe auf etwa 175 Atmosphären verdichtete Luft strömt durch ein langes kupfernes Schlangenrohr in den Expansionsraum, wo sie sich plötzlich auf 40 Atmosphären ausdehnen kann und dabei eine sehr niedrige Temperatur annimmt. So kehrt sie zu dem Kompressor zurück, um aufs neue auf 175 Atmosphären verdichtet zu werden, aber auf dem Wege dahin muß sie ein zweites Schlangenrohr durchlaufen, welches derart in das erstere verflochten ist, daß sich die Kälte der zurückkehrenden auf die in den Expansionsraum einströmende Luft überträgt. So tritt die letztere bereits in kaltem Zustande in die Kammer ein, in noch viel kälterem wieder aus, und bei dem fortlaufenden Kreisprozeß von Verdichtung und Ausdehnung steigert sich die Expansionskälte schließlich so hoch, daß die Luft im Augenblicke ihres Eintretens in die Expansionskammer flüssig wird. Nun setzt sich der Verflüssigungsprozeß, der bei 40 Atmosphären Druck und 140° Kälte, wie sie jetzt in der Expansionskammer herrschen, unter allen Umständen stattfinden muß, stetig fort, und zwar so ausgiebig, daß die flüssige Luft bald eimerweise aus der Maschine abgezapft werden kann.

Verfügt man nun über größere Mengen flüssiger Luft, so ist es leicht, aus ihr Sauerstoff zu gewinnen. Man läßt sie lediglich sieden, was sofort geschieht, wenn die Temperatur der Umgebung Zutritt erhält. Alsdann verflüchtigt sich der Stickstoff zuerst, da er bei weitem schwerer in die flüssige Form zu bannen ist als der Sauerstoff, und letzterer bleibt zurück. Man braucht dann also nur das letzte Viertel der Flüssigkeit für sich verdampfen zu [198] lassen und die entstehenden Gase aufzufangen, um gasförmigen Sauerstoff zu erhalten. Derselbe ist freilich, da nicht aller Stickstoff sich ohne gleichzeitige Sauerstoffverdampfung verflüchtigt, nicht rein, sondern enthält noch bis zu 20 % Stickstoff; aber damit ist immerhin ein Gasgemenge erhalten, welches etwa die umgekehrte Zusammensetzung der Atmosphäre hat, d. h. zu vier Fünfteln aus Sauerstoff besteht, und welches deshalb auch die Heizkraft der Luft in vierfachem Maße besitzt. Ein Kubikmeter Sauerstoff dieser Herstellung soll nur auf 12 Pfennig zu stehen kommen, d. h. jedenfalls in der Herstellung, nicht im Verkauf. Wieweit das Lindesche Verfahren die bisherigen Fabrikationsmethoden des Sauerstoffs ersetzen oder verdrängen wird, muß die Zukunft lehren. Vielleicht beruht seine praktische Bedeutung aber mehr auf der leichten Erzielung ungeheuer kalter Temperaturen als auf der Herstellung von Sauerstoff.

Im ganzen mögen sich schon zehn oder mehr bedeutende Fabriken der letzteren beschäftigen; von den größten haben zwei ihren Sitz in London, zwei in Paris, zwei in Berlin und einige andere in Essen, Freiburg, Glasgow und anderen Städten.

Nach der Herstellung darf uns nun die Verteilung des gebrauchsfertigen Sauerstoffes noch einen Augenblick beschäftigen. Solange die Sauerstoffindustrie noch nicht wie die Leuchtgasfabrikation in der Lage ist, ihr Produkt in Röhren über ganze Städte verteilen – und das kann noch lange dauern, wenn es auch für eine ferne Zukunft nicht ausgeschlossen ist –, solange muß das Gas dem Konsumenten in geschlossenen Behältern zugesandt werden, und dies ist natürlich nicht anders als im stark komprimierten Zustande möglich, da andernfalls ein Kubikmeter Sauerstoff, der 1200 g wiegt, eine Wagenladung an an Umfang ausmachen würde. Das Gas wird daher gleich nach der Erzeugung derart komprimiert, daß der Kubikmeter sich in einer nahtlosen Stahlflasche von 10 Litern Inhalt aufspeichern läßt, also auf 100 Atmosphären. Natürlich müssen diese Stahlbomben von großer Festigkeit sein, um den Druck in ihrem Innern, den zehnfachen eines Lokomotivkessels, auszuhalten; sie sind stets auf 250 Atmosphären geprüft und kosten etwa 60 Mark. Der Prozeß des Zusammenpressens ist gerade beim Sauerstoff sehr schwierig und erhöht den Preis nicht unerheblich, da er die besten Maschinen und viel Zeit und Arbeitskraft erfordert. Das Gas erhitzt sich beim Komprimieren in hohem Grade und ist dann so feuergefährlich, daß schwer damit umzugehen ist. Nicht daß der Sauerstoff selbst, etwa wie Leuchtgas oder dergl., brennbar wäre, aber er begünstigt im reinen und erhitzten Zustande die Verbrennung aller ihm ausgesetzten Stoffe so sehr, daß z. B. mit Oel geschmierte Kompressionspumpen dabei ganz undenkbar sind, da sich erst das heiße Oel und dann die Maschine selbst in hellen Brand setzen würde, denn im reinen Sauerstoff brennt Eisen wie Schwefel an der Luft. Gewöhnlich stehen die Kompressionspumpen ganz im Wasser, um sich beständig abzukühlen, und werden auch nur mit Wasser geschmiert.

Sind alle diese Fährlichkeiten überwunden und die wieder abgekühlten Sauerstoffbomben dem Konsumenten ins Haus gefahren, so beginnt die gewerbliche Rolle des Gases. Vor allem hat sich, wie oben schon flüchtig erwähnt wurde, bisher die Beleuchtung mit dem Gebrauch des reinen Sauerstoffs anstatt der atmosphärischen Luft befreundet. Für Projektionsapparate und ähnliche Zwecke giebt es überall da, wo elektrisches Bogenlicht nicht zu haben ist oder man von den Leitungsdrähten desselben unabhängig sein möchte, keine stärkere Lichtquelle als Kalk- oder Zirkonlicht mit Sauerstoffgebläse, wodurch sich nach Dr. Krüss leicht 450 Kerzen Helligkeit oder das Zehnfache verbesserter großer Gasflammen erreichen läßt.

Wahrscheinlich wird die Beleuchtung bis jetzt noch immer den größten Teil der fabrikmäßigen Sauerstoffproduktion verbrauchen, doch fehlt es dem erst seit so kurzer Zeit in den Dienst der Industrie getretenen Gase auch an anderen Verwendungen nicht. Besonders die Glasindustrie hat es sich schon mehrfach dienstbar gemacht. Wenn man beim Glasschmelzen einen Strom von Sauerstoff in die erweichende Masse leitet, so schreitet die Verflüssigung plötzlich sehr schnell fort, und abgesehen von der dadurch erzielten Ersparnis an Brennmaterial können die Oefen und Tiegel auf diese Weise bedeutend mehr ausgenutzt werden, da sie eine größere Zahl von Schmelzungen im Laufe eines Tages erlauben. Das Gas soll dabei unter einem Druck von zwei Atmosphären zuerst langsam und dann immer schneller in den Glasfluß geblasen werden, der dadurch nicht nur leichtflüssiger, sondern auch reiner wird. Außer diesem schon mehrfach eingeführten Verfahren spielt auch die Glaslötung mittels des Knallgasgebläses aus Sauerstoff und Wasserstoff eine große Rolle. Gläserne Kästen und Tröge von 3 bis 4 Fuß Breite und Höhe, wie sie jetzt öfter gebraucht werden, lassen sich sehr schwer blasen, man stellt sie daher aus Tafel- oder Spiegelglasplatten her, die bis zur Rotglut erhitzt und dann in der Stichflamme des Sauerstoffgebläses an den Kanten verschmolzen werden, wodurch sehr feste, saubere und fast beliebig große Glaströge entstehen.

Es ist nicht möglich, alle Verwendungen, die der Sauerstoff bisher gefunden hat, ausführlich anzugeben. Erwähnen wir nur noch zum Schluß, daß die Heilkunde von dem Gase, welches schon sein Entdecker Priestley voll Begeisterung als die wahre „Lebensluft“ bezeichnete, bereits mehrfach Gebrauch gemacht hat, sowohl zum Inhalieren bei Atembeschwerden, als zur Belebung nach Narkosen oder zum Erwecken von Personen, welche durch Leuchtgas oder Kohlenoxyd vergiftet waren.