svartkrutt

Ved oppvarming til rundt 300 °C vil svartkrutt deflagrere. Dette er en rask reaksjonsprosess med kjemiske reaksjoner som utvikler mye varme og der temperaturen hurtig kan komme opp i flere tusen grader. I disse reaksjonene oksiderer kaliumnitrat de to brenselstoffene i svartkruttet, nemlig trekull og svovel.

Det nødvendige oksygen for forbrenning av trekull og svovel kommer fra kaliumnitrat. Deflagrasjonen er derfor helt uavhengig av oksygenet i luften. Dette skiller kruttforbrenning fra vanlige forbrenningsreaksjoner. Svartkruttet kan derfor deflagrere i helt eller delvis lukkede beholdere.

Svartkrutt deflagrerer raskere jo høyere trykket er (sammenhengen er eksponentiell). Det omsettes derfor langt hurtigere i et (delvis) lukket rom, for eksempel i et kanonrør, enn det gjør åpent i fri luft. Dette gjør svartkruttet egnet for bruk i kanoner, håndskytevåpen og granater.

Deflagrasjon av svartkrutt danner både gasser og faststoffer. Sistnevnte viser seg som rikelig med hvit røyk. Like over halvparten av alle reaksjonsprodukter fra deflagrasjon av svartkrutt er slik røyk, bestående av ørsmå partikler av faststoffer i kombinasjon med kondensert vanndamp.

Blant de utallige reaksjonsproduktene dannet fra deflagrasjon av svartkrutt, er de viktigste gassene karbondioksid, karbonmonoksid, nitrogen, hydrogensulfid, metan og hydrogen. Noen av de viktigste faste stoffene er kaliumkarbonat, kaliumsulfat, kaliumsulfid, kaliumtiocyanat og ammoniumkarbonat.

De varme reaksjonsgassene dannet gjennom deflagrasjon av svartkrutt har blitt brukt som skyvkraft i rakettvåpen, kanoner og håndskytevåpen. Forløperen til disse var de såkalte «brannpilene», et brannvåpen som ble tatt i bruk i Kina allerede på 900-tallet evt.

Brannpiler med svartkrutt bestod av en pil (for utskytning med bue) utstyrt med en liten papirpose fylt med svartkrutt. En lunte av hamp ble satt inn i posen, lunten ble tent og pilen sendt av gårde med buen. Slike brannpiler fungerte som en type brannvåpen og var en tidlig forløper til de første rakettene. Brannpiler uten svartkrutt hadde vært brukt siden antikken.

På 1100-tallet ble den såkalte «brannlansen» utviklet i Kina. Denne bestod av et rør av bambus (senere av metall) bundet til en lanse eller spyd. Røret var fylt med svartkrutt. Ved antenning gav brannlansen store flammer som kunne brukes i nærkamp. Senere ble det tilsatt metallbiter og potteskår som utkast. Brannlansen var forløperen til skytevåpnene.

Enkle granater med svartkrutt, kastet fra katapulter og blant annet brukt til å stifte brann og spre giftig røyk, hadde vært i bruk i Kina siden 1000-tallet, men på 1200-tallet kom de første sprenggranatene av metall. Disse hadde skall av støpejern og var fylt med svartkrutt og utstyrt med lunte. Tidligere varianter, fra 1100-tallet, hadde skall av bambus eller papir.

Gjennom kombinasjon av prinsippene fra brannpilen og brannlansen, oppstod de første rakettene. Ved å binde et bambus- eller metallrør fylt med svartkrutt til en pil, vil gassene fra deflagrasjon av svartkruttet kunne gi skyvkraft som sender pilen av gårde. Det er usikkert akkurat når dette skjedde, men raketter ble ikke tatt i bruk på stor skala før på 1200-tallet.

• Les mer om rakettvåpen.

Bruk av svartkrutt i rakettvåpen avtok etter hvert som skytevåpnene utviklet seg. Likevel gjenoppstod bruken av svartkrutt i raketter og nådde sitt høydepunkt på starten av 1800-tallet i rakettene utviklet av den britiske offiseren William Congreve (1772–1828).

Brannlansen utviklet seg i Kina i løpet av 1200-tallet til den såkalte håndkanonen. Denne bestod av et metallrør med håndtak, avlukket i den ene enden. Den lukkede enden hadde et lite hull for påtenning. Røret ble fylt med en ladning løst svartkrutt og et (tilnærmet) kuleformet prosjektil av stein (senere av jern).

Parallelt med utviklingen av håndholdte kanoner, ble det laget stadig større kanoner montert på faste eller mobile understell (kalt lavett), slik som bombarder. Alle disse var munningsladet, altså ladet i front (frontlader). Kanonene var gjerne laget av bronse.

• Les mer om kanoner.

Håndkanonen spredte seg gjennom hele Eurasia i løpet av 1300-tallet, antagelig mye på grunn av de storstilte mongolske erobringene i denne perioden. I Europa utviklet håndkanonen seg til den såkalte arkebusen (hakebørsen) på 1400-tallet, det første skytevåpen med avtrekker. Disse ble etter hvert utstyrt med luntelås. Fra rundt 1480 og fremover var Europa ledende i utviklingen av skytevåpen.

På 1500-tallet utviklet arkebusen seg gradvis til den lettere musketten. Denne kunne ha luntelås, hjullås eller flintlås. Musketten var fortsatt et munnladningsvåpen. Den var gjerne glattboret, men musketten var forløperen til den mer moderne riflen, som har riflet løp. Pistoler har hatt lignende historisk utvikling som geværene.

Utover på 1800-tallet kom perkusjonslåsen og de første moderne bakladevåpnene. Alle disse var fortsatt basert på svartkrutt som drivmiddel. Nå ble imidlertid tennmiddel, drivladning og prosjektil forent i en patron (enhetspatron).

• Les mer om håndskytevåpen.

Svartkrutt som drivmiddel i skytevåpen hadde to store svakheter: en kraftig røykdannelse og betydelig korrosjon av våpnene på grunn av reaksjonsproduktene.

Fra 1880-årene og fremover ble svartkrutt gradvis erstattet av de moderne røyksvake kruttypene basert på nitrocellulose. De viktigste er nitrocellulosekrutt, ballistitt og korditt. I tillegg til langt mindre røykdannelse og mer begrenset korrosjon, var disse kruttene også betydelig sterkere enn svartkrutt. Svartkrutt blir riktignok fortsatt brukt til salutter.

Sivilt bruk av svartkrutt i bergverksdrift er av langt nyere dato enn den militære bruken. Det første godt dokumenterte mineskudd med svartkrutt ble avfyrt 8. februar 1627 i en gruve nær det som i dag er byen Banská Štiavnica i det sentrale Slovakia.

Svartkrutt i gruvedrift erstattet tradisjonell og lite effektiv fyrsetting, og bruken spredte seg gradvis i andre land i Europa. Svartkrutt til gruvedrift hadde lignende sammensetning som det for militær bruk, men det hadde gjerne grovere korn.

I Kina under Song-dynastiet ble svartkrutt også tatt i bruk i fyrverkeri. En av de første innretningene på området var kinaputter, som er enkle papirruller fylt med svartkrutt og utstyrt med lunte.

Bruken av svartkrutt i kinaputter spredte seg kanskje raskere fra Kina til Europa enn de militære bruksområdene. Den engelske filosofen og naturforskeren Roger Bacon (1212–1292) skrev om kinaputter med svartkrutt allerede på 1260-tallet, altså før kanoner var kjent i Europa. Bacon hadde muligens fått denne kunnskapen fra maurere i det sydlige Spania.

• Les mer om fyrverkeri.

På 1200-tallet spredte fyrverkeri (nå også med raketter) seg til områdene i Midtøsten, og på 1300-tallet kom det til Europa, men det ble ikke ordentlig populært før ut på 1600-tallet.

I England ble svartkrutt brukt til å bestemme styrken på alkoholholdige drikkevarer på 1600- og 1700-tallet. En pille av svartkrutt ble fuktet med den aktuelle drikkevaren. Hvis pillen brant, var styrken regnet som above proof, noe som var ulovlig. Sprit som var såkalt 100 proof inneholdt i England 57,1 volumprosent alkohol. I USA tilsvarer proof spirit 50 volumprosent etanol.

Opp gjennom historien har salpeter til svartkrutt enten vært importert fra deler av verden der det finnes naturlig (særlig India) eller så har det vært fremstilt ved å behandle jord rikt på nitratsalter (typisk hentet fra staller, fjøs og andre uthus) med en vandig oppløsning av treaske (kalt pottaske, som er kaliumkarbonat). Det dannes da tungtløselig kalsiumkarbonat, som kan filtreres fra, og en vannløsning av kaliumnitrat.

Trekull til svartkrutt ble vanligvis laget lokalt i kullmiler (senere i lukkede jernretorter), fortrinnsvis fra løvtrær som piletre, hasseltre eller svartor. Svovel ble hentet fra naturlige forekomster. Disse er gjerne forbundet med vulkansk aktivitet, slik som på Island eller på Sicilia.

Fremstillingen kan grovt deles i tre trinn. Siden nedmaling av ingrediensene står så sentralt, har fabrikkene vært kjent som kruttmøller (powder mills på engelsk) eller kruttverk.

1. Nedmaling/blanding: Bestanddelene i krutt må pulveriseres og blandes så godt som mulig for et godt resultat. Mens dette først ble gjort for hånd i morter, ble det etter hvert tatt i bruk ulike møller, for eksempel stampemøller, hjulmøller, valsemøller og kulemøller. Disse måtte lages av gnistfrie materialer som kobber, bronse, messing, tre eller steinmaterialer. De var ofte drevet av vannhjul. En typisk hjulmølle kunne ha store hjul som veide mange tonn, og nedmalingen foregikk typisk over flere timer. Under male- og blandeprosessen ble råmaterialene holdt fuktet med vann. På denne måten var arbeidet sikrere og renere (mindre støv), samtidig som det vannløselige kaliumnitratet kunne drives inn i porene i trekullet.
2. Korning: Etter nedmaling og blanding, måtte den fuktige kruttmassen (mill cake) kornes (granuleres) til ensartede «kruttkorn». Slike korn var praktiske under håndtering, stabile under lagring og var homogent. Dette ble gjort på forskjellige måter. Kruttmassen kunne presses gjennom en sil, eller så kunne massen presses i en skrupresse (senere i en hydraulisk presse), tørkes og deretter brytes opp og siktes.
3. Ferdigstilling: Kruttkornene ble polert og belagt med grafitt ved å bli tumlet med grafitt i en tønne. Slike polerte og graffiterte kruttkorn hadde mindre tendens til å ta opp fuktighet og klumpe seg sammen under lagring. Det var avrundede, gled lett og hadde også mindre tendens til å bygge opp statisk elektrisitet. Til slutt ble svartkruttet tørket ferdig og pakket i tønner.

Generelt er det slik at jo grovere kaliber det er på skytevåpenet som skal bruke svartkruttet, jo grovere må kornene av kruttet være for å unngå en for stor trykkoppbygning.

På grunn av farene forbundet med svartkrutt har store eksplosjonsulykker funnet sted helt siden middelalderen. Allerede i 1280, under Yuan-dynastiet, tok en voldsom eksplosjon av store mengder svartkrutt i et arsenal i den kinesiske byen Yangzhou livet av over hundre mennesker. Eksplosjonen dannet et krater som var mer enn tre meter dypt og sendte bygningsdeler flygende kilometervis av gårde.

Andre spesielt kjente ulykker er en eksplosjon i utkanten av Beijing 30. mai 1626, en eksplosjon i Delft i Nederland 12. oktober 1654, en eksplosjon i Brescia i Italia 18. august 1769 og eksplosjonen av et skip i Leiden i Nederland 12. januar 1807.

Oppfinnelsen av svartkrutt kan ikke knyttes til noen kjent historisk enkeltperson, gruppe av personer eller til noen form for institusjon eller lærd miljø. Tidligere forklaringsmodeller på grunnlag av mytiske figurer som Berthold Schwarz er nå forlatt. Det kan heller ikke sies å være én oppfinnelse, for sammensetningen av svartkrutt har variert til dels mye.

Svartkruttets historie i Kina ble i stor grad kartlagt av briten Joseph Needham (1900–1995) fra 1950-tallet og utover, i nært samarbeid med kinesiske fagmiljøer.

Tilgang til naturlig forekommende salpeter var antagelig en av forutsetningene for utviklingen av svartkrutt. Dette finnes blant annet i India, Bengal og Kina på grunn av tørre klimatiske forhold og egnede jordsmonn med et passende innhold av kalium.

Alkymister under det kinesiske Tang-dynastiet (618–906 evt.) var godt kjent med salpeter. I en tekst fra rundt år 850, som blant annet beskriver oppskrifter for ulike eliksirer, er det beskrevet en dramatisk hendelse der noen hadde varmet opp en blanding av svovel, realgar (et mineral av arsensulfid), salpeter og honning. Dette hadde resultert i røykutvikling, flammer og brannskader på hender og ansikt. I tillegg hadde huset de arbeidet i brent ned. Teksten beskriver det vi i dag kaller en deflagrasjon.

Svartkrutt kalles «brannmedisin» på kinesisk, noe som vitner om at svartkrutt ble utviklet i forbindelse med medisin (spesielt livseliksiren) snarere enn militær teknologi.

Den første formelen for svartkrutt finnes i et kinesisk militært kompendium (Wujing Zongyao) skrevet på 1040-tallet. Disse formlene er imidlertid meget forskjellig fra mer moderne typer svartkrutt. De inneholder blant annet en rekke plantestoffer (voks, resiner og oljer) og forskjellige forbindelser av bly og arsen.

Alle tidlige krutt hadde lavt innhold av kaliumnitrat (maksimalt like over 50 prosent). Dette tilsier at de var ment for brann- og røykvåpen, ikke som drivmiddel i raketter og skytevåpen. Nivået av nitrat i disse kruttene er for lavt for bruk som drivmiddel.

Utover på 1200-tallet ble sammensetningen i svartkruttet gradvis endret i retning av den mer moderne (75 prosent salpeter, 15 prosent trekull og 10 prosent svovel). Dette muliggjorde at svartkrutt kunne brukes som drivmiddel i skytevåpen.

Alle de første svartkruttene var såkalt melkrutt (også kalt serpentin), som er en enkel pulverblanding av de tre ingrediensene. På 1400-tallet lærte man seg blande ingrediensene i fuktet tilstand, etterfulgt av tørking, granulering og polering til homogene kruttkorn. Slikt kornet krutt var kraftigere, lagret bedre og hadde langt mer forutsigbar ytelse. Kornet krutt ble vanlig fra 1500-tallet. Størrelsen på kornene var avhengig av bruksområdet til kruttet.

I Midtøsten dukket det opp oppskrifter for svartkrutt i perioden 1240–1280, som del av verk skrevet av den arabiske alkymisten Hasan al-Rammah (død 1295). Antagelig har spredningen av svartkrutteknologi fra Kina til Midtøsten sammenheng med oppbygningen av Mongolriket.

Da svartkrutt kom til Europa, var kruttets sammensetning og prinsippet bak skytevåpen kjent. I Europa fikk derfor svartkrutt gjerne navn som henger sammen med skytevåpen, slik som gunpowder. Den gradvise utviklingen av svartkrutt i brannvåpen og lignende, slik som den som hadde funnet sted i Kina, finner vi ikke spor av i Europa på samme måte.

Europeerne videreutviklet teknologien bak skytevåpnene, og europeiske nasjoner var blitt ledende innen utgangen av 1400-tallet. Senere, på 1800-tallet, som en del av den voksende industrialiseringen, fikk europeiske land et enda tydeligere militært forsprang på resten av verden.

Mens europeiske skytevåpen ble stadig kraftigere, stoppet utviklingen i Kina delvis opp. En mulig teori er at Europa var fragmentert, med mange stater som kriget mot hverandre, noe som la press på utviklingen. En annen teori er at europeiske festninger av murverk var mer sårbare for kanoner enn kinesiske festninger med tykke jordvoller, noe som gjorde kanonen mindre viktig i Kina.

Fra midten av 1800-tallet ble fremstillingen av svartkrutt enklere etter hvert som chilesalpeter ble tilgjengelig fra Sør-Amerika. Chilesalpeter er natriumnitrat, mens salpeter er kaliumnitrat. Natriumnitrat tiltrekker seg vann (er hygroskopisk) og er mindre egnet til svartkrutt. Det har allikevel vært brukt til å lage en billig type svartkrutt for bruk i gruvedrift. Dette var en kjent oppfinnelse gjort av amerikaneren Lammot du Pont (1831–1884) i 1857.

Natriumnitrat kan imidlertid omgjøres til kaliumnitrat, såkalt salpeterkonvertering (ved hjelp av kaliumklorid). Slik konvertering var med på å gjøre svartkruttet stadig billigere.

Nitedals Krudtværk var det aller siste kruttverket i Norden. Det ble etablert i 1883 av Georg Frølich (1844–1930) og nedlagt i 1978. Sivilingeniøren Kjell Løvold (1922–2006) var driftsbestyrer ved Nitedals Krudtværk fra 1955 frem til nedleggelsen i 1978.

Like før nedleggelsen var Løvold og medarbeidere godt i gang med å implementere det som skulle bli historiens første helautomatiske prosess for fremstilling av svartkrutt. Nedmaling og blanding av svartkruttets tre bestanddeler foregikk her som en kontinuerlig prosess ved hjelp av jetmølle. I en jetmølle får kraftige luftstrømmer med overlydshastighet partikler til å kaste seg voldsomt rundt i et lukket kammer.

Under utvikling av den nye prosessen ble kruttverket rammet av en eksplosjonsulykke 30. desember 1976, en ulykke som tok livet av to personer. Ulykken var ikke direkte relatert til den nye prosessen, men den førte til at kruttverket ble stengt i 1978.