Konkurencia pre žiarovky
Dva roky potom, čo Edison predstavil svoje elektrické žiarovky, získal František Křižík na výstave v Paríži zlatú medailu za svoju oblúkovú lampu, v ktorej zdrojom svetla nebol priechod prúdu žhaviacim sa materiálom, ale priamo elektrický výboj medzi dvoma elektródami vo svietidle. Zdalo by sa, že žiarovka má vážnu konkurenciu, ale skutočnosť bola trochu iná. Oblúkovky boli drahé a ich nedostatky (hlavne odhorievanie elektród) a ťažkosti so zmenšovaním na rozmery použiteľné v domácnostiach, ich pomerne rýchlo odsúdili na vedľajšiu koľaj. A to aj napriek tomu, že ich vlastnosti sa zlepšovali celé 20. storočie a môžu byť zdrojom príjemného svetla.
Väčším súperom bolo v tom čase pre žiarovku plynové osvetlenie, za ktorým stála moderne povedané silná lobby plynárenských spoločností a fakt, že do plynovej infraštruktúry sa v mnohých mestách už predtým mohutne investovalo. V boji o svetlo používali plynárenské podniky (a nielen tie) aj dosť nečisté taktiky, napr. citujem "upozorňoval na vznik očných chorôb pri svietení žiarovkou, aj na sťažnosti anglických dám nespokojných s tým, že ich koža vyzerá v elektrickom svetle sinavá, až po vyvolávanie strachu z črepín pri rozbití sklenenej banky žiarovky. Na nový vynález sa tak spočiatku valilo len ohováranie. Jediný, kto na tejto kampani profitoval, boli kozmetické firmy, ktoré vzápätí produkovali prípravky dodávajúca ženám pod žiarovkami opäť ich svieži pôvab ".
Ale výhody žiarovky v osvetľovaní sa nakoniec ukázali (hoci nie tak rýchlo ako napríklad pri verejnom osvetlení), a technológia sa rýchlo šírila. Ferdinand Pietsch v roku 1910 v Časopise pre pestovanie mathematiky a fysiky uvádzal, že za zhruba desať rokov cena žiaroviek klesla o dva rády: na konci 19. storočia stáli podľa neho 18-25 korún, v roku 1910 to bolo 50 halierov.
Konkurencia však nespala. Ešte na samom konci 19. storočia sa začali v plynových lampách používať zdokonalené horáky, predovšetkým tzv. Auerove. Samotný plyn nemá príliš jasný plameň, ale tieto vylepšené horáky boli napustené látkami ako dusičnany céru a tória, vďaka ktorým bol plameň pokojnejší a jasnejší. Uhlíková žiarovka v porovnaní s vylepšeným plynovým svetlom stratila veľkú časť svojej výhody, potom sa však objavilo zdokonalenie, ktoré viac menej na jedno storočie opanovalo oblasť domáceho osvetlenia.
Doba kovová
Šlo o žiarovky s kovovým vláknom. Môže sa vlastne zdať prekvapujúce, že sa žiarovky nevyrábali z kovov od začiatku, ale má to samozrejme praktické dôvody. S kovovými vláknami, hlavne platinovými, sa totiž v druhej polovici 19. storočia pomerne hojne experimentovalo. Čoskoro sa však zistilo, že platinový drôtik krehne a praská. Naviac je samozrejme dosť drahý.
Tiež bolo čoskoro jasné, že aby boli žiarovky úspešné, musia pracovať s naozaj vysokými teplotami nad 2 000 ° C. Čím viac, tým lepšie, pretože účinnosť pomerne rýchlo stúpa a k jej zdvojnásobeniu stačí zvýšenie teploty o pár sto stupňov. Kovov, ktoré by takúto teplotu vydržali, nie je veľa: použiť išli len ťažko (teda za vysokých teplôt) taviteľné kovy ako napr. tantal, osmium, volfrám, molybdén apod.
Výhody kovu sa pokúšali najprv využiť hybridné typy, v ktorých bol uhlík nahradený kovom len čiastočne. Vlákna boli teda napríklad len pokovované, ale jadro bol stále "uhlík". Napriek tomu sa u nich dosahovalo zníženie spotreby energie o viac ako štvrtinu oproti celouhlíkovým vláknam.
Prvou relatívne úspešnou čisto kovovou technológiou boli tantalové žiarovky, pretože tento kov išlo zo všetkých vhodných kandidátov spracovať najlepšie. Prišla s nimi na prelome 19. a 20. storočia firma Siemens & Halske. Mali tú zaujímavú prevádzkovú vlastnosť, že vlákno sa počas životnosti postupne skracovalo. Na začiatku boli kvôli tomu žiarovky náchylné k poškodeniu otrasom, pretože vlákno so sebou dosť "hýbalo". Tantalové žiarovky sa používali vo väčšom meradle pár desiatok rokov, vrchol svojej „slávy“ zažili medzi rokmi 1902 – 1909, ale potom ich nahradili žiarovky z iných kovov s vyššou teplotou topenia a vyššou pracovnou teplotou. Výhodou žiaroviek s tantalovým vláknom (či iným kovovým vláknom) spočíval v tom, že svietili jasnejšie pri nižšej spotrebe než žiarovky s uhlíkovým vláknom. Firme General Electrics, ktorú spoluzakladal T.E. Edison, tak vznikla vážna konkurencia pre ich žiarovky s uhlíkovými vláknami. General Electric na konkurenciu v podobe žiaroviek s kovovým vlákom zareagoval vývojom uhlíkového vlákna, ktoré spekali pri teplote 3000 ℃ a podarilo sa im tak zvýšiť účinnosť žiarovky o 25%. Uhlík sa v tomto prípade správal viac než kov, žiarovky sa predávali pod značkou Mazda bulbs (s japonskou automobilkou to nemalo nič spoločné).
Prechod na iné kovové vlákna trval tak dlho preto, že u ostatných spomínaných kovov "narážame práve na nemilú prekážku," ako v roku 1910 napísal už spomínaný Ferdinand Pietsch. Tieto prvky (práve s výnimkou tantalu) nie sú pri vysokých teplotách tzv. ťažné, takže z nich nemožno tým najjednoduchším spôsobom, zahriatím a natiahnutím, urobiť drôt či drôtik. Hľadanie spôsobov, ako obísť túto veľkú nevýhodu, bolo základom vývoja kovových žiaroviek.
Vo svojej dobe išlo o starostlivo strážené výrobné tajomstvo. Kovy sa napríklad drvili na prášok a miešali napríklad aj s glejom, gumou či cukrom. Z tejto "kaše" sa potom vytláčali vlákna. V iných postupoch sa tieto materiály rozpúšťali striedavo v kyseline a zásade na veľmi jemné čiastočky, až vznikla "kašička" (tzv. hydrosol). Potom sa zavedením prúdu zbavila časti vody (tj. elektrolýzou), a potom sa pod tlakom lisovala táto zmes do vlákien.
K záveru, že wolfrám bude ten najlepší prvok na výrobu vlákien, dospeli viacerí vedci pokúšajúci sa o vylepšienie vlastností žiaroviek. Rakúsko-Uhorským vynálezcom Alexandrovi Justovi a Franzovi Hanamanovi sa podarilo vyvinúť metódu spekania wolfrámu a tento ich patent odkúpila firma General Electric (spomínate na skupovanie patentov T.E. Edisona na žiarovky, o čom som písal v prvej časti?) a významne ho vylepšila. Jej inžinier William Coolidge ako prvý zvládol výrobu vlákien z volfrámu, ktorý má pri teplote topenia cca 3 400 ° C skvelé predpoklady pre výrobu žiaroviek, a podarilo sa mu tak zvýšiť efektivitu žiaroviek o 100% oproti iným kovovým vláknam. Coolidge vyvinul (samozrejme s pomocou svojich vedeckých predchodcov) zložitý proces, ktorý si len priblížime: volfrám sa najprv namelie na prášok a potom sa za vysokých tlakov zlisuje do tyčí. Tie sa zahrejú na 1 300 ° C, schladia vo vodnom kúpeli, potom sa prechodom elektrického prúdu zahrejú na 3 200 ° C a znova schladia. Potom znovu zahrejú na 1 500 ° C, tentoraz vo vodíkovej peci, potom sa materiál valcuje a tepe za bežných teplôt, aby sa nakoniec ešte raz zahrial a pomaly schladzoval, zatiaľ čo sa z neho vyťahuje milimetrový drôtik.
Vývoj sa tým samozrejme nezastavil. V moderných obyčajných žiarovkách sa používala dvakrát navinutá volfrámová špirála a plnenie banky argónom, ktorý spomaľuje odparovanie volfrámu. Pracovná teplota vlákna sa tak mohla zvýšiť na cca 2 800 ° C. To je zhruba o 800 ° C viac než u uhlíka a o 400 ° C viac oproti prvým kovovým žiarovkám. To zase v dôsledku vedie k zvýšeniu celkovej účinnosti na viac ako päťnásobok oproti "uhlíkovkám" a viac ako dvojnásobok oproti jednoduchým kovovým zdrojom. Zlepšila sa tým aj farba vyžarovaného svetla.
Nové kovové žiarovky mali však na začiatku 20. storočia jednu veľkú nevýhodu: boli drahšie. V podstate presne sa tak opakovala situácia na konci 20. storočia, kedy sme pristupovali s veľkou nedôverou (a nie vždy celkom neoprávnenou) k novým, drahším LED zdrojom svetla, aj keď sľubovali vyššiu účinnosť. Dajme slovo priamym svedkom sto rokov starej "žiarovkovej revolúcie":
"Práve čítam v poslednom čísle časopisu Helios zo 14. marca, že firma Siemens a Halske cenu 16-sviečkovej lampičky tantalovej znížila z 2.50 mariek na 2 marky, čo činí 2.40 koruny. Uhlíková lampička 16-sviečková sa u nás predáva za 0.60 koruny. Poviete však , kto že by dal za lampičku tantalovú 2.40 koruny, keď tú istú lampičku uhlíkovú obdržím za 0.60 koruny, teda za štvrtinu!
Ale vec má ešte inú stránku. Lampička sama nesvieti; až vtedy, keď ňou prechádza prúd. Práca prúdom v každej sekunde vykonaná premieňa sa práve na teplo a svetlo. Táto práca nie je zadarmo, musíme ju zaplatiť. [...] Lampičky uhlíkové vyžadujú na jednu sviečku 3½ Watt, sú, ako skrátka hovoríme, 3½-wattové, naproti tomu tantalové vyžadujú na jednu sviečku len 1½ Watt, sú teda 1½-wattové. Pre 16 sviečok to robí pri uhlíkovej 56 Watt, pri tantalovej len 24 Watt.
Ak svietime hodinu, spotrebuje lampička uhlíková 56 Wh, tantalová 24 Wh elektrickej práce. V praxi sa počíta v jednotke 1000 krát väčšej, na kilowatthodiny. Podľa tarifu elektrárne Pražskej účtuje sa kilowatthodina v čase večernej za 60 halierov. Ono svietenie po dobu hodiny by teda stálo u lampičky uhlíkovej 56 × 60/1000 = 3.36 halierov, u lampičky tantalovej 24 × 60/1000 = 1.44 halierov.
Udáva sa, že lampičky žiarové vydrží až 800 hodín, niekedy aj viac. Počítajme len 500 hodín. Za túto dobu zaplatili by sme u lampičky uhlíkovej 500 × 3.36 h = 16.80 K, u tantalovej 500 × 1.44 h = 7.20 K. Rozdiel činí 9.60 korún. Ale tým je väčšia cena lampičky tantalové, o 1.80 korún, viac než päť krát krytá! Pozorujete už, v čom je jadro celého konkurenčného boja. "
Toľko Čeněk Strouhal v časopise Časopis pre pestovanie mathematiky a fysiky v roku 1909.
Ale zatiaľ čo matematici a rodení racionalisti si výhody spočítali rýchlo, bežní spotrebitelia boli predsa len opatrnejší. Rovnako ako dnes sa aj vtedy hovorilo o možných opatreniach na zvýšenie atraktívnosti týchto úspornejších technológií. Vtedy sa však na rozdiel od dnešnej doby debatovalo menej o legislatívnych opatreniach (zákaz výroby a dovozu svetelných zdrojov s nízkou efektivitou, teda vláknových žiaroviek), zato viac trebárs o dotáciách od elektrárenských podnikov alebo majiteľov domov a bytov (nájomné bývanie bolo výrazne rozšírenejšie ako dnes).
Nakoniec ani vyššia nákupná cena kovových žiaroviek nedokázala prebiť ich ďalšie zásadné výhody, a tak zostali až do konca 20. storočia najobľúbenejším svetelným zdrojom, keď ich začali nahrádzať LED svetelné zdroje. Medzitým sa samozrejme používali ešte iné svetelné zdroje, napríklad lineárne žiarivky (ľudovo neónky), kompaktné žiarivky alebo halogénové žiarovky, s ktorými sme sa mohli stretnúť aj v domácnostiach. Prípadne ďalšie špeciálne typy svetelných zdrojov, ako napríklad ortuťové, sodíkové alebo metalhalogenidové výbojky. Ale to je už iný príbeh...
A. Spočiatku najväčším konkurentom pre vláknové žiarovky boli
- LED žiarovky (1)
- Oblúkové lampy (9)
- Plynové lampy (5)
B. Prečo bolo žiadúce žhaviť vlákno v žiarovke na čo najvyššiu teplotu, a preto sa uhlíkové vlákno ukázalo nedostatočné a ako náhrada sa hľadalo riešenie z kovových vlákien?
- Žiarovka mohla zároveň slúžiť aj pre vykurovanie miestnosti (7)
- S vyššou teplotou vlákna rástla účinnosť (4)
- Gazdinky chceli so žiarovkami svietiť a zároveň na nich ohrievať jedlo, mikrovlnky vtedy ešte neboli (0)
C. Ktorý kov sa presadil v širšom meradle ako prvý?
- Wolfrám (8)
- Tantal (1)
- Titán (4)
D. Čo bola hlavná prekážka v rýchlejšom nasadení kovových vlákien?
- Celú produkciu kovov skúpili iné priemyselné odvetvia, a pre výrobcov žiaroviek už skoro nič neostalo (2)
- Kovy pri vysokých teplotách dymili a sklenené banky sa farbili do čierna, takže žiarovky nesvietili (5)
- Vhodné kovy nie sú ťažné, takže nahriatím na vysokú teplotu sa z nich nedal vyrobiť drôtik (8)
E. Aký materiál sa nakoniec ukázal navhodnejší pre výrobu žiarovkových vlákien?
- Azbest (6)
- Wolfrám (4)
- Zliatina rôznych kovov, jej presné zloženie je dodnes tajné (5)
F. O koľko sa zvýšila efektivita žiaroviek s wolfrámovým vláknom oproti žiarovkám s uhlíkovým vláknom?
- O 100% (3)
- O 500% (7)
- O 2800% (0)
N 48° 53.ABC' E 18° 03.DEF'
Pozor! Pri odlove kešky treba byť opatrný a presvedčiť sa, či ťa niekto nesleduje alebo sa neblíži mugel. I keď sa to nezdá, miesto je dosť frekventované!
Keška: Otvor pootočením doľava, zavri pootočením doprava. Používaj rozum a nie silu!