Kristian Birkeland

Olaf Kristian Bernhard Birkeland (1867–1917) var en norsk professor i fysikk ved Det Kongelige Fredriks Universitet i Oslo. Han gjorde banebrytende arbeid innenfor forståelsen av fenomener i verdensrommet, både rundt nordlys (latin: aurora borealis), og andre forhold.
I årene 1897–1903 ledet han tre ekspedisjoner til Finnmark, Island, Svalbard og Novaja Semlja for å studere nordlys og jordmagnetisme, og en mulig innvirkning på været. Birkelands nordlysforskning var forut for sin tid, og ikke før moderne satellitter og romsonder kunne brukes til målinger, ble hans teorier bekreftet. Magnetosfærens eksistens rundt jorden er også en av Birkelands tidlige teorier. Birkeland beskrev solstormer, og at en stor del av universet er usynlig interstellar masse, teorier som også er bekreftet i nyere tid. I dag betraktes Birkeland som den første romforsker, men i hans samtid ble hans teorier tilbakevist av mange ledende vitenskapsmenn.
Birkeland var sentral for utviklingen av Birkeland-Eyde-prosessen for fremstilling av salpeter til bruk som kunstgjødsel, et arbeid finansiert av ingeniøren og finansmannen Sam Eyde (1866–1940). Denne industriutviklingen dannet grunnlaget for Norsk Hydro. I tillegg hadde han patenter på en rekke forskjellige tekniske innretninger, som en strømbryter, komponenter for radiosending, fettherding, høreapparat, lysbueovn og avfallsbehandling. Birkelands motivasjon for anvendt forskning var industribygging og økonomisk utvikling, så vel som finansiering av grunnforskningen.
Han ble nominert fire ganger til Nobelprisen i kjemi og fire ganger til nobelprisen i fysikk, uten å få noen av dem. Birkeland bodde de siste årene av sitt liv i Egypt. I sine siste år var han mentalt ustabil; han var utslitt etter mange år med mye arbeid, lite søvn, motgang og alkoholmisbruk. Han døde i Tokyo i 1917, sannsynligvis etter en overdose med Veronal, et medikament brukt mot søvnløshet. Det er flere merkelige omstendigheter rundt hans død, og det er usikkert om han døde for egen hånd.
Birkeland var en stor inspirator, og mange av hans unge assistenter ble senere fysikkprofessorer. Flere av dem arbeidet innenfor astrofysikk, slik at disse akademiske miljøene utviklet seg videre etter hans død. I 2004 opprettet Universitetet i Oslo, inspirert av Kristian Birkelands arbeid, Birkeland Innovasjon, som skal hjelpe forskere med å patentere forskningsresultater.
Olaf Kristian Bernhard Birkeland ble født i Christiania som sønn av Reinert Tønnesen Birkeland (1838–99) og Inger Susanne Ege (1841–1913). Hans foreldre skrev fornavnet «Christian», men i voksen alder skrev han alltid «Kristian», og i publikasjoner «Kr. Birkeland» Farens slekt kom fra gården Birkeland i dagens Flekkefjord kommune, Agder . Birkelands far hadde solgt gården og flyttet til Christiania, og for pengene hadde han startet et firma for eksport og import, drev skipsfart, og etablerte en butikk. Firmaet gikk godt de første 20 årene, helt til myndighetene innførte handelssanksjoner.
Birkeland hadde en to år eldre bror som het Tønnes Gunnar Birkeland (1865–1951). De vokste opp i en bygård i krysset mellom Langes gate og Nordal Bruns gate. Tønnes var atletisk og interessert i alle typer aktiviteter og sport gjennom hele livet. Kristian derimot var liten av vekst, ofte syk og måtte ha briller i ung alder. Han var en bygutt med lite kontakt med slektningene ute på landet. Kristian var interessert i kunnskap og spesielt matematikk, fysikk og kjemi. Foreldrene stimulerte interessene hans og kjøpte bøker. Lommepengene brukte han på verktøy og materialer, for å drive med eksperimenter. Blant annet ble han tidlig interessert i magnetisme, og kjøpte derfor magneter. Allerede som barn hadde han vitenskapelig intuisjon og sa at magnetisme kunne være noe han ville studere senere i livet.
Da faren Reinerts forretninger begynte å gå dårlig, ble faren svært deprimert, og etter dette hadde han liten kontakt med Kristian og resten av familien. Reinert Birkeland døde i 1899 i en alder av 61 år. De siste ti årene av Reinerts liv var det Kristians mor, Inger, som måtte skaffe familien inntekter ved å drive mannens forretning videre.
Et annet kjent familiemedlem var Kristians fetter, Richard Birkeland (1879–1928), som ble utnevnt til professor i matematikk. Senere i livet fikk Kristian hjelp av Richard til å beregne Saturns ringer.
Både Kristian og Richard ble elever ved Aars og Voss Latin- og Realskole. Dette var en av få skoler i Norge hvor ungdommene kunne lese realfag, og lære moderne språk istedenfor latin. Ved Aars og Voss skole hadde han matematikeren Elling Holst (1849–1915) som lærer. Som gymnasiast fikk han publisert to artikler i Tidsskrift for Matematik, som ble utgitt i Danmark. Allerede som 18-åring sendte han noen små artikler til Videnskabsselskabet i Kristiania; en av dem bar tittelen «Om en antall-geometrisk metode». Denne fikk Birkeland utgitt i 1914 sammen med matematikeren Thoralf Skolem (1887–1963), som første del av et større verk med tittel Une méthode énumérative de la géométrie.
Birkeland gjorde skolegangen raskt unna, og ble ferdig ved Aars og Voss skole i 1885, ett år tidligere enn broren. Han fikk toppkarakter i alle realfagene.
Siden Birkeland ikke på noe stadium i livet skrev dagbok, har hans biografer holdt seg til brev, andres dagboknotater og intervjuer med hans assistenter. Det en kjenner til fra hans barndom og skolegang, studier, ekteskap og privatliv er informasjon satt sammen av disse kildene.
Den 2. september 1885, i en alder av 18 år, ble han immatrikulert ved Det Kongelige Fredriks Universitet. Etter de obligatoriske kursene i latin, gresk og filosofi, studerte han kjemi med kjemiprofessoren Peter Waage (1833–1900) som foreleser. Waage trodde først at Birkeland var en doven student, siden han så raskt gjorde ferdig arbeidet sitt, men fant senere ut at han var usedvanlig effektiv. Waage kontaktet foreldrene hans for å få dem til å påvirke sønnen til å studere kjemi.
Birkeland fortsatte imidlertid med matematikkstudier påfølgende år, med sin gamle lærer Holst som foreleser. Holst var da blitt utnevnt til professor, og han ansatte Birkeland som assistent. For å finansiere studiene og understøtte familien, tok Birkeland også ekstraarbeid som ekstralærer ved flere skoler og som privatlærer. Birkeland fikk den beste karakteren (preseterist) på sin reallærereksamen i 1890, som den eneste i sitt kull. Han fikk et anbefalingsbrev fra Holst, der hans uvanlige begavelse innenfor matematikk ble fremhevet. Holst trodde at Birkeland kunne bli en ny Niels Henrik Abel (1802–1829).
Da han begynte som student ved Det Kongelige Fredriks Universitet, hadde han professor Oskar Emil Schiøtz (1846–1925) som foreleser i fysikk. Birkeland hadde under studiene mest kontakt med matematikeren Carl Anton Bjerknes (1825–1903). Han ble også påvirket av astronomen Hans Geelmuyden (1844–1920) og meteorologen Henrik Mohn (1835–1916).
Birkeland fattet stor interesse for den britiske fysikeren James Clerk Maxwells (1831–1879) teorier om elektromagnetiske bølger og de såkalte Maxwells ligninger. Han interesserte seg også for laboratorieforsøkene som den tyske fysikeren Heinrich Rudolf Hertz (1857–1894) hadde beskrevet. Selv om fysikkundervisningen ved universitetet manglet elektromagnetisme i pensumet, valgte han å studere fysikk fremfor matematikk. Dette fordi han regnet det som lettere å studere matematikk på egen hånd.
Birkeland hadde i forbindelse med eksperimenter med elektromagnetisk stråling sett en type stråler som gjorde at han kunne se sine egne knokler i hånden. Dette var noen måneder før Wilhelm Röntgen (1845–1923) annonserte at han hadde oppdaget denne typen stråler i 1885. Kort tid etter at Röntgen hadde publisert sin oppdagelse, bygget Birkeland et røntgenapparat som han demonstrerte som den første i Norge.
Fra sommeren 1890 til slutten av 1892 var han lærer ved sin gamle skole Aars og Voss. Ved siden av var han assistent for professorene Holst og Schiøtz, i tillegg til at han gjorde eksperimenter med radiobølger.
Birkeland giftet seg med lærerinne Ida Augusta Charlotte Hammer i mai 1905. Han hadde blitt kjent med henne under private middager og selskaper. Bryllupet vakte oppsikt fordi hennes religiøse familie ikke hadde møtt hennes tilkommende ektemann, han var yngre enn henne, hadde oppfunnet en kanon – og var i tillegg ateist. Hennes far, som var prest, ble spurt om å forrette, noe han nektet å gjøre. Ingen fra hennes nærmeste familie kom i bryllupet. De ble gift den 15. mai 1905. Birkeland, som ikke brukte å skrive ned avtaler, hadde den samme dagen gjort en avtale om å holde et foredrag for inviterte gjester. Dette oppdaget han ikke før det var for sent å avlyse arrangementet. Dermed måtte han etter endt foredrag hurtig komme seg fra universitetet til Frogner kirke der seremonien fant sted.
Det var ikke tid til noen bryllupsreise, men Birkeland tok med sin nygifte kone til Notodden, der han ledet arbeidet med å sette opp en prøvefabrikk for kunstgjødsel.
Ekteskapet ble ikke lykkelig. De ble separert i 1909, men de hadde sluttet å leve sammen lenge før det. I et brev til sin advokat skriver Birkeland at det var han selv som hadde skylden for at ekteskapet gikk i oppløsning. Birkeland satte av et fond slik at hans fraskilte kone skulle få utbetalt et beløp på 5000 kroner i året så lenge hun levde og var ugift. Dette tilsvarte årslønnen for en professor på denne tiden. Hun forble ugift resten av livet og døde i 1926.
I januar 1893 ble Birkeland ansatt ved Det Kongelige Fredriks Universitet som stipendiat. Etter kort tid ble han tildelt et stipend for å studere i utlandet. Han var interessert i å studere de teoretiske sidene ved Maxwells ligninger, samt radiobølgeutbredelse. Først dro han til Paris og fikk en forskerstilling under fysikeren og matematikeren Henri Poincaré (1854–1912). Poincaré holdt han kontakt med helt til hans død i 1912.
Birkeland var begeistret for Paris, og lærte seg snart fransk. Han leide en liten leilighet hvor vertinnen tok godt vare på ham. Hun klagde på at han arbeidet for mye og sov for lite. I et brev til sin venn Vilhelm Bjerknes (1862–1951) fortalte Birkeland at «jeg har vært i seng i fire dager uten å få sove etter et forferdelig fryseanfall på grunn av for mye arbeid».
Senere tilbrakte han noen måneder i Genève, hvor han arbeidet sammen med fysikerne Edouard Sarasin (1843–1917) og Lucien de la Rive (1834–1924). Spesielt arbeidet han med elektriske utladninger under dette oppholdet. Disse fysikerne hadde han senere i livet både faglig og vennskapelig kontakt med. Birkeland og Sarasin utga sammen to vitenskapelige artikler. Etter dette hadde han et kort studieopphold hos Hertz, som da var en berømt pioner innenfor radiobølgefysikk. Imidlertid døde Hertz kort tid etter at Birkeland kom til Bonn. Birkeland traff litt senere den tyske fysikeren Philipp von Lenard (1862–1947). Samarbeidet mellom dem førte til at Birkeland laget noe han kalte ferrum reductum, som bestod av små jernbiter i parafinolje. Han oppdaget at jernbitene vibrerte i fase med påtrykte radiobølger og fullstendig absorberte deres energi. Birkeland var også et halvt år i Leipzig, hvor han var sammen med den norske matematikeren Sophus Lie (1842–1899), som var professor der.
I 1894 og 1895, mens Birkeland studerte i utlandet, publiserte han ni vitenskapelige artikler. To av disse artiklene om elektromagnetisme fikk stor oppmerksomhet. Hans matematikkunnskaper hjemmefra var et viktig grunnlag, særlig for å løse Maxwells ligninger. Han var spesielt opptatt av hvordan elektromagnetiske bølger brer seg i ledere og i rommet. I 1895 fikk han publisert artikkelen «Solution génerale des Equations de Maxwell pour un milieu absorbent homogéne et isotrope», om løsning av Maxwells ligninger for homogene isotropiske medier. Denne løsningen viste at han på denne tiden var en av de få fysikere som behersket disse ligningene og fant løsningen på et viktig problem. Birkeland fant også et generelt uttrykk for den såkalte Poynting vector, relatert til energioverføring.
I løpet av de to og et halvt årene Birkeland var i utlandet, ble han kjent med noen av datidens mest betydningsfulle fysikere. Birkeland støttet senere i livet unge vitenskapsfolk som ville ha studieopphold i utlandet. Han mente også at det var viktig at unge kandidater arbeidet sammen med forskere i forskjellige grupper.
I oktober 1898 ble han utnevnt til professor i fysikk. Han var den yngste vitenskapelig ansatte ved Det naturvitenskapelige og matematiske fakultet ved Universitetet i Kristiania.
Universitetet i Kristiania var en svært konservativ institusjon på slutten av 1800-tallet. Blant annet hadde universitetet i 1880-årene støttet den svenske kongens rett til å utpeke regjering, uavhengig av hvilket politisk parti som vant valgene. Etter dette ble universitetet ansett som antidemokratisk og elitistisk, og Stortinget kuttet ned bevilgningene. Birkeland var sammen med rektoren Waldemar Brøgger (1851–1940) blant de professorer som ville reformere universitetet. Birkeland hadde etter sine tre år i utlandet forstått at undervisningen i naturvitenskap var provinsiell. Da Birkeland ble professor i fysikk, var det første gangen at universitetet hadde to professorer i dette faget samtidig. Birkelands energi og store arbeidskapasitet virket utmattende og irriterende på mange av hans kolleger. Mange av disse hadde forsonet seg med universitetets svake anseelse. Birkeland var ukomfortabel med universitetets formelle strukturer, men hadde fortrolige venner blant sine kolleger, spesielt professorene Waldemar Brøgger og Fridtjof Nansen (1861–1930).
Birkeland ble i begynnelsen kalt «gutteprofessoren» på grunn av sin unge alder og barnlige utseende. Hans forelesninger var populære og godt besøkt. Mellom ti og tyve fysikkstudenter ble uteksaminert hvert år i Birkelands tid som professor, noe som på denne tiden var et høyt antall. Han ble ansett som en god foreleser, og spesielt likte studentene demonstrasjonene hans. Fra 1903 til 1913 hadde han liten tid til forelesninger, og betalte selv for vikarer.
Han spiste uregelmessig, og hans venner inviterte ham på middag, slik at han skulle få nok mat. Han arbeidet ofte på flere prosjekter samtidig, noe som fikk ham til å arbeide både dag og natt i perioder. Helsen sin brydde han seg lite om. Han hadde en kreativ forestillingsevne, og et sterkt instinkt for å syntetisere store mengder informasjon for å løse vitenskapelige eller tekniske oppgaver.
På mange måter fremstod han også som barnslig naiv. Han fikk økonomisk støtte fra Stortinget for sine forskningsprosjekter, noe som gjorde noen av hans akademiske kolleger misunnelige. Men for Birkeland var det vanskelig å holde på hemmeligheter, og selv de innerste tankene sine kunne han si høyt. Han publiserte også forskningsresultater før han hadde tenkt over konsekvensene. Ofte ble han spurt av journalister om kommentarer på dagsaktuell forskning og teknologi, og da kunne han aldri la være å uttale seg, selv om han da kom i sentrum for offentlige kontroverser. I det daglige var han uorganisert og fraværende, men til tross for dette hadde han mange venner og likte godt selskap med andre.
I 1895 ble radioaktivitet og røntgenstråler oppdaget, noe som ga Birkeland inspirasjon til å finne ut implikasjoner av Maxwells ligninger på utladninger i små vakuumkammere. I forbindelse med dette fikk han frem lysfenomener som lignet på nordlys. Han arbeidet med dette vinteren 1895–1896, da han var tilbake i Kristiania, og kom frem til en ny teori om nordlys. Dette resulterte i fire artikler i 1896, der Birkeland for første gang foreslo at nordlys hadde sitt opphav fra katodestråler, altså ladede partikler, ut fra solflekker. Disse skyldtes prosesser inne i solen. Noen av disse ladede partiklene mente han vil komme inn i jordens magnetfelt og bli ledet mot polarområdene. Dermed skjer det utladninger når partiklene kommer inn i jordens atmosfære, noe som gir synlige lysfenomener. Imidlertid brukte han ikke ordet katodestråler før i 1908, men ut fra hvordan deres baner avbøyes i magnetiske felt, forstod han at de måtte være negativt elektrisk ladet. Med denne utgivelsen i 1896, var det første gang noen kom opp med en slik teori om nordlyset. Han kalte disse partiklene for «en fjerde tilstand for materien». Senere, i 1920-årene, ga Irving Langmuir (1881–1957) denne fjerde tilstanden navnet «plasma».
Katodestråler var første gang frembrakt i laboratorier rundt 1850, i flasker der luften var pumpet ut. Birkeland anvendte også slike flasker og brukte mye tid på dette rundt 1895. På denne tiden var det fortsatt et uavklart spørsmål om katodestrålene var elektromagnetiske bølger eller partikler. Siden elektromagnetiske bølger ikke lar seg påvirke av magnetiske eller elektriske felt, ville Birkeland studere katodestråler i magnetiske felt. Han konstaterte at katodestråler ledes mot magnetiske poler. Denne oppdagelsen ble publisert i artikler på fransk, tysk og engelsk, og ble ansett som svært viktig.
Mellom 1896 og 1898 publiserte Birkeland seks artikler om katodestråler som utsettes for magnetfelter. Blant annet var han den første til å finne ut at graden av avbøyning bare er avhengig av elektrodespenningen, altså spenningen mellom positiv og negativ elektrode, forutsatt konstant magnetisk felt. Birkeland var også i denne tiden opptatt av katodestråler i verdensrommet. Han søkte Stortinget om finansiering av et forsøk på å sende prøveballonger med fotografiske plater opp i atmosfæren for å finne ut hvor dypt ned i atmosfæren disse strekker seg. Dette ble ikke innvilget.
Under disse eksperimentene med katodestråler i 1896 lagde han også kunstige nordlys. Disse artet seg som gassutladninger i katodestrålerør. Han fikk laget et slikt lite rør eller flaske, som han kalte «nordlyskrukke».
Fra 1899 til 1910 fikk han Jørgen Dietrichson (1867–1911) som frivillig assistent. Han var pensjonert gymnasrektor og var svært dedikert til disse praktiske laboratorieundersøkelsene. Blant annet utviklet han metoder for å utvikle mer effektive metoder for å lage katodestråler.
Da Birkeland drev med sine katodestråleksperimenter i 1890-årene, var det ingen som visste hva disse strålene egentlig var. Heller ikke elektrisitet kunne en forklare hva var. Birkeland konkluderte med at katodestrålene måtte være negative ladninger, men han gjorde ikke noe for å måle deres ladning. Joseph John Thomson (1856–1940) holdes for å være den som oppdaget elektronet i 1897. Det finnes imidlertid historikere som argumenterer for at Birkeland og den tyske fysikeren Emil Wiechert (1861–1926) også skulle ha blitt kreditert for denne oppdagelsen.
Nordlysforskningen er det som Birkeland er mest kjent for. Innenfor dette feltet gjorde han nye oppdagelser og fremsatte banebrytende teorier.
I tidligere tider hadde den norske skipperen Johan Heitman (1664–1740) skrevet en bok der det forklares hvordan nordlyset kan brukes som værvarsel. Dette var forøvrig noe fiskere i Nord-Norge i lange tider hadde anvendt.
Den britiske astronomen Edmond Halley (1656–1742) mente nordlyset skyldtes en magnetisk væske som lekket ut fra jorden ved polarområdene. Denne fulgte så jordens magnetfelt opp i atmosfæren, der den lyste opp.
En fransk ekspedisjon ledet av Joseph Paul Gaimard (1796–1858) hadde foretatt målinger ved Kåfjord vinteren 1838–1839. Gruppen hadde bygget fem små hytter for å observere nordlys, måle geomagnetiske felter, samt gjøre meteorologiske og astronomiske målinger. Til tross for at de hadde gjort mange målinger, ble disse aldri analysert. De gjorde samtidig målinger av nordlyset fra to observasjonsteder som befant seg 50 kilometer fra hverandre. Ut fra dette bestemte de nordlysets høyde til 150 km. Men de hadde allikevel større tiltro til målinger foretatt av Jean-Jacques d'Ortous de Mairan (1678–1771), som hadde estimert høyden til 1000 km. Dermed publiserte ikke Gaimard sine målinger.
Langt inn i den moderne tid var nordlyset sett på som et uløst mysterium for naturvitenskapen. Den første som hadde forsøkt å komme opp med en vitenskapelig teori, var den østerrikske polarforskeren Karl Weyprecht (1838–1881), som gjorde forsøk på samtidige observasjoner fra forskjellige observasjonssteder. Mellom 1882 og 1883 ble tolv stasjoner i Arktis og to i Antarktis bemannet, der forskerne både observerte nord- og sørlys samtidig med geomagnetiske målinger. Imidlertid ble målingene foretatt av forskjellige land, slik at systematiske sammenligninger mellom målingene ikke ble utført. Dermed ble det ikke utgitt noen forskningsrapport basert på disse kostbare målingene.
På slutten av 1800-tallet hadde en funnet ut at nordlyset ikke var polarisert, og det kunne dermed ikke dreie seg om et reflektert lys. Dette betydde at selve lyskilden måtte være i atmosfæren. Helt på slutten av århundret var det også blitt utført statistiske analyser som viste at nordlyset vanligvis opptrådte i en sone rundt 2500 km fra magnetpolen. Tidligere hadde en antatt at det var sterkere desto nærmere polen en kom.
Birkeland ledet de første nordlysobservasjonene i 1897 da han var 30 år. Disse ble utført ved Altafjorden, men forskergruppen ble ved et tilfelle utsatt for så sterk snøstorm at de knapt overlevde. Etter å ha holdt på i to uker med bare en eneste observasjon av nordlys, avsluttet Birkeland denne ekspedisjonen. Neste sommer reiste han tilbake til Finnmark for å planlegge den neste ekspedisjonen. Han valgte seg da ut Halddetoppen og Talvik vest for Kåfjord i Finnmark.
I oktober 1899 startet Birkeland innflyttingen i det enkle nordlysobservatoriet han hadde fått bygget på Halddetoppen. Opp til toppen ble det transportert bygningsmaterialer, utstyr og forsyninger med en samlet vekt på 40 tonn. De første deltakerne var studentene Bjørn Helland-Hansen (1877–1957) og Elisar Boye, fysikeren Sem Sæland (1874–1940) og telegrafingeniøren Kristoffer Knudsen. Imidlertid forfrøs Helland-Hansen fingrene sine i uvær på veg opp til Halddetoppen. Han måtte derfor amputere fingrene og ble ikke med på målingene. Boye døde etter at ekspedisjonen var over, da han ble tatt av et snøskred under transport av utstyret ned fra fjellet. Ved denne hendelsen døde også en annen mann som var med fra Kåfjord.
Målingene startet den 1. november 1899, og fortsatte hele vinteren. Stedet ble valgt fordi nordlys forekommer oftere her enn andre steder i landet. Det barske klimaet gjorde stedet farlig, men Birkeland ville underbygge en teori om nordlyset som ville forkaste etablerte teorier om solsystemet og jorden. Haldetoppen hadde blitt valgt fordi den var høytliggende, nærmere 1000 meter over havet, utsikten var uhindret av vegetasjon og bygninger, og det var ikke elektrisk belysning i nærheten eller luftforurensning. Fra observatoriet kunne de se 1000 km fra horisont til horisont. For å kunne anslå nordlysets høyde var det også anlagt en annen hytte på fjellet Talvik, rundt 3,4 km unna. Med en observatør på dette stedet kunne de måle nordlyset i forhold til stjernene fra to punkter, slik at enkle geometriske beregninger kunne gi dem høyden. Det var satt opp en telefonlinje mellom de to observatoriene for å få synkrone målinger.
De hadde med seg en vindmåler for å finne ut om spesielle værforhold var knyttet til nordlyset. De bragte også med seg et elektrometer (en mer avansert utgave av et elektroskop) for å studere elektriske forhold i atmosfæren. Elektriske forhold var tidligere blitt studert i forbindelse med tordenvær, men ikke under nordlysaktivitet. Et annet instrument var et termometer, for å bekrefte eller avsanne om nordlyset er mer intenst ved kaldere vær. Dette var det på denne tiden mange folkelige oppfatninger om. Videre hadde de et barometer og et hygrometer, samt en værballong for å måle vindstyrken opptil 2000 meter over bakken. De hadde også et kamera i hvert av observatoriene som kunne ta bilder synkront. Det viktigste instrumentet var et såkalt magnetometer som kunne registrere endringer av jordens magnetfelt både i styrke og retning. Magnetometret kunne måle feltets styrke i vertikale og horisontale retninger (x-, y- og z-retning). Målingene skulle gjøres flere ganger i døgnet, men når nordlyset viste seg, ble det foretatt kontinuerlige observasjoner.
En av de mange tingene de skulle undersøke, var om den finske geologen Selim Lemström (1838–1904) hadde rett i sitt utsagn om at nordlyset reiser seg opp fra spisse fjelltopper, samt at det kan gå helt ned til bakken. Ut fra dette skulle Birkeland kunne se nordlys også nedenfor observatoriet på Haldde. Målingene skulle videre prøve omstridte oppfatninger, som at nordlyset avgir en knitrende lyd, at det får håret til å reise seg, at det forårsaker hodepine og om det forekommer på dagtid.
Nordlys ble nordpå kalt for vindlys eller værlys, fordi det var en utbredt oppfatning av man at det kunne spå været. Birkeland var interessert i å finne ut om det virkelig var en sammenheng mellom nordlysaktivitet og kommende vær, fordi dette kunne være nyttig kunnskap. I sin søknad til Stortinget forklarte han at dette var en viktig del av de vitenskapelige undersøkelsene. Han mente nok ikke at det var av stor vitenskapelig betydning for teorien hans om nordlysets natur, men regnet med at det var viktig å legge til for å få finansieringer. Dermed kalte han studien for «Ekspedisjon for å studere nordlys, jordmagnetisme og skydannelse». I tillegg spilte han på nasjonalfølelsen i søknaden til Stortinget: «Det er selvsagt mulig å samarbeide med utenlandske forskere og videreføre ekspedisjonen uten ytterligere finansiering fra den norske stat. Men jeg nøler med å gå til det skritt, da jeg anser undersøkelsene som så viktige at jeg helst skulle sett at de var norske.»
Birkeland fikk bevilget 12 000 kroner til ekspedisjonen, inkludert bygninger og utstyr. Dette var det dobbelte av årslønnen hans. Imidlertid ignorerte han økonomioppfølgingen i prosjektet. Han mistet papirlappene der han hadde summert kostnader for utstyr, men hadde stadig behov for mer utstyr. Dermed fikk han mange purringer om å oppgi eksakte regnskaper, men istedenfor sendte han søknader om mer penger. Biografen Jago mener at han sannsynligvis aldri sendte noe regnskap, men at han håpet på mer penger til ekspedisjonen ved å distrahere departementet og lokke Stortinget til å bevilge mer penger, ved å sende meldinger om fremskritt i forskningen innenfor værvarsling. Biografene Egeland og Burke mener at ekspedisjonen heller ikke var godt planlagt finansielt. Den samlede summen for ekspedisjonen kom på 38 297 kroner, tre ganger mer enn det opprinnelige estimatet. Myndighetene var imidlertid fornøyd med det vitenskapelige utbyttet av ekspedisjonen.
Birkeland håpet at nordlysobservatoriet skulle bli permanent, noe det også ble. Birkeland brukte delvis egne midler for å få et stort observatorium bygget. Fra 1912 til 1926 var det permanent bemanning på Haldde.
Birkeland og hans assistenter fikk snart bekreftet at nordlyset ikke berører bakken, men at de laveste delene kommer ned til rundt 100 km over bakken. De konstaterte dessuten at det ikke svir håret eller kroppsdeler, samt at det heller ikke forårsaker hodepine. De bekreftet den gamle oppfatningen om at nordlyset er mest aktivt i lave temperaturer.
I lange perioder hadde de svært dårlig vær, slik at de ikke kunne gjøre noen observasjoner. Det ble dermed god tid for Birkeland til å studere resultatene de allerede hadde fått. Han satt oppe natt etter natt, og arbeidet med dette. Samtidig var de andre deltagerne i dårlig humør av å være innesperret i den mørke hytten dag etter dag. En ting de hadde klare observasjoner av, var at jordens magnetfeltet alltid ble tydelig forstyrret, samtidig med at det var nordlysaktivitet. Flere år tidligere hadde han fått en idé om at det var en sammenheng mellom solflekkaktivitet og nordlys. Han hadde publisert en artikkel med tittelen «Solpletter og Nordlys. Et bud fra Solen» Imidlertid var det flere andre forskere som avviste dette fordi nordlys forekom uten solflekkaktivitet, og omvendt. Dessuten mente mange at elektriske partikler fra solen ikke kunne nå jorden over en så stor distanse.
Birkeland og hans medhjelpere hadde feiret jul hos gruvedirektør Anders Quale nede i Kåfjord. Her hadde han sett på kraftstasjonen som var satt opp, og ga elektrisk lys. Quale fortalte om utfordringen med elektriske brytere i forbindelse med elektrisitetsproduksjon, spesielt ulykker når bryterne skulle bryte store strømmer.
Birkeland tenkte på kraftstasjonen og på ting han hadde lest, til han ble helt utmattet i stormnettene i januar. Plutselig en kveld slo en tanke ned i hodet hans, og han ble overbevist om at hans opprinnelige tanke var riktig: Nordlyset dannes ved at elektroner slynges ut fra solen som konsentrerte stråler i tilfeldige retninger. Det er dette som kalles katodestråler. Disse treffer av og til jordens magnetfelter, og følger dens feltlinjer mot nord. Her kommer elektronstrømmene ned i lavere deler av atmosfæren hvor de kolliderer med atomer. Energien fra kollisjonene skaper lysemisjon, altså nordlys. Dette forklarer også hvorfor jordens magnetfelt blir forstyrret: Forstyrrelsene skjer ved at elektronene, som kommer i stor hastighet, skaper egne magnetfelt som påvirker jordmagnetismen. At katodestrålene fra solen sendes ut som konsentrerte stråler, forklarer også hvorfor det kan være solflekkaktivitet uten at det er nordlys: Ofte vil slike katodestråler fare ut i verdensrommet uten å treffe jorden.
Etter ekspedisjonen på Haldde var motviljen mot Birkeland hardnet til blant flere av de andre professorene. Det kom kritikk mot det som ble omtalt som en dumdristig ekspedisjon der en talentfull ung mann hadde omkommet. Noen eldre professorer mente at Birkeland var for ung til å lede så kostbare ekspedisjoner. Dessuten var hans vidløftige prosjekter kostbare, og tappet budsjettene for store pengesummer. Til tross for dette hadde han også flere beundrere, blant andre den eksentriske geologen og politikeren Amund Helland (1846–1918). Helland var også en nær venn av Birkeland.
Sem Sæland ble ansatt som forskningsassistent for Birkeland, for at han skulle analysere måledataene. De to utga en artikkel med tittelen «Nordlysekspedisjonene» i Elektroteknisk tidsskrift i oktober 1900. Senere publiserte Birkeland en mer detaljert artikkel i et fransk tidsskrift. Resultater fra målingene i Nord-Norge ble presentert, i tillegg til noen samtidige magnetfeltmålinger fra Potsdam i Tyskland. Her ble også opphavet til de magnetiske stormene forklart.
Birkeland bosatte seg på denne tiden på Lysaker, hvor flere intellektuelle også bodde. Blant disse var det mange som arbeidet for en ny norsk identitet og løsrivelse fra unionen med Sverige. Det dreide seg blant andre om Fridtjof Nansen, som mente at også en liten nasjon som Norge, måtte hevde seg kulturelt på flest mulig felter. Også Birkeland ivret for Norges uavhengighet, og var overbevist om at hans nordlysforskning kunne bane vei for større nasjonal ære.
Birkeland mente at det var viktig både for andre forskere og det alminnelige publikum å få presentert resultatene fra forskningen på nordlyset. Han fikk dermed en avtale med sjefsredaktør Jacob Dybwad (1823–1899), som på denne tiden var en av noen få forleggere som hjalp til med vitenskapelige utgivelser. De ble enige om å utgi en bok om ekspedisjonen, med tittelen Den norske aurora borealis ekspedisjonen 1899–1900. Fordi en anså det norske publikummet som kunne vært interessert i boken til å være begrenset, ble boken utgitt på fransk. Dette var i tillegg et språk Birkeland behersket. Boken inneholdt de første kartlegginger av elektriske strømmer i polarområdene, basert på bakkemålinger av magnetfelter. Birkeland skrev at nordlys og de tilhørende elektriske strømmene best kunne beskrives ved hjelp av et koordinatsystem som forholdt seg relativt til solen. Han hadde utarbeidet et kart som viste hvordan nordlyset oppstår i et mønster, med to celler. I nyere tid har satellitt- og bakkemålinger påvist at den ioniserte strømmen virkelig følger et slikt to-cellemønster.
Boken ble utgitt våren 1901. Dette ble fulgt opp av avisene i Norge, som skrev artikler om at nordlysgåten var løst. Birkeland selv skrev avisartikler, som på en popularisert måte forklarte fysikken bak fenomenet. Hans anseelse økte, og han holdt flere vitenskapelige forelesninger om nordlyset. Imidlertid ble boken og hans teori dårlig mottatt i Storbritannia. Det britiske Royal Societys tidsskrift Philosophical Transactions of the Royal Society angrep boken og mente at teoriene var fundamentalt feilbegrunnet. Britiske forskere mente nemlig at verdensrommet var tomt vakuum.
Royal Society hadde i mange år hatt den fremstående matematikeren, fysikeren og ingeniøren Lord Kelvin (1824–1907) som sin leder. Kelvin hadde nærmest som en slengbemerkning i 1892, avfeid at det skulle være noen som helst forbindelse mellom jordens magnetisme og solflekker, eller andre aktiviteter på eller i nærheten av solen. På grunn av Kelvins store anseelse ville få forskere komme med innvendinger mot hans tidligere uttalelser. Birkeland var svært skuffet over denne avvisningen fra britisk side. Motvillig måtte han innse at britene vurderte hans forskning som ubetydelige aktiviteter i et beskjedent fysikkinstitutt, ved et ordinært universitet i en liten svensk koloni.
Birkeland tok raskt opp en ide om en ny og større forskningsekspedisjon. Denne gangen ville han ha fire observatorier på forskjellige steder i polarområdene. En av dem skulle være et stykke nord for nordlyssonen, de andre spredt og langsetter sonen. Han ble oppslukt av denne ideen, men til tross for at boken hans hadde gitt han et godt ry i Norge, var nå Stortinget blitt meget skeptisk. Hans håpløse håndtering av finansene ved den første ekspedisjonen var ikke glemt. Han skjønte også selv at dette ryktet ikke var ufortjent, han var uvøren med både egne penger og universitetets verdier. Av og til brukte han sin egen lønn til å kjøpe instrumenter til universitetet, uten å tenke videre over det.
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.
Ved disse målingene ble det også sendt ut anmodninger til observatorier rundt om i verden, om å bistå med målinger av magnetisk aktivitet i jordatmosfæren. Disse målingene skulle gjøres på visse datoer og tidspunkter.
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.
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.
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. Det andre bindet 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.
Etter 1906 hadde Birkeland hatt flere rolige år med utvikling av sine nordlysteorier. Våren 1910 hadde han arbeidet en intens periode for Norsk Hydro, der det gjaldt å forbedre den såkalte kunstgjødselsovnen. Dette året hadde hans kone forlatt ham, noe som fikk ham til å arbeide enda mer intenst enn før. Forsøkene på laboratoriet lot ham stenge problemene ute. Det ble ofte til at han ikke gikk hjem etter endt arbeidsdag, men sov på kontoret etter å ha drukket whisky og inntatt noen korn Veronal. Han fikk ansatt flere assistenter for å bearbeide resultatene fra nordlysekspedisjonen 1902–03 for å utgi annet bind i serien Aura Polaris. Et annet lyspunkt var at Stortinget hadde bevilget midler slik at observatoriet på Haldde ble en permanent stasjon for nordlysobservasjoner og meteorologi.
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.
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.
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.
I Egypt fikk Birkeland adgang til det Khedivialske astronomiske observatorium i Helwan, som ble ledet av den engelske astronomen Harold Knox-Shaw (1885–1970). Knox-Shaw mente at dette kunne være til hjelp for å måle variasjoner i zodiakallysets styrke. Birkeland tok da i bruk en fotocelle, en oppfinnelse som på denne tiden var helt ny. Fordelen med fotocellen var dens følsomhet, som var 100 ganger sterkere enn fotografiske plater. Birkeland fortalte at hans egentlige hensikt var å bevise at solen sendte ut elektroner som igjen forårsaket magnetstormer, nordlys og zodiakallys. Knox-Shaw stilte seg tvilende til at solen virkelig sendte ut elektroner, noe som forarget Birkeland. Heller ikke i Egypt, fjernt fra England og Royal Society, slapp han unna disse oppfatningene. Heldigvis var Knox-Shaw ung, hadde et åpent sinn og hadde god greie på elektromagnetisme, siden han hadde forsket på stjernetåker.
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.
Da første verdenskrig brøt ut, reiste Solem så raskt han kunne tilbake til Norge, mens Birkeland bestemte seg for å bli værende. Etter at Solem reiste, ble det kun Karl Devik og Birkeland som arbeidet sammen. Når de var oppe om natten, ble det til at Devik sov helt frem til lunsj, men da var allerede Birkeland i aktivitet. Birkeland var utålmodig og ville at Devik skulle arbeide like hektisk som han selv gjorde. Når Birkeland var riktig irritabel ble hans assistent beskyldt for å være ubehjelpelig og vanskelig med vilje.
Birkeland kjøpte i 1915 «Villa Mea»; han ville både bo og arbeide der. Han brukte mye tid og penger på å sette det i stand. I februar 1916 ble Karl Devik kalt hjem til Norge for å gjøre militærtjeneste. Deretter ble Birkeland 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.
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.
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 .
Etter det mislykkede forsøket med strømbryteren, hadde Birkeland fått en idé om at solenoidene kunne benyttes til å slynge ut prosjektiler i stor fart, med andre ord kunne dette utnyttes i en elektromagnetisk kanon. Han gikk i gang med eksperimenter med dette på sitt kontor. Med Sæland som assistent arbeidet han i ti intense dager. Han sa ikke et ord om hva slags hensikt han hadde med sin oppfinnelse, før han en ettermiddag i midten av september 1901 gikk til Alfred Bryns patentkontor med en patentsøknad. Birkelands patent på en elektrisk kanon ble registrert den 16. september 1901 med patentnummer 11201, og med tittelen «Birkelands Elektromagnetiske Kanon». Med dette øynet han store muligheter for å utvikle en industri som ville gi ham alle de inntekter nordlysforskningen kunne trenge.
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.
På ettermiddagen den 6. mars 1903 innkalte Birkeland et stort publikum fra næringsliv, finansinstitusjoner, politikk og statsforvaltning til en gallaforestilling i universitetets Gamle Festsal. Blant gjestene var Gunnar Knudsen og Nansen, samt representanter fra våpenprodusentene Krupp og Armstrong. Dette var første gang den elektriske kanonen ble demonstrert for et stort publikum. Han håpet å få samlet inn en kapital på 50 000 kr for å utvikle et enda større våpen som kunne sende ut missiler på opptil to tonn. Den ville da fungere som en torpedo som kunne installeres på skip der det var mulig med tilgang på store generatorer til å drive den. Med bakgrunn i det stadig mer intense våpenkappløpet mellom stormaktene, spesielt Storbritannia og Tyskland, anså han at interessentene ville være mange.
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.
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.
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.»
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.
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.
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.
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.
Under testen var også de tyske ingeniørene ankommet for å teste sin ovnskonstruksjon. De to gruppene av ingeniører holdt seg for seg selv, også under måltidene. Slik som konkurransen var satt opp, var det tillatt at maskinene ble justert eller reparert under testen. Konkurransen startet klokken fire på ettermiddagen og det var alltid noen til stede, av frykt for sabotasje fra det konkurrerende laget. Neste morgen ankom Eyde med noen aksjonærer og styremedlemmer, samt to uavhengige observatører. Observatørene stilte tekniske spørsmål, men var ellers avmålte. Klokken fire ble testen avsluttet, deretter ble mengden salpeter målt og elektrisitetsforbruket avlest. Senere på kvelden kom resultatet fra observatørene, deres vurdering var at testen var uavgjort. Birkelands ovn var litt mer effektiv enn den tyske, men den tyske ovnens såkalte absorberingssystem var noe bedre.
Imidlertid viste det seg at de tyske ingeniørene var rasende over at Birkeland hadde økt størrelsen på ovnen. Birkeland på sin side mente at dette var det ikke satt noen regler for. Avgjørelsen ble at 4/5-deler av ovnene i den nye salpeterfabrikken skulle være av den tyske typen, og de resterende av Birkelands type. Birkeland ble svært forbauset og krevde en forklaring. Eydes forklaring var at Birkeland ikke hadde gjort noen feil med å øke ovnsstørrelsen i siste liten, men at dette var en etisk feil. Birkeland forstod etter dette at Eyde hele tiden hadde forventet at den norske ovnen ville gå tapende ut av konkurransen. At Eyde hadde valgt å la Birkeland lede forsøket, og ikke Næss, betydde at han ville gi Birkeland skammen over at hans ovn ble utkonkurrert. Birkeland ble nedslått da han forstod at han egentlig var blitt tilkalt for å arbeide dag og natt, bare for å bli syndebukk for Eyde.
På grunn av de storpolitiske forholdene ble Birkeland–Eyde-prosessen valgt til de nye produksjonsanleggene på Rjukan. Birkeland visste derfor at han ikke kunne ta så stor personlig ære for valget, men han fikk uansett sitt konsulenthonorar øket til 22 000 kroner per år. Han fikk også over 200 000 kroner etter at han solgte aksjene i Norsk Hydro. Dette utgjorde mer enn 40 ganger hans årlige professorgasje. Uansett kunne han glede seg over at valget av Birkeland-ovnen ble omtalt i avisene og forsterket æresfølelsen til den unge norske nasjonen. Samtidig med at Roald Amundsen (1872–1928) vant kappløpet om Sørpolen, var også Birkeland en fremtredende figur nasjonalt.
Norsk Hydro hadde innen 1912 investert over 100 millioner kroner i sine fabrikker i Telemark, like mye som Norges statsbudsjett på denne tiden. Gjødselen ble kalt norgessalpeter og takket være store vannkraftressurser kunne dette produseres i store mengder og eksporteres.
Birkeland–Eyde-prosessen var relativt ineffektiv med hensyn til energiforbruk. Derfor ble den gradvis erstattet i Norge av Haber–Bosch-prosessen, og rundt 1940 var Birkeland–Eyde-prosessen ikke lenger i bruk.
Selv om Birkeland arbeidet svært mye, fortalte assistentene hans om at han kunne returnere til laboratoriet etter en luftetur, med hatten bak i nakken og oppglødd over nye ideer eller oppfinnelser. Spesielt under uttesting av fettherding klaget de andre professorene på den grusomme stanken som spredde seg ut over universitetet. Dessuten var de ikke fornøyd med at han hadde tatt en halv forelesningssal til sin forskningsvirksomhet.
Birkeland sendte i 1906 to brev til Wallenberg-brødrene, hvor han foreslo at de skulle investere i et forsøksprosjekt som skulle lede til praktisk bruk av kjernekraft. Dette var før den newzealandske fysikeren Ernest Rutherford (1871–1937) hadde vist at atomer består av en kjerne med elektroner som kretser rundt den. Det var også flere år før Niels Bohr (1885–1962) hadde kommet frem til sin teori om atomenergi, og før Albert Einstein (1879–1955) hadde publisert sin teori om sammenhengen mellom energi og masse. Birkeland håpet at Wallenberg-brødrene ville finansiere hans prosjekt med 100 000 kroner, i tillegg til en årlig lønn på 20 000 kroner til ham selv. Marcus Wallenberg innså at Birkelands idé var gigantisk, men han avslo å gi noen finansiell støtte til dette, før han fikk noen avkastning fra prosjektet med kunstgjødselproduksjon.
Birkeland og Olav Devik gjorde noen forsøk sommeren 1912, med et mulig system for fremdrift av romfartøyer. I franske aviser var det på denne tiden artikler om hvordan fremtidige romfartøyer kunne drives frem i det tomme verdensrommet, når det ikke finnes noe som kan skyves på. Birkeland mente at dette ikke kunne være noe problem, det var bare å anvende reaksjonskraften fra en elektrode som sender ut en katodestråle. Han var fornøyd med eksperimentet, og mente at fremtidige romfartøyer ville bruke dette konseptet. I dag er det kjent som ionemotorer.
Rundt 1906 ble Birkelands interessert i telegraf- og telefonsystemer. Han mente at den elektriske lysbueovnenen som han hadde utviklet, kunne benyttes som del av en senderkrets for radiobølger. Han tok ut syv patenter relatert til dette, og fikk tillatelse til å montere en antenne på 15 meter på taket av universitetet. En mottager som ble montert opp i Frognerkilen, tok imot signaler. Eksperimentene ble omtalt i utenlandsk presse, men Birkeland var misfornøyd med resultatene. Han ville fortsette eksperimentene, men døde innen det var mulig.
Margarin kan produseres med utgangspunkt i hvalolje, noe som Norge hadde rikelig tilgang til via hvalfangst. En stor fabrikk ble planlagt i Sandefjord, men en utenlandsk investor kjøpte opp selskapets aksjer før byggingen skulle startes; han nektet bruk av Birkelands patent for produksjon.
Birkeland hadde fra 30-årsalderen alvorlig hørselstap som utviklet seg til det verre. Han hadde eksperimentert med utvikling av høreapparater, og søkt om patent.
Vinteren 1915–1916, da han var i Egypt, fikk han en idé om at torskeegg kunne brukes til å fremstille kaviar. Han fikk ideen da han fikk en oppskrift på tyrkisk kaviar som han modifiserte. Et norsk firma ble interessert i ideen, men på grunn av første verdenskrig ble videre samarbeid vanskelig.
Under sitt opphold i Egypt la Birkeland merke til turister som solte seg, og mente at solstrålene var helsebringende. Han tenkte at stråling fra radioaktive materialer ville være enda mer effektivt. Dermed kontaktet han kjemikeren Ellen Gleditsch (1879–1968) som hadde arbeidet med den polske kjemikeren og fysikeren Marie Curie (1867–1934) i Paris. Gleditsch var ekspert på radioaktiv stråling, og tidligere hadde Birkeland arbeidet for at hun skulle få et professorat i Norge, noe hun også fikk. Birkeland sendte brev til henne om et samarbeid om mulige metoder for strålebehandling i medisinsk sammenheng, men på grunn av verdenskrigen ble kommunikasjonen dem imellom nærmest umulig.
Birkelands helse ble mye dårligere rundt 1910, han fikk blant annet hjerteproblemer. I tillegg var han delvis døv på grunn av støyende eksperimenter med radiobølger.
En har spekulert på om Birkeland led av kronisk kvikksølvforgiftning. Vakuumpumpene som ble brukt i forbindelse med terrellaforsøkene, brukte kvikksølv som tettinger. Biografene Egeland og Burke har fått Birkelands håndskrift fra forskjellige faser av livet undersøkt av en lege. Det har ikke resultert i noen klar bekreftelse av kvikksølvforgiftning.
Birkelands plutselige død i Tokyo er omgitt av uklarheter. Hans biografer har bare noen få brev å forholde seg til, og spesielt Olaf Deviks arkiv, i tillegg til en japansk professor som skrev et lite notat med tittelen Death of Professor B.(«Professor B's død»)
Da Birkeland var i Egypt, skrev han et brev til de britiske fysikerne Lord Rayleigh (1842–1919) og Richard Glazebrook (1854–1935), som var medlemmer av komiteen for undersøkelser av oppfinnelser til bruk i krig. Disse hadde han møtt tidligere, og nå ville han igjen spørre om det var interesse for den elektriske kanonen han hadde patentert. Imidlertid var Birkeland nå bekymret for den militære tilspissingen mellom de europeiske maktene. Han var redd for at han selv kunne bli betraktet som en trussel, fordi han fritt kunne tilby sin oppfinnelse til den nasjonen han ville. Imidlertid hadde han vurdert at det var minst risiko for at våpenet kunne bli anvendt mot Norge ved å selge patentene til Storbritannia. Tross alt var Norge tilknyttet Storbritannia via dronning Maud.
Birkeland fikk svar på brevene, der Rayleigh og Glazebrook lovet å huske den elektriske kanonen, men de ville ikke inngå noen konkret avtale. De skrev at våpenet var for avansert, eksperimentelt og kostbart å utvikle. Dessuten hadde det ikke vært en større krig mellom de europeiske landene på over 100 år, og de våpnene en hadde, var tilstrekkelige.
Til tross for at oppholdet i Egypt bød på varmt klima og interessante oppgaver, ble Birkelands helse stadig verre. På grunn av at målingene av zodiakallyset måtte skje om natten ble han søvnløs, nervøs og oppfarende. I tillegg drakk han stadig mer, spesielt whisky. Nå ble hans fra før utydelige håndskrift, nesten uleselig. Veronal hadde han heller ikke greid å slutte å bruke. Birkeland skyldte på sitt tidligere arbeid hos Norsk Hydro som årsaken til lidelsene. Birkeland fikk også nyheter hjemmefra om at Eyde arbeidet hardt for å få Nobelprisen i kjemi. Birkelands bror refererte i et brev til rykter om at Eyde egentlig gjorde dette for å blokkere muligheten for at Birkeland skulle få prisen. Eyde holdt i tillegg en rekke foredrag i Sverige der han presenterte seg selv som oppfinner av Birkeland–Eyde-prosessen.
Eyde fikk også anledning til selvros i en artikkel i en bok som ble utgitt i 1915 med tittelen Opfindernes liv. Denne artikkelen fikk Birkeland tilsendt hjemmefra, og han ble forbitret over å se at Eyde fremstilte det slik at hans prosjekter ble «en suksess fordi han brukte unge ingeniører uten erfaring», mens Birkelands bidrag til Norsk Hydro var utelatt. Som motsvar på Eides forsøk på å ta æren for Birkelands bragder fikk han publisert et innlegg i Aftenposten.
Birkeland ble alene i Egypt etter at Karl Devik måtte reise tilbake til Norge. Devik var på denne tiden blitt hans fortrolige venn. For å lette hjemlengselen skrev han mange brev, men på grunn av verdenskrigen ble postgangen problematisk. Han ble allikevel mistenksom fordi han fikk så få svar. Han ble også mer og mer mistenksom overfor sitt tjenerskap og andre mennesker rundt seg. På grunn av krigen og hans patent på den elektriske kanonen, ble han overbevist om at han kunne være mål for spionasje, og at sikkerheten hans var i fare.
Noen forespørsler fikk han også i løpet av 1916, men ingen konkrete spørsmål om kjøp av rettigheter. Fordi han trodde at engelskmennene vil stjele patentene og tegningene, fikk han installert en safe i villaen. I tillegg skaffet han seg vakthunder og to pistoler. Mistenksomheten til bygningsarbeiderne som bygde om villaen ble så stor at han avskjediget disse. På høsten 1916 fant han ut at han heller ikke kunne stole på tjenerne sine, så de ble også oppsagt.
Birkeland fikk uventet et brev i november 1916 fra britiske militære myndigheter, der de uttrykte ønske om å få forklart prinsippene om den elektriske kanonen. Etter dette arbeidet han iherdig med å få utarbeidet tegninger, samt med å finne noen som kunne lage en demonstrasjonsmodell. Om nettene arbeidet han med å forbedre utstyret for å studere zodiakallyset. Han arbeidet intenst og alene i det store halvferdige huset han hadde kjøpt, og økte inntaket av whisky, kaffe og Veronal. Fødselsdagen da han fylte 49 år tilbrakte han alene, og det kom heller ingen brev eller telegrammer i anledning dagen. Dagen etter sendte han et telegram til Karl Devik der det stod: «Birkeland vil Karl skal komme til Tokyo». Ingen videre forklaring ble gitt, og det hadde heller aldri vært diskutert noen reise til Det fjerne østen. På slutten av året var Birkeland blitt for syk til å bo alene, og han reiste til Kairo. Her fikk han bo hos den danske konsul Eriksens familie, som han var blitt kjent med. De hadde tatt hånd om ham etter at han var blitt helt søvnløs, og ikke spiste.
Etter at Birkeland kom blant venner i Kairo, begynte han å få humøret tilbake, og han tok til seg mat og fikk nok søvn. Han begynte der å tenke på å dra hjem til Norge, til sin femtiårsdag. Han skrev til Helland i desember 1916: «Uavhengig av hva som hender vil jeg ikke tilbringe en sommer til i Egypt». Imidlertid var det for farlig å reise via Storbritannia, så Eriksen overtalte ham til å reise via Asia og Russland med den transsibirske jernbane. Eriksen tilbød seg også å reise sammen med ham. Den 10. mars 1918 dro de av gårde.
Birkeland og Eriksen ankom Tokyo 3. april 1917. Planen var å bli der i ti dager, men plutselig endret Birkeland mening. Eriksen måtte reise videre, og frarådet Birkeland å bli igjen i Japan. Birkeland sa at han heller ville bli i Japan enn å reise til kulden og mørket i Norge.
Birkeland fant det nødvendig å låne en utgave av sin bok The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–03 for å slå opp noen tall. Han dro til Tokyo keiserlige universitet (i dag Universitetet i Tokyo), men biblioteket hadde ennå ikke fått noe eksemplar. Ved en tilfeldighet oppdaget fysikkprofessoren Torahiko Terada (1878–1935) at Birkeland uventet var på universitetet. Terada hadde ti år tidligere vært i Kristiania og truffet Birkeland, derfor kjente Terada ham øyeblikkelig igjen. Birkeland var svært skuffet over at boken hans ikke var i samlingen, men Terada tilbød ham å låne utstyr ved universitetet. Dessuten ble han introdusert for fysikerne Hantaro Nagaoka (1865–1950) og Tanakadate Aikitsu (1856–1952). Teradas forskningsfelt var raske geomagnetiske variasjoner, et felt som ikke var langt unna det Birkeland arbeidet med. Birkeland ble smigret over å finne ut at de japanske vitenskapsmennene var godt kjent med hans forskning. Terada la merke til at Birkeland hadde endret seg mye siden han traff ham første gang i Kristiania. Terada beskrev ham som sløv og apatisk.
Birkeland fant ut at han kunne drive med interessante studier i Japan, dessuten ble han kjent med den norske konsulen Anker som bodde i Hakone. Allerede da Eriksen og Birkeland ankom Tokyo hadde de kontaktet den norske ambassaden. Eriksen hadde snakket med Anker om Birkelands helsetilstand og at han kunne trenge at noen tok seg av ham. Birkeland tok inn på Hotell Seiyoken i Tokyo. Herfra kunne han gå til universitetet hver dag. Han snakket mye med Terada om sin komplette kosmogoni. Terada beskrev senere at «...det ble tydeligere og tydeligere for meg at Birkeland på et eller annet vis var melankolsk og svært nervøs. Han virket febrilsk, og mens han snakket, tørket han stadig bort svette fra pannen...»
Sommeren 1917 var Birkeland i rundt to uker nesten hele tiden inne på sitt hotellværelse. Han skrev som besatt på en avhandling, og kollapset til slutt på sengen. Da han kom til seg selv, tilkalte han Terada med beskjed om at han hadde noe å fortelle som ville ta lang tid. Birkeland lå i sengen med pyjamas da Terada ankom, og unnskyldte seg for det, men sa at han var utslitt. Så fortalte Birkeland Terada at han hadde oppfunnet en elektrisk kanon, men at videre utvikling av den hadde blitt avslått av både franske og britiske myndigheter. Etter det hadde han følt seg forfulgt av britiske spioner. Birkeland fortalte endog at noen hadde prøvd å skyte ham ute i ørkenen i Egypt. Etter dette hadde han bestemt seg for å dra hjem til Norge via orienten, men på skipet hadde han følelsen av at det var en spion som fulgte med. Også i Japan følte han seg skygget, og at hotellet var det eneste stedet han slapp unna, enn så lenge. Etter at Birkeland hadde fortalt Terada sin historie, lukket han øynene utmattet. Terada visste ikke om han skulle ta dette bokstavelig, men det var krig, og at en fysikkprofessor kunne bli forfulgt var kanskje ikke så merkelig. Men om noen ville drepe ham, hvorfor skulle de forfølge ham helt til Japan, i Egypt ville det tross alt vært enklere?
Terada lurte på om Birkeland var syk og hadde ubegrunnet frykt, eller om han virkelig var forfulgt. Han kontaktet derfor en venn som var lege. Legen undersøkte Birkeland og oppdaget hans skadelige inntak av Veronal. Legen ga ham kaliumbromid i stedet for Veronal, men senere insisterte Birkeland på at han måtte få en liten dose Veronal, noe han også fikk.
Den 16. juni fikk Terada beskjed om at Birkeland var alvorlig syk, han fikk med seg sin legevenn, og de dro straks for å se til Birkeland. På hotellrommet fant de Birkeland død. På nattbordet lå en pistol og et glass med rester etter et hvit pulver. En ung tjener forklarte til politiet at han hadde blitt sendt ut av Birkeland for å skaffe Veronal, til tross for at tjeneren hadde advart mot at det var helseskadelig. Birkeland insisterte uansett. Det ble forsøkt gjenopplivning, men «alt var forgjeves og vi klarte ikke å vekke den verdensberømte professoren fra sin søvn.»
Terada beskrev det som videre skjedde: «På bordet i hjørnet lå en bunke papirer som lignet utkast til en avhandling; så, det var her han hadde sittet hver dag og skrevet på dette manuskriptet, tenkte jeg, og tok opp et ark for å se på det. Da professor Nagaoka merket det, løp han bort til meg, rev arket ut av hendene mine, og ropte på tjeneren om å pakke det sammen. Så ga han pakken til konsulen og bad ham høytidelig om å forsegle det og få det sendt til det norske universitetet.»
Den offisielle dødsårsaken ble registrert som hjerteinfarkt. Biografene Egeland og Burke mener at Birkelands mentale tilstand, og om han eventuelt begikk selvmord, er umulig å fastslå. Under sitt opphold i Japan hadde han kjøpt flere kostbare ting, blant annet pyntegjenstander, en dress og en frakk. Han arbeidet også meget intenst, noe som ikke indikerte planer om selvmord. Overdosen av Veronal kunne like godt være en feilberegning.
Det kom beskjed fra Birkelands bror om at Birkelands lik skulle kremeres og asken sendes til Kristiania, når krigen var over. Det ble foretatt en obduksjon som fastslo at Birkeland hadde tatt en dose på 10 gram Veronal, mens den anbefalte dosen bare var 0,5 gram.
Nagaoka overlot Birkelands papirer til kapteinen på DS «Peking». Det svenske dampskipet forlot sørspissen av Japan den 31. august 1919 med kurs for Hull i England. Det ble mottatt en melding fra skipet den 2. september, mens det var nord for Korea, i stormfylt hav. Etter dette hadde ingen kontakt med skipet, og det ble meldt savnet i oktober.
På grunnlag av beskrivelser Birkeland ga til Krogness og Olaf Devik om sitt arbeid den siste tiden, er det sannsynlig at dette var like betydningsfullt som de tidligere bøkene og artiklene han skrev.
Den 15. juni sendte Birkeland et telegram til sin advokat Johan Bredal: «Please remember Mrs. Wriedt's committee» («Vennligst husk Mrs. Wriedt's komite»). Bredal forstod ikke hva Birkeland egentlig mente.
Bredal skjønte imidlertid ifølge biografen Jago, hva det betød da han fikk telegram om at Birkeland var død. Birkeland måtte ha visst at han snart kom til å dø, og etter sin død ville han gjennomføre et eksperiment: Han hadde tidligere i sitt liv avslørt spiritistiske medier som falsknere, men nå etter sin død ville han teste ut om det var noe i spiritisme. Birkeland ville derfor at advokaten skulle kontakte et medium for å undersøke om det var mulig for ham å ta kontakt fra det hinsidige. For øvrig var Birkeland ateist.
Birkeland ble begravet den 22. september 1919 på Vestre Gravlund i Kristiania, på universitetets bekostning.
Advokat Bredal fortalte Olaf Devik om det merkelige telegrammet fra Birkeland. De bestemte seg for å kontaktet den britiske legen Oliver Lodge (1851–1940) som var en kjent spiritist. Birkeland ga imidlertid ikke noen meldinger fra det hinsidige.
Biografene Egeland og Burke mener at det er merkelig at Birkeland skulle ha skrevet telegrammet til sin advokat på engelsk, ettersom advokaten ikke kunne engelsk. Dermed er hensikten med dette telegrammet uklart.
I oktober 1896, bare 28 år gammel, ble Birkeland opptatt i Det Norske Videnskaps-Akademi. Bare Nansen er blitt medlem i yngre alder. I 1906 ble han valgt til medlem av Faraday Society. Han ble også utnevnt til kommandør av St. Olavs Orden, og innehadde æresdoktorater ved flere universiteter.
Birkeland ble nominert fire ganger til Nobelprisen i kjemi mellom 1907 og 1913. Nomineringene ble foreslått av Max Bamberg (1907), W.C. Brøgger, J. H. Vogt og Heinrich Jacob Goldschmidt (1909 og 1913), Schönherr (1912). Direktør for Nobelinstituttet på denne tiden, Ragnar Sohlman (1870–1948), har i et brev antydet at om Birkeland var blitt nominert uten at Eyde hadde vært med, ville han sannsynligvis fått prisen. På grunn av Eydes svake faglige bakgrunn ville en delt pris være upassende.
Fire ganger ble han nominert til Nobelprisen i fysikk. Han ble foreslått av Vilhelm Carlheim-Gyllensköld (1915, 1916 og 1917), O. Pauersson (1916) og i 1918 av norske professorer, men dette forslaget ble ikke sendt inn på grunn av Birkelands død i 1917. Noe av problemet med nominasjonen i fysikk var at kosmisk fysikk ble vurdert som en del av astronomien, og dermed falt utenfor kriteriene for Nobelprisen. En annen ting var at få medlemmer av Nobelkomiteen mente at de var kvalifisert til å vurdere en nominasjon innenfor dette feltet. Selv om det var tradisjon for dette faget også ved svenske universiteter, hadde dette ikke noen formell status ved noen av universitetene.
I oktober 1917 ble det opprettet et fond til minne om Birkeland med tittelen «Professor Kr. Birkelands fond for geofysisk forskning». Dette mottok 300 000 kr i donasjoner.
Birkelands vitenskapelige arbeid forsvant sakte inn i glemselen de første 50 årene etter hans død. Spesielt var den britiske matematikeren og geofysikeren Sydney Chapman (1888–1970) en sterk kritiker. Etter første verdenskrig ble han den ledende eksperten på jordmagnetisme. Chapman mente at Birkelands ekspedisjoner for å studere nordlyset var anakronistiske, og at teoriene hans var «for kuriøse» til å bli tatt alvorlig. Spesielt mente han at Birkelands viktigste hypotese om at solen sender ut katodestråler som fanges opp av jordens magnetfelter og deretter skaper nordlys og magnetstormer, var feil. Birkeland hadde imidlertid skrevet en artikkel i 1916, der han understreket at solen sender ut både positive- og negative partikler. Biografen Jago har påpekt at Chapman var hyklersk da han senere ble talsmann for denne teorien, uten å referere til Birkeland. Jago skriver at Chapman hadde en generell forakt for skandinaviske vitenskapsmenn, og gjorde hva han kunne for å bagatellisere Birkelands bidrag til romforskningen.
Chapman selv mente at nordlyset ikke hadde noe med solen å gjøre, men at det måtte være et lokalt strømsystem i jordens atmosfære som skapte fenomenet. Etter Birkelands død ble hans teorier knapt nevnt i fysikkundervisningen, ikke engang i Norge. Det var Chapmans oppfatning av nordlyset som var fremherskende de første tiårene etter Birkelands død, og som var studentenes pensum.
Birkeland visjon av det som nå er kjent som birkelandstrømmer, ble kilden til en kontrovers som fortsatte i over et halvt århundre, fordi deres eksistens ikke kan bekreftes fra bakkebaserte målinger alene. Hans teori var omstridt og ble latterliggjort som marginalvitenskap av etablerte forskere. Teoriene til Birkeland ble imidlertid støttet av den svenske plasmaforskeren Hannes Alfvén, men Alfvéns arbeid ble i sin tur også diskutert av Chapman.
I 1960-årene ble det gjort målinger fra romsonder som underbygget Birkelands teori om elektrisk ladede partikler i verdensrommet. Romsonden Mariner 2 på veg til Venus, målte i 1962 elektriske partikler på veg gjennom verdensrommet, med hastigheter mellom 300 og 700 kilometer i sekundet. Sovjetiske sonder hadde også gjort lignende observasjoner. Etter hvert som flere sonder ble sendt ut i verdensrommet, ble det målt elektrifiserte gasser med temperaturer på flere millioner grader som beveger seg med flere hundre kilometer i sekundet. De utgjøres av likt antall negative og positive partikler, henholdsvis elektroner og protoner, som gjør at de til sammen danner en nøytralt ladet plasma. Ofte kaller en dette for astrofysisk plasma. Birkeland hadde forutsett denne typen partikler i verdensrommet mer enn 60 år tidligere, men begrepet «plasma» fantes ikke på hans tid.
I 1966 ble det via en amerikansk navigasjonssatellitt, målt magnetiske forstyrrelser hver gang den passerte polarområdene. Det var først med dette at en virkelig forstod at Birkeland måtte ha vært inne på noe viktig med sin forskning. Satellittmålinger har siden 1966 vært brukt til å måle forholdene ved nordlys. Dermed er Birkelands teorier bekreftet. Han blir i dag kreditert for å være den første som kom frem til en korrekt forklaring på fenomenet nordlys. Birkeland ga også en romlig beskrivelse av strømmene som danner såkalte polare substormer, eller polare elementærstormer. Hans teori var at dette magnetiske fenomenet, var forårsaket av horisontale strømmer som beveget seg langs nordlyssonen, og opprettholdt av «en konstant tilførsel av elektrisitet utenfra.» Disse ble i artikler på slutten av 1960-årene kalt «birkelandstrømmer».
Den første fullstendige statistiske kartleggingen av forekomst av birkelandstrømmer i jordens polare regioner, ble utviklet i 1974 av A. J. Zmuda, J. C. Armstrong og T. A. Potemra.
Birkelands verk The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903 beskrev flere teorier som først ble bekreftet 50 år etter hans død. Det gjelder tilstedeværelsen av magnetosfæren: «Jordens magnetisme vil føre til at det blir et hulrom rundt jorden der [sol] partikler så å si blir feid bort». I tillegg til teorien om solvinder påpekte han eksistensen av stellar materie: «Det må være en naturlig konsekvens av vårt synspunkt å anta at hele verdensrommet er fylt av elektroner og flygende ioner av alle slag. Vi antar at ethvert stjernesystem i utvikling slynger elektriske partikler ut i rommet. Derfor er det ikke usannsynlig å tenke seg at mesteparten av materien i universet ikke befinner seg i solsystemene eller i stjernetåken, men i det 'tomme rom'.» Interstellar materie regnes i dag som hovedkomponenten i universet.
Birkeland forsøkte også å beskrive hvordan komethaler oppstår.
I dag er plasmafysikerne enige om at birkelandstrømmene er årsaken til nordlyset, elektrojet (nordlyselektrojeten), såkalte magnetosfæriske inverterte-V strukturer og flukstråder i atmosfæren på Venus. En regner med at birkelandsstrømmene gir andre fenomener som koronastrømmene fra solens overflate, komethaler, interstellar masse og stjerneskyer, plasma i galakser og galaktiske jetstrømmer. Selv om Birkelands nordlysteorier har fått nesten universell aksept, er hans kosmologi lite debattert.
Solvinden består av hydrogenioner, noe som ble målt første gang i 1959 av den sovjetiske satellitten «Lunik». Dagens forståelse av plasmafysikken bygger opprinnelig på studier utført av Langmuir, som i 1920-årene utførte en rekke eksperimenter. Teorien går ut på at solen sender ut væskelignende plasma. Denne blir ved en viss avstand fra solen supersonisk, og brer seg ut i rommet. Birkeland antok at prosessen var drevet av elektrostatiske mekanismer, men i dag sees dette på som en magnetohydrodynamisk mekanisme.
I dag betraktes Birkeland som den første romforsker. Han vurderes også som en av historiens ledende eksperimentalfysikere.
Birkeland fikk stor betydning for vitenskapelig utdannelse i Norge, samt for moderne romforskning. Han fikk etablert det første permanente observatoriet for geomagnetisme og nordlysobservasjoner på Haldde. Her ble etter hvert også gjort meteorologiske målinger. Birkeland øvet påtrykk for å få etablert et teknisk universitet i Norge, noe som ble realisert i 1910 ved åpningen av Norges tekniske høgskole.
Innenfor fysikkundervisningen introduserte han en metodikk basert på grundig teoretisk innsikt, laboratoriestudier og koordinerte feltstudier.
Et annet viktig bidrag fra Birkeland var at mange av hans assistenter fortsatte med vitenskapelig arbeid. Sem Sæland ble professor og rektor ved Norges tekniske høyskole, senere professor og rektor ved Universitetet i Oslo. Richard Birkeland (fetter) ble professor i anvendt matematikk. Lars Vegard ble professor innenfor nordlysforsking. Ole Krogness og Olaf Devik ble ledere ved det permanente observatoriet på Haldde, senere ble begge professorer i fysikk. De to opprettet senere et geofysisk institutt i Tromsø. Thoralf Skolem ble professor i matematikk i 1938. Thorstein Wereide (1882–1969), en kollega ved universitetet, ble amanuensis i fysikk og Carl Størmer (1874–1957), en annen kollega, utviklet ligninger for ladede partiklers bevegelse i topolte magnetfelter. Han målte også høyden av nordlyset nøyaktig.
Fremdeles er kosmisk geofysikk, også omtalt som kosmisk plasmafysisk, et stort forskningsfelt i Norge, noe Birkeland la grunnlaget for.
Videre ble Claus Riiber, som var med på kunstgjødselprosjektet, professor i kjemi ved Norges tekniske høgskole. Bjørn Helland-Hansen, som ødela fingrene under nordlysobservasjonene på Haldde, ble professor i oseanografi og fikk internasjonal anerkjennelse.
Norsk Hydro som Birkeland var med på å etablere, er i dag et stort internasjonalt konsern. Gjødselproduksjonen ble i 2004 skilt ut i et eget selskap kalt Yara International. Dette selskapet har rundt 28 fabrikker og 15 000 ansatte over hele verden. Selskapet er i dag verdens største kunstgjødselprodusent.
Norsk Hydro fikk i 1968 bygget et skip med navn MT «Kristian Birkeland». Yara skal bygge verdens første autonome skip (et fartøy som kan seile uten besetning) som skal drives elektrisk. Skipet skal gå mellom fabrikkanlegget i Porsgrunn og havnene i Brevik og Larvik og skal hete «Yara Birkeland».
I 1967 ble det arrangert et internasjonalt symposium i Sandefjord, til minne om Birkelands 100 års fødselsdag. Siden 1987 holdes det en årlig forelesningsserie ved Universitetet i Oslo. Her blir forskjellige sider av Birkelands forsking og teknologi belyst.
En statue av Birkeland finnes utenfor Hydros bedriftshistoriske samling på Notodden, og en byste er også plassert ved forskningssenteret til Norsk Hydro i Porsgrunn. I Nordlysparken i Alta ble det avduket en byste av Birkeland i 2015, laget av Henning Olav Espedal. Oscar Castbergs byste av Birkeland, som ble avduket på Universitetet i Oslo i 1908, finnes i kopi ved Universitetet i Tokyo.
Den norske 200 kroner-seddelen som var i bruk fra 1994 til 2017, bærer portrettet av Birkeland. Ringen rundt den magnetiske polen er avbildet på baksiden, samt andre symboler relatert til hans forskning. I 1966 og 1999 ble det utgitt frimerker med temaer fra Birkelands nordlysforskning.
Flere gater i Norge har navn etter Birkeland. Birkeland ble hedret av Google i 2017 med en såkalt doodle.
Et krater på Månen er oppkalt etter Birkeland. Navnet ble tildelt av den Den internasjonale astronomiske union i 1970.
Birkeland publiserte 88 vitenskapelige artikler, for det meste skrevet på fransk, men også på tysk, norsk og engelsk. I tillegg utga han tre bøker og noen populærvitenskapelige artikler. Her er et utvalg av hans artikler og bøker:
Birkeland tok ut 60 patenter, 10 sammen med Eyde og 5 sammen med Olaf Devik. Noen utvalgte patenter er listet opp her: