Humans Meet Metal

Między siedmioma a dziesięcioma tysiącami lat temu, nasi wcześni przodkowie odkryli, że miedź jest plastyczna, ma ostre krawędzie i może być wykorzystywana do produkcji narzędzi, ozdób i broni łatwiej niż kamień – odkrycie to na zawsze zmieniło ludzkość. To spotkanie ludzi i metali było pierwszym krokiem do wyjścia z epoki kamiennej i przejścia do epoki metali: epoki brązu i żelaza. W ten sposób rozpoczął się wzmożony przepływ pierwiastków i minerałów z ich macierzystych formacji geologicznych do powietrza, gleby, wody i organizmów żywych za pośrednictwem hut, pieców i odpadów kopalnianych.

Pierwszych kilka tysięcy lat produkcji miedzi przyczyniło się w niewielkim stopniu do globalnego, a nawet lokalnego zanieczyszczenia środowiska. Miedź nie jest bardzo toksyczna w porównaniu z innymi metalami i pierwsi ludzie używali jej zbyt mało, by zacząć koncentrować ją w glebie, powietrzu lub wodzie w stopniu, który wpłynąłby na ludzkie zdrowie lub ekosystemy. Wydaje się, że podczas pierwszych kilku tysięcy lat jej stosowania, ludzie eksperymentowali z miedzią i uczyli się technik jej wykorzystania. W miarę jak stawali się coraz lepsi w pracy z nią, cywilizacje stawały się bardziej złożone, co z kolei często umożliwiało stosowanie lepszych technologii obróbki miedzi. Wraz z tym pojawiło się szersze zastosowanie miedzi i większy jej przepływ do naszego codziennego środowiska.

Metalurgia się rodzi

Uważa się, że złoto było używane wcześniej niż miedź, choć jego miękkość i rzadkość czyniły je niepraktycznym do powszechnego użytku, podczas gdy miedź jest twardsza i występuje w czystej postaci („miedź rodzima”) w wielu częściach świata. (Odrębne kolory złota i miedzi oraz występowanie w czystej postaci ułatwiły naszym wczesnym przodkom odróżnienie tych dwóch metali od innych minerałów i kamieni, na które się natknęli.)

Nie ma zgody wśród archeologów co do dokładnej daty i miejsca pierwszego wykorzystania miedzi przez ludzi. Dowody archeologiczne sugerują, że miedź była po raz pierwszy użyta między 8000 a 5000 lat p.n.e., najprawdopodobniej w regionach znanych obecnie jako Turcja, Iran, Irak i – pod koniec tego okresu – subkontynent indyjski. Archeolodzy znaleźli również dowody na wydobycie i wyżarzanie obfitej miedzi rodzimej na Górnym Półwyspie Michigan w Stanach Zjednoczonych, datowane na 5000 lat p.n.e.

Miedź rodzima była prawdopodobnie używana jako pierwsza, ponieważ nie wymagała żadnego procesu oczyszczania. Mogła być młotkowana do kształtów, choć byłaby bardzo krucha. Wyżarzanie było pierwszym krokiem w kierunku prawdziwej metalurgii, kiedy ludzie odkryli, że miedź stała się bardziej elastyczna i łatwiejsza w obróbce, gdy została podgrzana przed młotkowaniem. Następnie opracowano odlewanie roztopionej miedzi do form. W pewnym momencie ludzie odkryli rudę miedzi i – być może przypadkowo – odkryli, że ruda może być podgrzewana do bardzo wysokich temperatur w środowisku o niskiej zawartości tlenu w celu wytopienia czystej miedzi, proces znany jako wytapianie. To nadało większą elastyczność miedzianemu rzemiosłu; miedź rodzima nie była już jedynym rodzajem użytecznej miedzi, skoro można ją było wydobywać z rud.

Innowacyjni Egipcjanie

Poprzez porównanie czystości miedzianych artefaktów zarówno z Mezopotamii, jak i z Egiptu, naukowcy ustalili, że Egipcjanie udoskonalili metody wytopu swoich północnych sąsiadów z Mezopotamii. Większość miedzianych przedmiotów w Egipcie była produkowana poprzez odlewanie stopionej miedzi w formach. Wydaje się, że Egipcjanie byli jedną z kilku grup, które niezależnie od siebie opracowały metodę odlewania „straconego wosku”, która jest stosowana do dziś. (Mówiąc prościej, wosk jest formowany do kształtu produktu końcowego, a następnie pokrywany gliną. Wosk jest topiony, pozostawiając glinianą formę, która jest następnie wypełniana roztopioną miedzią. Forma jest odłamywana, gdy metal jest chłodny.)

Bronze jest lepsze

Egipcjanie mogli być pierwszą grupą, która odkryła, że mieszanie miedzi z arszenikiem lub cyną stworzyło mocniejszy, twardszy metal, lepiej nadający się na broń i narzędzia oraz łatwiejszy do odlewania w formach niż czysta miedź. (Ponieważ ruda miedzi często zawiera arszenik, mogło to być niezamierzonym rezultatem wytapiania rudy miedzi, która zawierała naturalnie występujący arsen). Ten stop miedzi z arsenem lub cyną nazywany jest brązem i istnieją archeologiczne dowody na to, że Egipcjanie po raz pierwszy wyprodukowali brąz w 4000 r. p.n.e. Brąz mógł być również rozwijany niezależnie w innych częściach Bliskiego Wschodu i innych częściach świata. Niezależnie od miejsca pochodzenia, metalurgia brązu wkrótce wyprzedziła miedź w wielu częściach globu, zapoczątkowując tym samym epokę brązu. (W częściach świata, w których brakowało złóż cyny, używano samej miedzi lub jej stopów z innymi metalami, dopóki nie pojawiło się żelazo.)

Proces wytapiania brązu z arszenikiem wytwarzałby trujące opary. Ludzie być może woleli brąz na bazie cyny lub uznali, że łatwiej jest kontrolować ilość cyny dodawanej do miedzi niż ilość arszeniku, który często występował naturalnie w rudzie miedzi. Niezależnie od przyczyny, brąz wykonany z cyny wkrótce stał się brązem z wyboru na całym Bliskim Wschodzie.

Złoża cyny były bardziej ograniczone do pewnych obszarów geograficznych niż miedź, która była łatwo dostępna w wielu częściach Bliskiego Wschodu, a także w innych częściach świata. Gdy ludzie zaczęli używać brązu zamiast czystej miedzi do wyrobu broni i narzędzi, rozwinął się handel cyną. Dostępność brązu doprowadziła do bardziej zaawansowanego wytwarzania narzędzi i broni, a dzięki lepszej broni armie mogły lepiej podbijać sąsiednie społeczeństwa (i plądrować ich zasoby cyny i miedzi).

Rzemiosło miedziane i duchowość

Jak miedź pomogła ludziom rozwinąć działania wojenne, odegrała również rolę w religijnym i duchowym życiu ludzi na całym świecie na przestrzeni czasu. Hathor, egipska bogini nieba, muzyki, tańca i sztuki, była również patronką Synaju, głównego regionu wydobycia miedzi przez Egipcjan; często nazywano ją „Panią z Malachitu.”

Dla mieszkańców Andów w Ameryce Południowej, którzy rozwinęli najbardziej zaawansowaną metalurgię w Ameryce prekolumbijskiej, metalurgia miedzi była czymś więcej niż świeckim rzemiosłem do produkcji narzędzi. Wykorzystując rodzimą miedź, andyjscy rzemieślnicy wykonywali przedmioty religijne z walcowanej folii miedzianej i złoconej miedzi.

Miedź odgrywa również rolę w wielu wierzeniach New Age. W niektórych nowoczesnych religiach, jest postrzegana jako posiadająca moce uzdrawiające, zarówno duchowo jak i fizycznie. Niektórzy ludzie noszą miedź, aby pomóc złagodzić objawy artretyzmu.

Brązowi Buddowie i miedziana „gotówka”

Miedź była po raz pierwszy użyta w Chinach około 2500 r. p.n.e.. Chińczycy szybko zaczęli używać brązu, jak również, i używane różne procenty cyny w brązie dla różnych celów. Używali miedzi i brązu w szerokim zakresie do produkcji monet. Podczas rozkwitu działalności gospodarczej i rozszerzonego handlu zagranicznego w czasach dynastii Sung, około 900 do 1100 r. n.e., użycie monet miedzianych z kwadratowym otworem w środku – eksplodowało. Produkcja miedzi osiągnęła w niektórych cywilizacjach niemal przemysłowe rozmiary, choć prawdopodobnie nigdzie nie była tak duża jak w starożytnym Rzymie.

Rzymanie: Przedwcześni truciciele

Ale żelazo i ołów były w użyciu w epoce starożytnych Rzymian, miedź, brąz i mosiądz (stop miedzi i cynku) były używane przez Rzymian do produkcji monet, elementów architektury takich jak drzwi i niektóre części ich rozległego systemu hydraulicznego (chociaż rury były wykonane z ołowiu). Rozwinęli również organy piszczałkowe wykonane z miedzianych rur.

Rzymianie kontrolowali rozległe złoża miedzi w całym swoim imperium. Naukowcy analizujący izotopy miedzi i metale śladowe obecne w rzymskich monetach miedzianych ustalili, że Rio Tinto, Hiszpania (wciąż działająca kopalnia miedzi), Cypr, a w mniejszym stopniu Toskania, Sycylia, Wielka Brytania, Francja, Niemcy i inne części Europy i Bliskiego Wschodu były źródłami miedzi dla Imperium. Zwiększona czystość rzymskich monet miedzianych z czasem pokazuje również, że ich metody wytopu szybko się poprawiły.

Rzymianie w czasach swojej świetności produkowali prawie 17 000 ton miedzi rocznie, więcej niż byłoby produkowane do czasu rewolucji przemysłowej w Europie. Wraz z tą ogromną produkcją miedzi pojawiło się zanieczyszczenie, które nie miało sobie równych przez prawie dwa tysiące lat, gdy rozpoczęła się rewolucja przemysłowa. Czy zanieczyszczone powietrze pochodzące z wczesnego wytopu miedzi miało wpływ na zdrowie ludzi żyjących w czasach starożytnych? Prawdopodobnie tak. Ówczesne metody wytopu były prymitywne i nieefektywne w porównaniu z dzisiejszymi standardami. Hutnictwo miedzi i w mniejszym stopniu górnictwo miedzi wytwarzało pył o bardzo drobnych cząsteczkach, który był przenoszony do atmosfery przez prądy powietrzne tworzone przez intensywne ciepło pochodzące z operacji wytopu. Większość zanieczyszczeń opadała w pobliżu miejsc wytopu, powodując problemy zdrowotne oraz zanieczyszczając glebę i wodę.

Zanieczyszczenie miedzią w czasach rzymskich nadal nas dziś prześladuje. Jedna z dawnych rzymskich kopalni miedzi i miejsc wytopu w Wadi Faynan w Jordanii jest nadal – dwa tysiące lat po zaprzestaniu działalności – toksycznym pustkowiem zaśmieconym żużlem z wytopu miedzi. Naukowcy odkryli, że roślinność i zwierzęta gospodarskie w Wadi Faynan mają dziś wysoki poziom miedzi w swoich tkankach.

Rewolucja przemysłowa: Picking up Where the Romans Left Off

Począwszy od późnych lat 1600, wytapianie miedzi stało się głównym przemysłem w Wielkiej Brytanii. Rudy miedzi z Kornwalii i innych obszarów oraz złoża węgla w całym kraju napędzały proces wytopu miedzi. Obfitość węgla w Swansea w Walii sprawiła, że to nadmorskie miasto stało się pierwszorzędną lokalizacją dla brytyjskiego hutnictwa miedzi, które rozpoczęło działalność na początku 1700 roku. Przemysł miedziowy napędzał gospodarkę tego miasta. Zamożni Anglicy często byli właścicielami hut, podczas gdy miejscowi Walijczycy pracowali jako robotnicy w tym przemyśle. Podobnie jak w starożytnym Rzymie, wytapianie miedzi miało swoją cenę. Miasto i niegdyś bujna okolica Swansea zostały pozbawione roślinności przez szkodliwy miedziany dym, który unosił się z kominów huty i osiadał na okolicznych miastach i polach. Wierzchnia warstwa gleby na zniszczonych zboczach uległa erozji. Zwierzęta hodowlane zaczęły cierpieć na nowe, dziwne dolegliwości, takie jak spuchnięte stawy i zgniłe zęby. Rolnicy winili za to dym. Dym podobno powodował również duszności, spadek apetytu i inne dolegliwości u ludzi.

Kornijska ruda miedzi oczyszczana w hutach w Swansea była bogata w arsen, siarkę i fluoryt (związek pierwiastka fluoru). Huty emitowały opary tych związków wraz ze spalinami pochodzącymi z węgla, którym opalano huty. Siarka i fluoryt z dymu mieszały się z wodą i tlenem w atmosferze, tworząc kwasy siarkowy, siarkowy i fluorowodorowy, które spadały na Swansea jako kwaśne deszcze. Żużel miedziany i inne odpady pokrywały krajobraz w pobliżu hut.

Siedem lat później grupa walijskich rolników z okolic Swansea pozwała jednego z głównych właścicieli hut za uciążliwość publiczną, twierdząc, że dym z huty niszczy ich gospodarstwa. Właściciel huty miedzi wynajął jednego z najlepszych prawników w kraju, który zwalczał powodów na podstawie tego, że miasto zależało od przemysłu miedziowego, aby przetrwać ekonomicznie, a klęski nieurodzaju i chory inwentarz były wynikiem zacofanych metod rolniczych Walijczyków i nieprzyjemnej walijskiej pogody. Farmerzy przegrali proces.

Miedź przewodząca

Miedź odegrała główną rolę w technologiach opracowanych podczas rewolucji przemysłowej. Jednym z najważniejszych zastosowań miedzi w tamtych czasach była inżynieria elektryczna. Wcześni naukowcy eksperymentujący z elektrycznością wybrali miedź jako przekaźnik, ponieważ jest ona wysoce przewodząca (może łatwo przenosić prąd elektryczny). Przemysł elektrotechniczny jest dziś drugim co do wielkości konsumentem miedzi.

Cena industrializacji

Mimo że metody produkcji poprawiły się od czasów Rzymian i rewolucji przemysłowej, dziś produkcja miedzi ma duży udział w globalnym zanieczyszczeniu.

Butte, Montana jest domem dla opuszczonej kopalni miedzi należącej niegdyś do nieistniejącej już Anaconda Copper Mining Company, założonej w Butte w 1895 roku. Do czasu zamknięcia głównych operacji kopalni w Butte w latach 80-tych, kopalnia wyprodukowała 20 miliardów funtów miedzi. Do lat 50-tych XX wieku produkowała jedną trzecią krajowej miedzi i była ważnym dostawcą dla narodu podczas dwóch wojen światowych. Dawna kopalnia jest obecnie największym miejscem Superfund w kraju. Główna odkrywka wypełniła się wodą po zaprzestaniu działalności górniczej, tworząc jezioro o powierzchni 600 akrów. Miedź, ołów, kadm i arsen zanieczyszczają ogromne wyrobisko, które jest codziennie uzupełniane wodą z warstwy wodonośnej znajdującej się poniżej, co sprawia, że oczyszczenie toksycznego jeziora jest prawie niemożliwe. Siarka, minerał będący powszechnie składnikiem rudy miedzi, reaguje z powietrzem i wodą, wytwarzając kwas siarkowy, który wypełnia wyrobisko. Odpływy kopalniane i opady z huty należącej niegdyś do Anacondy pokrywają krajobraz. W pobliżu głównego wyrobiska znajduje się staw osadowy o powierzchni 1000 akrów.

Spółka Anaconda posiadała również potężną kopalnię miedzi w Chuquicamata w Chile, która działała od lat 20. do 70. ubiegłego wieku. Chilijscy robotnicy górniczy mieszkali w maleńkich mieszkaniach należących do firmy, wyposażonych w minimalne instalacje wodno-kanalizacyjne. Żony i rodziny górników codziennie czekały w kolejkach po dostęp do skromnych zapasów w firmowym sklepie przeznaczonym dla najniższej klasy pracowników kopalni. Status zatrudnienia decydował również o tym, do jakich szkół mogły uczęszczać ich dzieci. Strajki były również stałym elementem życia górników i ich rodzin. Etnograf i mieszkaniec Butte w Montanie, Janet Finn, pisze: „Ustanawiając stosunki z pracownikami, społecznością i rządem w Chuquicamata, firma zwróciła się do wypróbowanych i prawdziwych metod stosowanych w Butte: czarnych list, przekupstwa i okazjonalnej brutalnej siły, łagodzonej rozrywkami, które obejmowały zarówno wady, jak i cnoty.”

Kopalnia Anaconda Company w Chuquicamata została zamknięta w 1971 roku po tym, jak rząd chilijski znacjonalizował zasoby miedzi w kraju. Jednak wydobycie miedzi jest nadal znaczącą gałęzią przemysłu w Chile. Badania przeprowadzone przez Uniwersytet Chile w 1999 r. wykazały, że wydobycie, wytapianie i rafinacja miedzi odpowiada za znaczną część produkcji gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń powietrza w tym kraju, a także za największe zużycie paliw kopalnych w Chile oraz znaczną ilość energii elektrycznej. Przyczynia się to do wzrostu globalnego poziomu dwutlenku węgla, który przyczynia się do globalnego ocieplenia. Dodatkowo, podczas procesu wytopu, z rud siarczkowych, najczęściej wydobywanych rud miedzi w Chile, uwalniane są duże ilości dwutlenku siarki (SO2), prekursora kwaśnych opadów.

Lokalne górnictwo miedzi