Kun lyijyllinen bensiini keksittiin 1920-luvulla, sille olisi ollut myrkyttömiäkin vaihtoehtoja. Niitä ei otettu vakavasti GM:n rankan valehtelun mutta myös aidosti puutteellisen tiedon vuoksi.
Joulun kunniaksi T&T julkaisee uudelleen parhaita lukemistojuttuja. Tämä artikkeli on julkaistu alun perin Tekniikan Historiassa 6/2019.
Öljyvarojen riittävyys huolestutti 1910- ja 20-luvuilla vakavasti autoteollisuutta ja monia luonnontieteilijöitä, jossakin määrin jopa suurta yleisöä. Kulutuksen hillitsemiseksi täytyisi kehittää hyötysuhteeltaan tehokkaampia moottoreita ja parantaa bensiinin ominaisuuksia.
Paradoksaalisesti ja mutkien kautta nämä nykyaikaisen ja ekologisen kuuloiset tavoitteet edesauttoivat vakavaa ympäristöonnettomuutta: lyijyllistä bensiiniä, joka saastutti luontoa ja ihmisiä itseään vuosikymmenten ajan.
Lyijyllistä bensiiniä käytettiin tunnetusti ehkäisemään moottorin nakutusta, eli polttoaineen hallitsematonta palamista kovassa paineessa.
Nakutuksesta alkoi muodostua ongelma 1910-luvun puolivälissä, kun se rajoitti bensiinikoneiden puristussuhteen noin arvoon 4:1 nykyisen noin 10:1 sijasta. Tämä esti autojen tehokkuuden ja taloudellisuuden kohentamisen.
Tieto nakutusilmiön mekanismeista oli melko vähäistä ja osittain väärää. Monet asiantuntijat arvelivat, ettei ongelmalle voinut mitään. Pessimismi hillitsi teollisuuden intoa rahoittaa tutkimusta.
Amerikkalaisinsinööri Charles Ketteringille (1876–1958), Dayton Engineering Laboratories -tutkimusyhtiön johtajalle, polttoaineen säästämisestä oli kuitenkin tullut erityinen sydämen asia.
Syksyllä 1916 hän määräsi alaisensa Thomas Midgleyn (1889–1944) selvittämään, mitä nakuttavassa moottorissa tarkalleen tapahtuu ja voisiko ilmiön estää säätämällä polttoaineen koostumusta moottorin ominaisuuksien sijasta.
Kokeet paljastivat alle kuukaudessa osan vanhoista luuloista vääriksi. Bensiinikoneen nakutus ei johtunutkaan aikaisesta sytytyksestä eli sellaisesta ”varsinaisesta” itsesyttymisestä, johon dieselmoottorin toiminta perustuu. Sitä vastoin nakutuksessa sylinteriin muodostuu spontaaneja sekundaarisia palopesäkkeitä vasta sytytyskipinän jälkeen.
Polttoaineen optimointi sen sijaan edistyi hitaasti. Kolmessa vuodessa Midgley löysi vain kaksi nakutusta hillitsevää lisäainetta, jodin ja orgaanisen typpiyhdisteen aniliinin.
Näistä jodi oli syövyttävyytensä tähden käyttökelvoton. 1–2 % aniliinia sisältäneen bensiinin tuotekehitys jatkui pari vuotta, mutta keskeytyi lopulta, kun muun muassa hajua ja kehnoa varastokestävyyttä ei saatu ratkaistua.
Keväällä 1921 Kettering ja Midgley harkitsivat projektin hautaamista, mutta eräs onnekas sattuma inspiroi Midgleyn haravoimaan johdonmukaisesti läpi eri alkuaineiden vaikutusta.
Useimmat niistä täytyi hylätä jodin tapaan akuuttien haittojen tai tehottomuuden vuoksi. Esimerkiksi telluuriyhdisteet torppasi pakokaasujen mieltäkääntävä ja iholle pinttyvä löyhkä, jota Midgley itse kuvaili ”saatanalliseksi”.
Tetraetyylilyijyn muodossa lisätty lyijy osoittautui kuitenkin äärimmäisen tehokkaaksi: alkuperäisissä kokeissa 0,025 prosenttia bensiinissä riitti. Yhdiste on stabiili ja miedon hajuinen, ja koska sitä tarvittiin niin vähän, se ei maksaisi paljon.
General Motors oli ostanut Ketteringin laboratorion vuonna 1919, ja joulukuussa 1921 tapahtuneen läpimurron jälkeen suuren yhtiön resurssit auttoivat hanketta eteenpäin. Puolessa vuodessa tutkimusryhmä kehitti tetraetyylilyijylle teollisen synteesin, jossa bromietaani reagoi sulan natrium-lyijy-metalliseoksen kanssa.
Valmistuksen GM ulkoisti DuPontille ja Standard Oil of New Jerseylle, josta tuli myöhemmin Exxon.
Lyijyllisen bensiinin GM sai markkinoille kevättalvella 1923. Parin vuoden sisään ratkesi myös koneistoon kertyvän lyijyoksidikarstan ongelma, sillä polttoaineeseen lisätyt orgaaniset kloori- ja bromiyhdisteet haihduttivat lyijyn pois.
Ainoaksi haitaksi jäi tetraetyylilyijyn äärimmäinen myrkyllisyys. Koska kaikki asianosaiset yritykset suhtautuivat työturvallisuuteen ilmiömäisen välinpitämättömästi, lyijy alkoi niittää kuolemaa tehtailla hyvin pian.
Kunnollista tuuletusta ei näet järjestetty, vaikka tetraetyylilyijy haihtuu herkästi ja sitä käsiteltiin aluksi avoimissa ämpäreissä. Myös reaktioastian räjähdyksiä sattui.
Lyijymyrkytys tappoi DuPontin tehtaalla vuoteen 1925 mennessä ainakin kahdeksan työläistä ja GM:n omassa tutkimusyksikössä kaksi, kymmeniä sairastui vakavasti.
Standard Oil epäonnistui vieläkin surkeammin, sillä reaktioastiaa puhdistaneet työntekijät joutuivat kurkottelemaan suoraan sen sisälle kuumiin lyijyhöyryihin. Kahdessa kuukaudessa tehtaan avaamisesta viisi ihmistä oli kuollut ja ainakin 30 joutunut sairaalaan, osa heistä loppuiäkseen väkivaltaisen psykoosin takia.
Onnettomuuksista syntyi Yhdysvalloissa vakava julkinen kohu lokakuussa 1924. Viranomaiset sulkivat Standard Oilin tehtaan, ja lyijyllinen bensiini kiellettiin muun muassa New Yorkin ja New Jerseyn osavaltioissa.
Edes Midgleyn kuuluisa henkilökohtainen stuntti ei auttanut. Hän kaatoi sataprosenttista tetraetyylilyijyä käsilleen ja hengitti höyryjä minuutin ajan, yrittäen todistaa toimittajille aineen olevan suurin piirtein turvallista.
Midgleyn ja Ketteringin mukaan työntekijöiden kuolemat johtuivat vain ohjeiden laiminlyönnistä.
Väite oli vale, sillä valmistajat tiesivät mitä tekivät. Vuoden 1922 lopulla useat huippukemistit olivat varoittaneet Midgleytä tetraetyylilyijystä, ja tämä itsekin joutui viettämään kevään 1923 sairaslomalla myrkytyksen vuoksi. Jopa DuPontin ja GM:n kirjeenvaihto tunnusti aineen ”äärimmäisen vaarallisuuden”.
Kohua seurasi vajaan kahden vuoden viranomaisselvitys ja asiantuntijoiden välinen väittely. Se päättyi vuonna 1926 työturvallisuuden kannalta voittoon mutta kansanterveyden kannalta tappioon.
Midgleyn uskotteluista huolimatta tetraetyylilyijyn akuutti myrkyllisyys oli ilmiselvää, ja terveysministeriö asetti säännöt aineen valmistukselle, lyijyllisen bensiinin jakelulle ja sen lyijypitoisuudelle (3 millilitraa tetraetyylilyijyä gallonassa eli noin 0,11 m-% lyijyä).
Ympäristöön kulkeutuvan lyijylaskeuman krooniset vaikutukset sen sijaan jäivät aidosti epäselviksi. Tetraetyylilyijyn palaessa syntyvät epäorgaaniset lyijy-yhdisteet ovat nimittäin myrkyllisiä mutta radikaalisti vähemmän kuin lisäaine itse.
Terveysministeriö joutuikin toteamaan, että näyttö lyijyllisen bensiinin kieltämiseksi ei riittänyt. Aiheesta oli tehty tutkimusta liian vähän, ja keskustelua sekoitti ”lyijyteollisuuden” lobbauksen ja vastapuolen liioittelevien uhkakuvien aiheuttama kohina.
Päätökseen näyttäisi vaikuttaneen myös se, että teollisuuden asiantuntijat, Kettering ja Midgley etunenässä, väittivät hyvin itsepintaisesti lyijyllistä bensiiniä ainoaksi käytännölliseksi vaihtoehdoksi.
Tämä oli vahvasti väritettyä totuutta taloudellisten etujen suojelemiseksi. Tetraetyylilyijyn saattoi sanoa olleen teknis-taloudellisesti paras ratkaisu, mutta ainoa se ei missään nimessä ollut.
Parhaat haastajat lyijylle olivat toisaalta etanoli ja toisaalta aromaattiset hiilivedyt, kuten bentseeni. Ne eivät olleet kuitenkaan varsinaisia lisäaineita, vaan niitä piti sekoittaa bensiiniin ainakin 20 prosenttia – eli satoja kertoja tetraetyylilyijyä enemmän.
1980-luvulle asti osa historiantutkijoista taipui uskomaan General Motorsia, mutta yhtiön arkistot ovat sittemmin paljastaneet, että se tunsi vaihtoehdot paremmin kuin hyvin ja tutki niitä aktiivisesti.
Midgley oli itsekin kehittänyt sykloheksaaniin ja bentseeniin perustuvan korkeaoktaanisen polttoaineen sotilaslentokoneille vuosina 1918–19.
Kuluttajamarkkinoilla hinta on tärkeämpää kuin sotilasilmailussa, joten etanolin ja bentseenin vaatima suuri volyymi käänsi teollisuuden ekologisempia vaihtoehtoja vastaan.
Eräiden arvioiden mukaan tetraetyylilyijyä puolsi lisäksi patentin antama suoja, ja kiinnostusta etanoliin alkoi hillitä vastikään voimaantulleen kieltolain halvaannuttava byrokratia.
Ketteringin ja Midgleyn puolustukseksi on mainittava, että 1920-luvun puolivälissä he uskoivat lyijyllisen bensiinin jäävän noin 20 vuoden mittaiseksi välivaiheeksi.
Maaöljyn loppumista he pitivät itsestään selvänä, ja Midgley nimittikin etanolia ”tulevaisuuden polttoaineeksi” GM:n sisäisissä muistioissa. Välivaiheesta he tahtoivat kuitenkin takoa voiton irti.
Arkistot todistavat myös Ketteringin henkilökohtaisen motiivin säästäväisyydestä yhtä aidoksi kuin voitontavoittelun.
GM:n muu johto suhtautui liiketoimintaan häntä raadollisemmin. Korkeampi puristussuhde mahdollisti yhtä hyvin säästöt kuin tehokkaammat autot, ja GM ymmärsi jälkimmäisen olevan parempi bisnes.
Oktaanilukuja RON-standardin mukaan
|
|
| Polttoneste |
Pyöristetyt luvut, lähteiden välillä eroja |
| n-oktaani |
–20 |
| n-Heptaani |
0 |
| tyypillinen dieselöljy |
0...40 |
| öljynjalostamon bensiinitisle ennen jatkokäsittelyä, ns. straight-run gasoline |
40...80 |
| iso-oktaani |
100 |
| etanoli |
110 |
| MTBE (oktaanilukua parantava lisäaine) |
120 |
Todellisuudessa öljy ei tietenkään loppunut. Vapauduttuaan väliaikaisesta pannasta lyijyllinen bensiini valtasi markkinat Yhdysvalloissa alle kymmenessä vuodessa, Euroopassa hieman hitaammin.
Lyijyteollisuus sai vähitellen hämmästyttävän vahvan aseman. GM:n ja Standard Oilin perustama yhteisyhtiö Ethyl Gasoline panosti tutkimukseen ja lobbaukseen. Lääketieteellisen johtajansa Robert Kehoen johdolla se onnistui hallitsemaan lyijyn terveysvaikutuksista käytyä keskustelua kokonaisen sukupolven ajan.
Poliittiset tuulet kääntyivät vähitellen 1960-luvulta alkaen, ja muutos lähti jälleen Yhdysvalloista. Ratkaisevia tekijöitä oli kaksi.
Ensiksikin geokemisti Clair Patterson havaitsi Maapallon ikää koskevien isotooppimittausten sivutuotteena vuonna 1965, että lyijyn määrä ympäristössä oli jopa tuhatkertaistunut esiteollisen ajan jälkeen.
Kehoe yritti pilkata Pattersonin hiljaiseksi, mutta tämän mittaukset havaittiin lopulta paikkansa pitäviksi.
Toiseksi, Yhdysvalloissa vuonna 1970 säädetty ympäristölaki vaati leikkaamaan uusien autojen häkä-, hiilivety- ja typpioksidipäästöjä 90 prosentilla. Tavoite ei olisi tietenkään onnistunut ilman katalysaattoria.
Koska lyijy saastuttaa katalysaattorin, oli auto- ja öljyteollisuuden luovuttava lyijyllisestä bensiinistä.
Lyijystä luopuminen ei aiheuttanut äkillistä katastrofia bensiinin tekniselle laadulle, sillä 1920- ja 70-lukujen välisenä aikana öljyteollisuus oli kehittänyt hiilivetyjen jalostusprosesseja huomattavasti paremmiksi.
Yhdysvalloissa lyijyllisen bensiinin myynti loppui käytännössä vuoteen 1986, ja se kiellettiin maantieliikenteessä lopullisesti vuonna 1996. EU:ssa vastaava kielto astui voimaan vuoden 2000 alusta, mutta monissa maissa myynti oli lopetettu aiemmin, esimerkiksi Suomessa vuonna 1994.
Kirjoitushetkellä vuonna 2019 lyijyllinen bensiini oli sallittu enää Algeriassa, Jemenissä ja Irakissa. Sittemmin se on kielletty niissäkin.
Onnekas ja onneton keksijä
Ennen bensiiniä koskevia tutkimuksia sähköinsinööri Charles Kettering (1876–1958) oli ehtinyt keksiä muun muassa auton starttimoottorin vuonna 1911. Uransa koko loppupuolen, vuodet 1920–47, hän johti General Motorsin tutkimusta.
Thomas Midgley (1889–1944) oli koulutukseltaan koneinsinööri, ja oppi kemian taidot tutkimuksensa parissa.
Muutama vuosi lyijyllisen bensiinin jälkeen Midgley teki toisen epäonnisen kemian keksinnön, otsonikerrosta tuhoavat freonit eli CFC-kaasut – tälläkin kertaa Ketteringin aloitteesta. Freonien haitallisuutta otsonille tuon ajan tutkijat eivät kuitenkaan voineet tietää.
Sekä Midgley että Kettering saivat useita tieteellisiä palkintoja.
Midgley halvaantui polion vuoksi 51-vuotiaana ja kuoli neljä vuotta myöhemmin, mutta ei tautiin vaan omaan keksintöönsä. Hän takertui kiinni ja tukehtui itse suunnittelemansa apuvälineen köysiin.
Lue myös:
Tärkeimmät lähteet: Dietmar Seyferth: ”The Rise and Fall of Tetraethyllead. [Part] 2.” Organometallics (2003). DOI: 10.1021/om030621b; William Kovarik: ”Ethyl-leaded Gasoline: How a Classic Occupational Disease Became an International Public Health Disaster”. Int. J. of Occupational and Environmental Health (2005). DOI: 10.1179/oeh.2005.11.4.384; William Kovarik: ”Charles F. Kettering and the 1921 discovery of tetraethyl lead” (1994). https://bit.ly/2kvaWds; Alan P. Loeb: ”Birth of the Kettering Doctrine: Fordism, Sloanism and the Discovery of Tetraethyl Lead”. Business and Economic History (1995).
Juttu on julkaistu alun perin Tekniikan Historiassa 6/2019.
