cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Kristian Birkeland
Observasjoner fra fire lokasjoner
Via kontaktene til Helland, hadde han fått rede på at mange politikere ikke forstod eller verdsatte hans arbeid. Birkeland innså derfor at han ble nødt til å finanser den neste ekspedisjonen selv. Han tenkte at utvikling av en elektrisk bryter for bryting av store strømmer kunne være meget innbringende om han kunne finne opp og patentere den. Vennen Sæland ble kontaktet for om mulig å finne et passende sted for den nye nordlysekspedisjonen, mens han selv tilbrakte tiden ved Christiania Elektricitetsværk for å eksperimentere med en mekanisme for en strømbryter.
I 1902 søkte Birkeland Regjeringen om et beløp på 38 000 kr for en ny forskningsekspedisjon for: «Å studere magnetiske forstyrrelser, dannelse av cirrusskyer, nordlyset og dets forhold til det enorme systemet av elektriske strømmer som løper parallelt med jordens overflate, i stor høyde.» Med søknaden fulgte det en liste over noen av verdens fremste geofysikere som støttet den planlagte ekspedisjonen. Navn som Wilhelm von Bezold (1837–1907) og Georg von Neumayer (1826–1909) var oppgitt som støttespillere. Nansen og flere norske vitenskapsmenn støttet også ekspedisjonen. Stortinget støttet ekspedisjonen, men mange representanter hadde motforestillinger, både på grunn av Birkelands dårlige pengestyring, og fordi de tvilte på nytteverdien. Det ble besluttet at staten skulle støtte ekspedisjonen med 20 000 kr. Det resterende beløpet ble gitt av private støttespillere.
Ekspedisjonen ble planlagt med fire observasjonsposter langs polarsirkelen med en avstand på 1000 km mellom dem. Siden den første ekspedisjonen hadde vist at nordlyset oppstår i svært stor høyde, ble det ikke satset på målestasjoner på høye fjelltopper, men på eksisterende bygninger. Målestasjonen i Finnmark skulle brukes, men mange oppgaver kunne uansett gjøres nede ved fjorden i Kåfjord og i Bossekop. Det andre observatoriet skulle være på Dýrafjörður på Island, et tredje sted var Akseløya ved Spitsbergen på Svalbard, og den fjerde lokasjonen var Matochkin Shar på Novaja Semlja i Russland. På disse stedene var det fra før bygninger og etablerte aktiviteter. På Novaja Semlja fikk Birkeland en avtale om å benytte huset til kunstneren Aleksandr Borisov (1866–1934).
Målestasjonene ble utstyrt med blant annet magnetiske måleinstrumenter, elektrometre, instrumenter for å måle jordstrømmer, forskjellige meteorologiske instrumenter, fotoapparater og målekikkerter.
Gal hund
I juli 1902 reiste Birkeland mot Novaja Semlja for å se på observasjonsposter der. Videre skulle han reise med båt forbi Kolahalvøya til Varanger og Kåfjord, hvor han selv skulle lede observasjonene. I Arkhangelsk møtte Birkeland ekspedisjonsmedlemmene som skulle utstasjoneres på Novaja Smelja. Det var den nyutdannede fysikeren Hans Riddervold, naturforskeren Hans Thomas Lange Schaanning (1878–1956) og polarforskeren Johan Koren (1879–1919). Ekspedisjonen ble vist stor velvilje fra guvernøren i Arkangelsk som blant annet sørget for fri frakt av utstyr og personell med skip ut til observatoriet, og dessuten tillatelse til å benytte seg av et deponi for havarister.
Under sitt opphold i Arkhangelsk ble Birkeland angrepet av en løshund som bet ham i leggen. Guvernøren mente at i tilfelle hunden hadde rabies kunne dette være meget farlig. Derfor ble det til at Birkeland måtte forlate gruppen for å komme seg til Moskva hvor det var opprettet en filial av Pasteurinstituttet.
Behandlingen i Moskva ga flere bivirkninger som tretthet og kvalme, og tok mange dager. Han fikk dermed tid til å tenke og arbeide. Han begynte å fundere over om det kunne være mulig å studere nordlys mer inngående i et laboratorium. Det skulle senere vise seg at også målingene denne gangen ble forstyrret av ekstreme værforhold. Under kontrollerte forhold innendørs kunne slike problemer unngås.
Verdensrommet i vakuumkammer
Fordi Birkeland ble svært opptatt med å utvikle en prosess for gjødselproduksjon fra luftens nitrogen, ble det ikke anledning til å analysere måleresultatene fra Aurora Polaris-ekspedisjonen før i 1906. På den annen side hadde engasjementet i utviklingen av den såkalte Birkeland-Eyde-prosessen, skaffet ham penger nok til å lønne assistenter og bygge et eget laboratorium. Fra før var Sæland involvert, og videre ble fysikkstudentene Ole Andreas Krogness (1886–1934) og Lars Vegard (1880–1963) engasjert. Birkeland hadde store ambisjoner for publiseringen av forskningsresultatene, og ønsket å få materialet utgitt som et trebinds bokverk. I tillegg til de målingene som ble foretatt av hans ekspedisjon, hadde det i løpet av de senere årene kommet inn målinger i form av over 600 magnetogrammer, fra 23 observatorier verden over. Bokverket skulle beskrive en stor sammenstilling av disse dataene.
Birkeland bestemte seg nå for å gjøre alvor av å bygge en stor modell av verdensrommet for å gjenskape nordlys i laboratoriet. Dette gjorde han for å overbevise sine kritikere. For å få plass til utstyret tok han i bruk kjelleren under sitt kontor, hvor han fikk installert en generator. I tillegg forklarte han til universitetets administrasjon: «Jeg har tatt halvparten av forelesningssalen for å gjøre den om til laboratorium. Hvis studentene sitter tettere sammen, blir det plass nok i den reduserte salen.» Dette ble godtatt, men under betingelse av at han selv bekostet alle endringer og innkjøp av utstyr. Imidlertid var disse rommene for små, slik at også hans eget kontor ble tatt i bruk. Han fikk også en tredje assistent til eksperimentet, nemlig Olaf Devik (1886–1987).
For å gjøre eksperimentet fikk Birkeland og Dietrichson laget en liten kule som skulle representere jorden. Denne var laget av en kjerne av jern, omviklet med kobbertråd som kunne føre elektrisk strøm. Dermed dannet dette en liten elektromagnet. Denne ble så innkapslet av en tynn messingkule. Utenpå denne var det bariumplatinaoksid, et fosforescerende stoff som lyser opp ved påvirkning av en elektronstråle. Han kalte denne modellen for terrella til ære for den engelsk fysikeren William Gilbert (1544–1603), som hadde utført lignende eksperimenter med en modell av jordklode 300 år tidligere som han kalte «terrella». Terrellaen ble plassert i et vakuumkammer med glassvegger. I denne var det en elektrisk katode som sendte ut elektroner med høy hastighet, altså en katodestråle. Disse ble igjen fanget opp av terrellaen som var positivt ladet, altså var anoden.
Da dagen for å teste ut nordlyset i dette «miniatyruniverset» kom, hadde flere professorer og studenter hørt ryktene om det forestående. De samlet seg rundt vakuumkammeret på laboratoriet, hvor også direktøren for Det astronomiske observatorium var invitert. Birkeland lukket lemmene for vinduene for å få det mørkt, og forklarte hvordan modellen var bygget opp. Når strømmen ble slått på, glødet katoden som representerte solen, men «jorden» lå fortsatt i mørke. Så skrudde han på strømmen som magnetiserte terrellaen, og etter en kort stund ble det dannet en purpurfarget glødende ring rundt «ekvator». Han økte strømmen gjennom terrellaen enda mer, og ringen delte seg i to deler som vandret mot hver sin pol. Et glødende fosforescerende lys kretset rundt nord- og sørpol på terrellaen. De tilstedeværende «opplevde et flyktig øyeblikk av ærefrykt da de fikk se jorden utenfra, som fra verdensrommet.»
Birkeland drev med elektriske eksperimenter for å studere elektriske utladninger på kosmisk nivå fra 1895 til 1913, ved Universitetet i Kristiania. Ingen andre laboratorier drev på denne tiden med så omfattende studier av dette. Han utviklet også forskjellige apparater for undersøkelsene, blant annet vakuumpumper. I 1910 ansatte han brødrene Karl og Olaf Devik. Karl hjalp Dietrichson under eksperimentene, og tok over etter Dietrichson, da han døde. Olaf Devik ble også en personlig assistent for Birkeland, og tok seg blant annet av hans avtaler og finanser. Birkelands kontor ble så overfylt med utstyr at bare de som var involvert i laboratoriearbeidet, fikk lov til å komme inn. Studenter som ville spørre Birkeland om noe, kunne ikke komme lengre enn til døren for å fremsi sine spørsmål. Dessuten hadde alle som arbeidet for Birkeland, en regel om å alltid ha en hånd i lommen for å unngå farlige elektriske sjokk. Under disse forsøkene hadde Birkeland på seg en fez, noe som fikk flere til å tro at han hadde konvertert til islam.
Det nye vakuumkammeret var formet som et akvarium, med helt rette glassveger. Dette i motsetning til de tidligere kamrene, som var både sylindriske og sfæriske. En stor fordel med dette var at han unngikk optiske forstyrrelser gjennom krummede glassvegger. Spesielt var dette et problem ved fotografering. Det første kammeret av denne typen var på 22 liter, og i 1913 brukte han et kammer på hele 1000 liter. Tykkelsen av glasset var da økt fra 2 til 5 centimeter for å kunne motstå det store atmosfæriske presset på de store veggene.
Birkeland lot den elektriske spolen som frembrakte magnetfeltet inne i terrellaen ha en helning på 23,5º i forhold til den geografiske jordaksen. Han brukte blant annet mye tid på å utforske sesongmessige variasjoner i nordlyset basert på simuleringene i vakuumkammeret. Han kunne beskrive hvordan nordlyset og sørlyset varierer på morgen- og kveldsiden av «jordkloden». Hans tro på at nordlyset var forårsaket av negative partikler fra solen ble stadig sterkere.
Carl Størmer (1874–1957) ble professor i matematikk i 1902. Han og Birkeland hadde møttes flere år før dette, og de hadde et omfattende samarbeid. Fra 1902 til 1914 hadde Størmer registrert 18 000 arbeidstimer for Birkelands nordlysforskning. Størmer bidro med beregning av elektronenes trajektorbaner i jordens magnetfelt. Disse beregningene var vesentlige for å bygge bro mellom laboratorium- og feltobservasjoner, og var en type beregninger som Birkeland ikke kunne finne tid til å utføre selv.
Den store boken om nordlyset – The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903
Det første bindet av Birkelands verk om nordlysekspedisjonen ble utgitt i begynnelsen av 1908. Det fikk navnet The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903. I boken ble det fortalt utførlig om alle strabasene og de ekstreme værforholdene. Målingene og forsøkene med terrellaen ble analysert og sammenlignet. Det var også mange ligninger og tegninger som blant annet viste magnetfeltene over jordkloden.
På grunn av Birkelands omfattende kunnskaper om elektromagnetisme og Maxwells ligninger, var han overbevist om at elektriske strømmer i atmosfæren var årsaken til de magnetiske forstyrrelsene som ble målt på bakken. Men han var usikker på årsaken til de sterke strømmene. I bokverket viste han på et kart hvordan hver av forstyrrelsene av magnetfeltmålingene på bakken var forårsaket av en strøm. Dette var markert med piler med lengde og retning. Birkeland observerte mange østvest rettede strømmer, disse kalles i dag for elektrojet.
På grunnlag av hundrevis av målinger delte Birkeland de geomagnetiske forstyrrelsene inn i tre kategorier: Polar elementærstorm, ekvatorial elementærstorm, og syklomediane stormer. De to første opptrer som positive og negative, alt etter som den nordsørlige komponenten av jordens magnetfelt forsterkes eller svekkes. Birkeland hadde en spesiell evne til å se mønstre i store datamengder, å se sammenheng mellom observasjoner i laboratoriet og målinger i felt. Dette kom godt med for disse analysene.
Birkeland foretrakk forklaringen om at de polare elementærstormene var forårsaket av sterke horisontale strømmer over nordlyssonen. Han anslo at disse strømmene var på opptil en million ampere, og oppstod i høyder over 100 km. På grunn av styrken av disse strømmene, som greide å forstyrre jordens magnetfelt og skape nordlys, konkluderte han med at bare solen kunne greie å skape de elektromagnetiske kreftene som trengs for dette. Kontroversene om denne hypotesen varte i mer enn 50 år. Ikke før i 1966 ble Birkelands teori om eksistensen av disse tredimensjonale strømmene bekreftet med satellittmålinger. Den internasjonale astronomiske union bestemte i 1967 at disse strømmene skulle kalles for birkelandstrømmer. I bind 2 av The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903 argumenterte han for at elektromagnetiske krefter er like viktige som gravitasjon for å forstå universet.
Birkeland brukte ordet «aurora polaris» (polarlys) istedenfor det mer vanlige «aurora borealis» (nordlys) for å understreke at fenomenet oppstår på begge polene. Boken ble skrevet på engelsk, i motsetning til de fleste av hans tidligere publikasjoner, som ble skrevet på fransk. Sidetallet var på 400. Han var meget stolt av denne boken, spesielt fordi en så pen vitenskapelig avhandling aldri før var trykket i Norge. Hovedvekten ble lagt på feltmålingene, mens laboratoriesimuleringene av nordlys var vist på fotografier. Fordi forlaget forventet å få solgt bare noen få hundre eksemplarer dekket Birkeland selv de fleste kostnadene. Den andre utgaven ble utgitt i 1913 og var på nesten 450 sider. Senere ble bokverket slått sammen til ett bind. Et tredje bind var planlagt, men ble aldri ferdig.
Den mest kontroversielle påstanden i boken, var at solen var kilden til elektroner som ble fanget opp av jordens magnetfelt og skapte nordlyset. Om solen sender ut elektroner, og disse tas opp av jorden, skulle ikke da solen bli positivt ladet?
Boken ble lest og godt mottatt i Frankrike, men ikke i England. Spesielt var Royal Society svært negative. Birkeland ergret seg mye over dette, siden britene hadde stor innflytelse i forskerverden. Uten gjennomslag her, ville teoriene hans heller ikke få noe særlig utbredelse. Fysikeren Arthur Schuster (1851–1934) uttalte: «Grensene for hva som er tillatt av heterodoksi innen vitenskap, er snart nådd.»
Birkeland planla også å utgi en publikasjon om en mulig sammenheng mellom nordlys, magnetiske stormer, og været. Dette ble heller aldri noe av, og senere i livet tvilte han på sin opprinnelige hypotese om at det kunne være noen sammenheng mellom cirrusskyer og nordlys.
Forklaringer på andre fenomener i universet
Et viktig prosjekt var å få laget en enda større terrellamodell med et stort vakuumkammer, for å studere andre fenomener i verdensrommet enn bare nordlys. Under utviklingen av dette oppsettet, fikk han ideen om at kulen i senter ikke nødvendigvis bare kunne brukes til å etterligne jordkloden, men også solen. Dette arbeidet startet i 1908. Ved å anbringe en såkalt leidnerflaske i den elektriske kretsen oppstod lange lysstråler som ble bøyd i det magnetiske feltet. Katodestråler fra de simulerte solflekkene, kunne ledes av det magnetiske feltet inne i terrellaen.
Ved en solformørkelse tok han bilder av solens korona, og ut fra disse bildene så han mønstre som lignet mye på det han så via simuleringene i vakuumkammeret. Dermed konkluderte han med at solen måtte ha et magnetfelt, og at dette hadde en styrke på minst 100 ganger jordens.
Med det nye vakuumkammeret kunne han gjenskape solens korona, de lysende lagene i solens ytre atmosfære og solflekker som beveger seg over dens overflate. Han utviklet en teori om at solen slynget ut store mengder ladede partikler i rommet, som både var kilde til magnetstormene, nordlyset og zodiakallyset. Den nye terrellamodellen kunne også brukes til å etterligne Saturns ringer, zodiakallyset og komethaler.
Birkeland eksperimenterte med kometer i sitt vakuumkammer, noe som førte til flere forskjellige teorier om hvordan komethaler oppstår. En av disse teoriene var at katodestråler ladet opp kometene til høye potensialer. Dermed avga de lysene utladninger.
For øvrig har Birkeland antydet eksistensen av solflekker, solens magnetfelt, solvinden, jordens magnetosfære, bidratt til forståelse av komethaler og sammenheng mellom jordens klima og solaktivitet.
Noen eksempler på fenomener Birkeland studerte i sitt «verdensrom»:
Offentlig forelesning om verdensrommet
Birkeland arrangerte en åpen forelesning om sine teorier om verdensrommet i januar 1913. I denne forelesningen ble terrellaen demonstrert offentlig for første gang. Blant annet ble solflekker, solens korona, zodiakallyset, Saturns ringer og komethaler vist. Forelesningen ble annonsert under tittelen «Skapelsen av vårt solsystem og andre verdener i universet», og Kong Haakon (1872–1957) var til stede. Birkeland hadde først tenkt å inkludere avansert fysikk for å forklare sin kosmogoni basert på elektromagnetisme. Etter å ha tenkt seg om, kom han i siste liten frem til at dette ville bli for komplisert, dermed endret han manuset. Isteden ville han gi tilhørerne en reise rundt i kosmos og gi noen forenklede forklaringer.
I tillegg til denne forelesningen, holdt han en annen offentlig forelesning i mars samme år med tittelen «Andre verdener i universet».
Forelesningene fikk god omtale i Norge, men den trykte utgaven som ble utgitt i vitenskapelige tidsskrifter på flere språk, fikk få kommentarer.
Sommeren 1913 ble andre bind av The Norwegian Aurora Polaris Expedition utgitt. I dette var det flere fotografier av terrellaen. Birkeland var stolt over bredden i stoffet og ideenes originalitet. Ingen hadde tidligere utgitt en så omfattende beskrivelse av jordens magnetisme. Imidlertid kom det andre vitenskapelige publikasjoner på denne tiden, som fikk enda større oppmerksomhet. Spesielt ble den danske fysikeren Niels Bohrs (1885–1962) kvantefysikk og atommodell viktig. Tidligere hadde Birkelands teorier blitt møtt av motargumenter fra mange hold, men nå ble hans teorier møtt av stillhet.
Birkeland var likevel optimistisk og mente at alt arbeidet han hadde lagt ned var verdifullt. Dette til tross for at han på denne tiden hadde skrantende helsetilstand etter alle anstrengelsene med å finansiere forskningen, med problemer som drikke- og medikamentmisbruk, et havarert ekteskap, utstøtelse fra Norsk Hydro som han hadde vært med på å skape, kritikk og bitterhet fra kollegene ved universitetet og manglende vitenskapelig anerkjennelse.
På tross av all motgangen var han interessert i å komme videre med forskningen. I 1913 kunne han ikke holde ut tanken på enda en vinter i Kristiania. Hans bror hadde rådet han til å reise til et varmere land, og slutte med Veronal og whisky. Dermed bestemte han seg for å reise til Egypt. En medvirkende årsak til at Egypt ble valgt, var at han ville utforske zodiakallyset. Han hadde fått en ide om at zodiakallyset var et fjernt, men synlig bevis på at solen sendte ut katodestråler som kunne bre seg ut i hele solsystemet.
Observasjoner i Egypt
Før han reiste til Egypt informerte han sine kolleger på Halddeobservatoriet om at han skulle sende et telegram med instruksjoner til dem når han kom frem. Dette for at de to forskningsgruppene skulle kunne gjøre magnetiske målinger på de samme tidspunktene. Med seg til Egypt fikk han sin assistent Karl Devik og den unge matematikeren Thoralf Skolem (1887–1963). Noe som kunne tyde på at Birkeland planla å bli lenge borte, var at han donerte alle sine instrumenter og maskiner til universitetet. Han gikk også til apoteket og kjøpte to poser med Veronal. Apotekeren advarte mot bivirkningene som nå var begynt å bli kjent.
Birkeland og Krogness hadde tidligere vært i Sudan i 1910 for å studere zodiakallyset i to måneder.
I oktober 1913 ankom de tre forskerne Alexandria i Egypt. De fikk sine instrumenter fraktet til Khedivial observatorium i Helwan, mens de selv reiste direkte til Omdurman i Sudan. Birkeland mente at dette stedet var best egnet til å studere zodiakallyset, fordi himmelen ble tidligere mørk etter solnedgang enn lengre nord.
Zodiakallyset var første gang beskrevet av den italienske astronomen Giovanni Cassini (1625–1712), som omtalte dette som en lysende kjegle som strakte seg fra horisonten langs ekliptikken over himmelsfæren. Altså over dyrekretsens stjernetegn, eller zodiakaltegnene, derav navnet. Hans forklaring var at fenomenet skyldtes lysrefleksjon av små støvpartikler som gikk i bane rundt solen. Cassinis forklaring var fremdeles den rådende, da Birkeland dro ned til Egypt. Birkelands hypotese var at zodiakallyset skyldes ioner, atomer og molekyler som ble utsatt for elektroner fra solen og dermed lyste opp, altså et lysfenomen likt nordlyset.
Birkelands plan var å kartlegge zodiakallyset utbredelse ved hjelp av enkle håndlagede skisser. Utfordringen var å få angitt yttergrensene i relasjon til en målestokk. Dette ble forsøkt gjort ved at Karl Devik og Birkeland tegnet zodiakallyset samtidig, men fra to forskjellige steder. Så sammenlignet de tegningene etterpå. Senere var planen at de skulle utføre tegningene samtidig, men slik at Birkeland var i Egypt og Devik helt nede i Rhodesia eller Sør-Afrika. Samtidig med de visuelle observasjonene ble det gjort målinger med magnetometer for å se om det var noen sammenheng mellom lysets styrke og magnetfeltet.
Sammen med Solem lagde Birkeland kalkulasjoner og modeller av zodiakallysets tetthet, for å forsøke å beskrive form og struktur på det de oppfattet som en skive. De fikk da også bekreftet via målingene at lyset var skiveformet og strakte seg forbi jorden. Tettheten av støvpartikler i skiven greide de ikke å fastslå, men de antok at de var svært små og med en meget liten tetthet, rundt 0,8 gram per kubikkmeter. Lyset ble videre vurdert til å være en million ganger svakere enn månen og 10 000 ganger svakere enn sterkt nordlys. Birkeland mente at han kunne sanse at lyset pulserte, men det greide de ikke å måle. De greide heller ikke å få tatt fotografier av det.
Samarbeidet med Knox-Shaw ble meget godt, og Birkeland eksperimenterte med forskjellige kikkerter for å studere zodiakallyset. De greide også å måle variasjoner i lyset, samt at de påviste svake magnetfeltvariasjoner mens zodiakallyset var synlig.
Alene i Egypt
Han skrev mange brev hjem til sine venner for å få rede på hva som skjedde. I et brev til Amund Helland fortalte han om en idé om å bygge et lite museum «til minne om oppdagelsen av jordmagnetismens opprinnelse, solflekkenes natur og planetenes dannelsesprosess.» Over dette ville han få bygget en stor kuppel av forgylt kobber som skulle dekke over et vakuumkammer på 1000 kubikkmeter. Her tenkte han at folk skulle få se Saturns ringer med en diameter på 10 meter, solflekker, nordlys og zodiakallys. Videre skrev han i dette brevet at han da kunne skryte: «Nest etter Gud har jeg det største vakuumkammeret i verden».
I dag anses Birkelands bidrag til å forstå zodiakallys til å være lite. Derimot var det et viktig bidrag innenfor astronomien at han introduserte fotocellen for å måle svakt lys. I dag vet man at fenomenet er forårsaket av lysspredning i støvpartikler i bane rundt solen nært det ekliptiske planet. Imidlertid tror forskerne at det kan være en kobling mellom zodiakallys og nordlys.
Industriutvikling
Birkelands bakgrunn og interesse for eksperimentelt arbeid, ledet til at han deltok i industriell utvikling. Han følte stor glede i å utvikle tekniske innretninger som kunne gjøre livet lettere. En annen motivasjon var at landet på denne tiden sårt trengte industriell utvikling og vekst. Enda en årsak var utsiktene til å kunne få inntekter for å finansiere nordlysforskningen.
Utvikling av en elektrisk bryter
Etter at Birkeland kom tilbake til Kristiania etter nordlysekspedisjonen i 1900, hadde regjeringen henvendt seg til ham og spurt om han ville delta i en komité for industrireising. Komiteen skulle særlig se på mulighetene for å utvikle industri basert på vannkraft. Han takket ivrig ja til å være med i dette arbeidet, og reiste deretter rundt i landet på befaring i vannkraftverk. På grunn av dette engasjementet oppstod vennskap med elektroingeniør og direktør ved Christiania Elektricitetsværk, Thomas Norberg Schulz (1866–1950). Disse to utførte mange eksperimenter sammen, der Schulz' praktiske kunnskap ble forent med Birkelands teoretiske innsikt. En stor utfordring som Birkeland hadde blitt oppmerksom på, var vanskene med å bryte store elektriske strømmer. Han begynte derfor å tenke på ideer for hvordan bedre elektriske brytere kunne konstrueres.
Høsten 1901 mente Birkeland at han hadde greid å lage en elektrisk bryter med kapasitet til å bryte store strømmer. En komité som han ledet for å finne løsninger på utfordringer i forbindelse med kraftproduksjon, ble invitert for å overvære et eksperiment i Hammeren kraftverk i Maridalen. Imidlertid eksploderte bryteren og en stor lysbue oppstod, spaken som Birkeland holdt i ble spenningssatt slik at han selv fikk et elektrisk sjokk som kastet ham av gårde. I tillegg ble kraftstasjonen mørklagt og det oppstod brann. Komitemedlemmene løp for livet ut av kraftstasjonen, mens Birkeland selv satt igjen på gulvet og lo. Til sin venn Sæland sa han dagen etter at «det var det gledeligste øyeblikk i mitt liv».
Med denne uttalelsen mente Birkeland at han hadde funnet svaret på sine spørsmål. Han innså at mekanismen bak bryteren kunne ha helt andre bruksmuligheter. I sin konstruksjon hadde han anvendt en solenoide, altså en vikling av en elektrisk leder. Han la merke til at da strømmen ble skrudd på ble to skruer av stål trukket inn i solenoiden, og da strømretningen ble snudd ble disse kastet ut med stor kraft. Skruene ble slynget ut så kraftig at han hadde fått blåmerker på hendene. I 1902 tok han ut en patent på en elektrisk brytermekanisme og stiftet selskapet Strømbryterkompaniet.
Den elektriske kanonen
Prinsippet bak den elektriske kanonen var at prosjektilet selv på sin vei gjennom løpet skulle slutte strømmen i solenoiden foran det, og bryte strømmen i solenioden bak. Dermed ville prosjektilet selv virke som en bevegelig bryter slik at det fikk en akselererende kraft forover. Imidlertid var det flere utfordringer med å bryte strømmen, slik at flere nye konstruksjoner måtte gjøres.
Etter at patentet var registrert gikk Birkeland tilbake til kontoret og skrev fire invitasjoner til deltagelse på en hemmelig demonstrasjon. De som ble invitert var to høyere militære offiserer, samt Nordberg-Schultz og politikeren og industrimannen Gunnar Knudsen (1848–1928). Knudsen meldte forfall, men de andre innfant seg på Birkelands kontor etter at studentene hadde gått hjem for kvelden. Strømmen ble slått på og Birkeland avfyrte en kanon som sendte et prosjektil tvers over gulvet og inn i en planke oppstilt på en stol. Planken og stolen ble slengt i veggen med stor kraft da prosjektilet traff. Birkeland forklarte at dette våpenet kunne ha stor rekkevidde, potensielt større enn andre våpen, at det kunne betjenes kun ved å skru på en bryter, at det var lydløst og kunne koordineres med andre kanoner koblet til samme generator. De inviterte gjestene gratulerte med den vellykkede demonstrasjonen, og ville garantere for finansiell støtte.
Aksjeselskapet Birkeland Skydevaaben ble dannet i november 1901. Forskjellige prototyper ble demonstrert for interesserte fra inn- og utland det neste året. I 1902 ble det konstruert en utgave som kunne avfyre et prosjektil på 10 kg med en mulig rekkevidde på 100 km. Denne utgaven hadde det kostet 10 000 kr å få utviklet, nærmere to ganger Birkelands årslønn. Den ble demonstrert i Berlin for en rekke våpeneksperter, og omtalt i utenlandske aviser. Birkeland fikk her flere tilbud om salg av rettighetene. Tidsskriftet English Mechanics mente at oppfinnelsen ville revolusjonere moderne krigføring. Styret i selskapet besluttet imidlertid at det skulle settes av midler for videre utvikling.
Birkeland så ut over forsamlingen og forsikret om at det ville være totalt lydløst, men da han ga signal om avfyring oppstod et øredøvende smell. En stor flamme stod ut av kanonens munning, det oppstod en sterk visling,og en lysbue stod ut mot publikum. Den panikkslagne forsamlingen løp ut fra salen, selv om Birkeland prøvde å si at det ikke var noen grunn til panikk. Som han senere sa: «Det var det mest dramatiske øyeblikket i mitt liv – med det ene skuddet skjøt jeg mine aksjer fra 300 kroner ned til null. Men prosjektilet satt midt i blinken!» På grunn av Norges kamp for å komme ut av unionen med Sverige, var det høyst upassende med en slik skandale som kunne utsette landet for spott og spe.
Birkeland kunne etter dette ha gjort noe modifikasjoner av kanonen for å unngå kortslutninger, men han begynte istedenfor å tenke på en annen bruksmulighet, nemlig elektrokjemisk industri. Ulempen var at utvikling innenfor dette feltet ville være mer tidkrevende.
Møte med Sam Eyde
I februar 1903 hadde Birkeland vært gjest i et middagsselskap hos statsminister Knudsen, her hadde han møtt ingeniøren og forretningsmannen Sam Eyde. Eyde hadde stiftet et selskap som kjøpte opp fossefall sammen med svenske finansfolk. Hensikten var å utvikle elektrokjemisk industri med vannkraft som billig innsatsfaktor. Blant annet hadde han kjøpt Rjukanfossen og Vammafossen. Eyde hadde i forbindelse med dette drevet en del med elektriske ovner for foredling av jern og aluminium.
Under middagen oppstod en diskusjon mellom industrilederne og politikerne, om den forestående gjødselkrisen i Europa. Ved begynnelsen av 1900-tallet hadde den engelske fysikeren og kjemikeren William Crookes (1832–1919) forutsett «en nært forestående uttømming av verdens ressurser av fiksert nitrogen». Kun et naturlig natriumnitrat som ble utvunnet i Chile var tilgjengelig, den såkalte chilesalpeteren. Forskere mente på slutten av 1800-tallet at verden snart kom til å bruke opp sine reserver av bundet nitrogen: Crookes hadde estimert at salpeterreservene bare ville vare i ytterligere 30 år. Dermed ville det bli vanskelig å fø verdens økende befolkning.
På grunn av disse prognosene hadde forskere verden over gjort eksperimenter med å fremstille kunstig gjødsel. Det var kjent at det i luft finnes nitrogen og oksygen, som ved svært høye temperaturer kunne reagere sammen og danne hovedbestanddelen i kunstgjødsel. Birkeland var interessert i temaet, dermed kunne han fortelle at alle forsøk på industriell fremstilling hadde feilet. Da han nevnte at en spesiell type ovner var nødvendig for slik produksjon, fikk Eyde interesse for diskusjonen. Birkeland forklarte da at det var behov for en spesiell ovn som kunne etterligne lyn, slik at oksidering av nitrogen kunne finne sted. Eyde skjønte straks at en løsning på gjødselkrisen ville gi enorm økonomisk suksess. Senere på kvelden fortalte Birkeland at han hadde løsningen: Dersom den store lysbuen i den elektriske kanonen ble kortsluttet, kunne den utnyttes sammen med sterke magnetiske felter for å lage en ovn for produksjon av kunstgjødsel.
Etter diskusjonen med Eyde gikk Birkeland i gang med å tenke ut hvordan en slik ovn kunne konstrueres. Rundt en elektrisk lysbueovn ville han plassere sterke elektromagneter for å få lysbuen til å utvides i halvsirkelform. Han måtte også tenke ut en mekanisme for å slippe luft inn og ut av ovnen. De britiske fysikerne Joseph Priestley (1733–1804) og Henry Cavendish (1731–1810) hadde allerede i 1780 greid å produsere små mengder salpetersyrling ved hjelp av elektriske gnister. Senere i 1902 hadde amerikanerne Bradly og Lovejoy forsøkt å bygge en fabrikk ved Niagara for å produsere salpeter, men mislyktes på grunn av lav produktivitet.
Eyde og Birkeland inngikk kontrakt om å samarbeide om utvikling av en metode for «fremstilling av nitrogenforbindelser eller andre kjemiske forbindelser av luft eller andre gassblandinger, ved hjelp av flate elektriske lysbuer.» Denne metoden skulle det tas patent på, noe som ble gjort i februar 1903. Eyde hadde sine grunner til å få inngått dette samarbeidet så raskt som mulig, for hans bygningsfirma var i krise. Han hadde bygget opp et ingeniørfirma med 30 ansatte ingeniører, men etter Kristianiakrakket i 1899 måtte han si opp alle ansatte. Imidlertid var de to partene skeptiske til hverandre. Birkeland var spesielt skuffet over at Eyde ville at de to skulle ha delte patentrettigheter. På den ene siden visste Birkeland at Eyde var i stand til å finansiere utviklingen, men Birkeland visste også at han lett kunne bli satt ut på sidelinjen når hans ekspertise ikke lenger var nødvendig.
Utvikling av en lysbueovn
Etter at samarbeidet med Eyde ble innledet i februar, arbeidet Birkeland intenst med utviklingen av en prototyp for en gjødselovn. Fra før arbeidet Birkeland dag og natt med å utvikle den elektriske kanonen og en effektiv strømbryter, samt at han også skulle undervise sine studenter. I slutten av februar ble selskapet Birkelands Interessentskab stiftet. Eyde tok seg av finansene, og Birkeland startet de første eksperimentene på sitt kontor. Da kontoret utpå våren ble for lite og varmt å arbeide i, flyttet han utstyret til et enkelt lokale på en skraphandlertomt i Frognerkilen. Med seg fikk han ingeniøren Eivind Bødtker Næss, en av Eydes tidligere ansatte.
Virkemåten til ovnen var at den skulle tilknyttes 50 Hz vekselstrøm for å få en hurtig varierende lysbue. Mellom to elektroder inne i ovnen, ble det dannet en lysbue som ved hjelp av kraftige elektromagneter ble dratt ut i en halvsirkel. Fordi elektrodene ble tilknyttet vekselstrøm ble lysbuene hurtig dannet og spredd ut til siden, før de ble brutt. Men på grunn av den raske vekslingen så det for det blotte øyet ut som en jevnt, lysende skive. Lysbuen oppnådde en temperatur på 3000 °C. Disse forholdene fikk luftens nitrogenmolekyler (N2) til å hurtig kollidere og binde seg til oksygenmolekyler (O2), slik at nitrogenoksid (NO2) ble dannet. Videre ble denne gassen ledet ut for å reagere med vann, slik at salpetersyre (HNO3) oppsto; i neste trinn ble syren ledet over på kalkstein for å danne kalsiumnitrat (Ca(NO3)2) eller salpeter.
Næss arbeidet systematisk og testet nøye ut hver eneste idé for ovnens oppbygging. Dette førte han inn i laboratorieprotokollen. Birkeland på sin side var mer entusiastisk, og hadde hver morgen nye ideer han ville ha testet ut. Mens de arbeidet med utviklingen, la Eyde stort press på Birkeland om å arbeide raskt. Eyde hadde nemlig via sine kontakter fått rede på at det tyske storkonsernet Badische Annilin und Soda Fabrikk (BASF) også holdt på med utvikling av en lignende prosess. Dette hadde ingeniøren Otto Schönherr (1861–1926) holdt på med helt siden 1897. Birkeland arbeidet så intenst med utviklingen av ovnen at han ikke hadde tid til å ta i mot ekspedisjonsmedlemmene som kom tilbake fra nordlysobservasjonene i juli. Det ble til at Sæland selv oppsøkte Birkeland for å fortelle at alle var kommet hjem i godt behold. Den 7. august 1903 kom Birkeland inn i laboratoriet, der så han Næss som satt og rørte rundt i en melkehvit oppløsning i en kjele. Han skjønte da at de for første gang hadde greid å produsere salpeter, hvoretter han utbrøt: «Godt! Nå blir vi rike.»
Utvikling av lysbueovnen:
Finansiering og videre utvikling
Det første Eyde gjorde da han fikk nyheten om at Birkeland hadde lyktes med å fremstille salpeter, var å kontakte sine bekjentskaper innenfor finansmiljøene.Han var særlig interessert i å få direktør i Stockholms Enskilda Bank, Marcus Wallenberg (1864–1943) til å fatte interesse for utviklingen. Ingen var imidlertid særlig interessert, heller ikke BASF i Tyskland.
I begynnelsen av september 1903 hadde Eyde greid å få etablert et selskap med navn Det Norske Kvælstofkompagni. Her hadde svenske investorer, inkludert Wallenberg, kjøpt aksjer. Birkeland hadde ikke sitt navn i selskapet, men eide 1/5-del av aksjene. For å få bygget en ny og større prototyp, ble forsøkene flyttet til transformatorstasjonen ved Ankerløkken, nordvest i Kristiania. Nå hadde de enda større press på seg for å få ferdig en fungerende ovn, for også de tyske konkurrentene var kommet langt i sin utvikling. Med seg hadde Birkeland kjemikeren Claus Riiber (1867–1936), i tillegg til Næss. De arbeidet alle dager i uken, også søndager. Hele høsten 1903 holdt de på slik, uten annen fri enn to dager i forbindelse med julen.
Birkeland ble under dette arbeidspresset plaget med søvnløshet, migrene og rastløshet. I tillegg måtte han tåle Eydes stadige utålmodige kritikk. Eyde forhørte seg om Birkelands helsetilstand og fikk høre at han var belemret med «nervøse fryseanfall». Dermed begynte Eyde å planlegge hvordan Birkeland kunne presses ut på sidelinjen når de mest teoretiske delene av utviklingen var utført. Han kontaktet sin samarbeidspartner i Sverige for å finne en ingeniør som kunne ta over utviklingen, dersom Birkeland måtte erstattes. Det gikk heller ikke så bra med samarbeidet mellom Næss og Birkeland. Deres arbeidsmetoder og tilnærming til oppgaven var svært forskjellig. Birkeland begynte å forestille seg at Næss var en «spion» for Eyde.
Ved Wallenbergs hjelp, ble den svenske ingeniøren Arvid Lindström (1866–1944) involvert i utviklingen i februar 1904. Birkeland ble svært oppbrakt over at en ukjent ingeniør var engasjert, uten hans samtykke. Wallenberg og Lindström kom sammen med Eyde for å inspisere utviklingen av anlegget, uten at Birkeland kunne annet enn svare høflig på spørsmålene som ble stilt. To dager etter dette besøket kollapset Birkeland. Han ble sengeliggende og snakket i villelse. I henhold til biografen Jago var det nå at hans bror, Tønnes, fikk tak i den nye medisinen Veronal. Veronal frembrakte søvn og dempet depresjon. Birkeland inntok medisinen sammen med whisky.
Eyde tok nyheten om Birkelands sammenbrudd som en lettelse. Han tenkte at da kunne ikke Birkeland stå i veien for den svenske ingeniøren. Birkeland fikk også mistanke om at dette var Eydes plan. Eyde skrev til Wallenbergs bror at Birkelands medvirking i utviklingen etter dette var helt overflødig. Utpå våren 1904 var Birkeland blitt frisk nok til å delta videre med utviklingen av ovnen. Han hadde innsett at han måtte finne seg i å arbeide sammen med Eydes ansatte. Samtidig fikk han mer tid til overs, som han benyttet til å se på resultatene fra nordlysmålingene.
I april 1904 ble selskapet Det Norske Aktieselskap for Elektrokemisk Industri (ELKEM) stiftet. Dette ble stiftet med Wallenbergbrødrene som garantister, med en kapital på fem millioner kroner. ELKEM overtok aksjemajoriteten i Det norske Kvælstofkompagni, samt rettighetene til Eydes vannkraftressurser. Det nye selskapet besluttet at en ny prøvefabrikk skulle bygges på Notodden. Birkeland fikk det overordnede ansvar for planleggingen av denne fabrikken.
Eyde la igjen stort press på sine ingeniører og arbeidsfolk, for å få fabrikken på Notodden ferdig raskest mulig. Den franske storbanken Paribas var blitt forespurt om å investere i foretaket, men hadde meldt at de bare var interessert dersom en ekspertkomité ville uttale at produksjonsmetoden var effektiv nok til å gi overskudd. Om det skulle vise seg at den ovnen som BASF utviklet, produserte mer salpeter per tilført energimengde, ville det bety at metoden til Birkeland ville bli lagt til side. Dette ville bety at det norske selskapet gikk konkurs. Eyde bestemte seg for at en dag i juni 1905 skulle settes av til inspeksjon av en ekspertkomité. Birkeland på sin side var redd for noe annet, nemlig at konfliktene rundt unionsoppløsningen skulle utløse krig. I så fall ville de svenske investorene ikke kunne overføre penger til prosjektet.
Ekspertkomiteens vurdering
Utover våren ble ingeniørene på testfabrikken mer og mer desperate jo nærmere datoen for ekspertkomiteens besøk kom. For et elektrisitetsforbruk på 1 kWår (8760 kWh) produserte ikke prosessen mer enn 450 kg kunstgjødsel. Dette betydde at dersom ovnen gikk under kontinuerlig drift i et helt år, ville den bare produsere nok gjødsel til noen få hundre gårdsbruk. Eyde hadde på sin side lovet investorene i Paribas at den var i stand til å produsere 600 kg per kWår. Dessuten hadde han lovet at produksjonen etter forbedringer, skulle økes til 900 kg per kWår. Et annet forhold som gjorde seg gjeldende, var frykten for krig med Sverige. Dette ville både bety problemer med å få overført utstyr fra kontinentet, samt at både norske og svenske ingeniører ville bli utskrevet som soldater.
Ekspertkomiteen ankom Notodden den 20. juni 1905 og ble ledet av den britiske fysikeren Silvanus Thompson (1851–1916). For øvrig var Wallenberg, direktøren for utenlandske lån i Paribas, samt kjemikerne Otto Nikolaus Witt (1853–1915) og Alphonse Theophile Schloesing (1856–1930) med. Da komiteen så på anlegget, var produksjonen på 500 kg per 1 kWår, men de ville ikke gi noen endelig beskjed om dette var tilstrekkelig.
Ekspertkomiteen ga senere på året en sjenerøs omtale av produksjonsmetoden. De mente videre at en produksjon på 500 kg kunstgjødsel per kWår var godt nok. Paribas støttet da foretaket, og flere internasjonale patenter på metoden ble tatt ut. Dermed ble selskapet Norsk Hydro-Elektrisk Kvælstofaktieselskab stiftet den 2. desember 1905.
At Norge, gjennom Birkeland–Eyde-prosessen, spilte en avgjørende rolle i å avverge en verdensomspennende hungerkatastrofe, ble en populær fremstilling i samtiden.
Før stiftelsen av selskapet var det heftig krangling mellom Birkeland og Eyde, om patentrettigheter og sammensetning av det nye selskapets styre. Det ble til at Birkeland fikk eierskap til tolv patenter. Han ble fornærmet over å ikke være med i selskapet styre, men etter en stund tenkte han at det var det beste, fordi han da ikke trengte å se så mye til Eyde.
Birkeland trekker seg ut av industriforetaket
I juni 1906 reiste Birkeland til Berlin for å holde et foredrag om gjødselovnen for BASF. Schönherr som nå var blitt direktør i BASF, så for seg at et samarbeid med Norsk Hydro ville gi god tilgang til vannkraft. Denne billige krafttilgangen hadde de ikke i Tyskland. Dessuten var konsesjonslovene innført i Norge, slik at et utenlandsk selskap ikke lenger ville ha noen enkel mulighet for selv å kjøpe norske fossefall. Det ble også vurdert samarbeid om den tekniske utviklingen.
Birkeland fikk en avtale med Eyde, der han skulle få en engangsutbetaling på 135 000 kroner for å gi fra seg aksjene i ELKEM, Norsk Hydro og Det Norske Kvælstofkompagni. Han skulle videre få et årlig konsulenthonorar på til sammen 10 000 kr, fra ELKEM og Norsk Hydro. I avtalen skulle han heller ikke starte noe eget konkurrerende selskap, men han skulle være tilgjengelig for konsulentbistand. Selv om utviklingen av Birkeland-Eyde-prosessen hadde tappet ham for krefter de siste tre årene, måtte han finne seg i å se at han ikke lenger ville få noen innflytelse over selskapet. Imidlertid innså han at «makt kom av rikdom og eierskap. Intelligens var nødvendig, men ble alltid utmanøvrert av den innflytelsen som penger ga.»
I desember 1906 inngikk Norsk Hydro en kontrakt med BASF om utbygging av Rjukanfossen. Nå var derimot Eyde svært interessert i å knytte til seg Birkeland. Det ble inngått en avtale om at han skulle være konsulent, med et årlig honorar på 12 000 kroner på livstid.
Enda en ny konkurranse for Birkeland–Eyde-prosessen
Birkeland hadde etter 1906 flere rolige år da han arbeidet med nordlysforsking. Våren 1910, mens Birkeland arbeidet i sitt laboratorium, kom Eyde overraskende og uanmeldt på besøk.
Eyde fortalte at BASF var misfornøyd med ovnen Birkeland hadde utviklet, og heller ville satse på sin egen ovn. Aksjonærene på sin side hadde bare interesse av at den mest effektive ovnen ble brukt. Det var derfor bestemt at det skulle settes opp en konkurranse om hvilken ovn som kunne produsere mest salpeter i løpet av 24 timer. Før konkurransen kunne hver av partene, altså Hydro og BASF, optimalisere utforming av sine respektive ovner. Den beste ovnstypen skulle velges til den nye fabrikken på Rjukan. For Birkeland ville det bety at han ville miste sitt konsulenthonorar, om hans ovnstype ble vraket. Dermed ville hans nordlysforsking miste sin viktigste finansieringskilde. Et annet moment var at om dette skjedde, ville ikke Norsk Hydro ha noe annet norsk i seg enn selve navnet. Birkeland bestemte seg raskt for at han ikke hadde noe annet valg enn å reise opp til forsøksfabrikken på Notodden. Der måtte han og Eydes ingeniører på nytt arbeide dag og natt med å utvikle prosessen.
Birkeland og Eydes unge ingeniører arbeidet i én måned med forbedring av ovnskonstruksjonen, uten å komme noen vei. På slutten av disse dagene orket Birkeland ikke å forlate sengen, eller han ble bare sittende og se ut i luften. En slik dag satt han inntil peisen i Hydros administrasjonsbygning, og la på en stor vedkubbe i glørne. Da slo en tanke ned i ham: Ovnen måtte skaleres opp for å bli mer effektiv, kanskje to til tre ganger større enn den konstruksjonen de til da hadde benyttet. Etter dette satt han oppe hele resten av dagen og natten med sine regnestykker for prosessen. Da han neste dag møtte ingeniørene i fabrikken, sa han at det de måtte gjøre var å øke størrelsen på ovnen fra 1000 kW til 3000 kW. Ingeniørene var til å begynne med avventende, de kjente til at Næss var svært skeptisk til Birkelands eksentriske ideer. Men de lot de seg overtale av Birkelands entusiasme og innsikt, selv om det bare var seks uker til den måtte være ferdig.