Kto wynalazł żarówkę?

Technologia oświetlenia elektrycznego tak radykalnie zmieniła środowisko naturalne człowieka, że pojawiło się pojęcie zanieczyszczenia światłem. Lampy żarowe okazały się tak ważnym wynalazkiem, że celem wielu prac z historii techniki była próba odpowiedzi na pytanie, kto był wynalazcą żarówki? Kwestia ta dotychczas nie została definitywnie rozstrzygnięta. Najczęściej w tym kontekście pojawiają się postacie Thomasa Edisona (1847-1931)  i Josepha Swana (1828-1914), ale przywoływani  są także tacy wynalazcy jak  Georg Fox-Pitt  (1856-1932), William Sawyer (1850-1883), Albon Man (1826-1905), Moses G. Farmer (1820-1893) i Hiram Maxim (1840-1916).

Kontrowersje są  jednak na tyle silne, że nawet w opracowaniach historycznych nie poświęconych wprost dziejom lamp żarowych, a nawet w pracach z fizyki, próbuje się jednoznacznie odpowiadać na pytanie: kto był wynalazcą żarówki?

,,Należy tu wspomnieć, jako o rzeczy istotnej z historycznego punktu widzenia, że Edison nie był wynalazcą żarówki, chociaż dowodzono tego często i usilnie. W rzeczywistości Joseph Swan uzyskał w 1860 r. żarzenie włókna węglowego w próżni, a w 1878 r. udoskonalił swe lampy żarzeniowe i pokazał w Anglii na wystawie. W tym czasie lampa Edisona była dopiero w stadium badań laboratoryjnych’’. J. Friend, Człowiek  i pierwiastki chemiczne. Od ognisk epoki kamiennej do cyklotronu, tłum. S. Bylina, Warszawa 1959,  s. 419.

,,Around 1854, Heinrich Göbel, a German emigrant in the USA, built the first practical incandescent lamps: Carbonized bamboo filaments enclosed in evacuated bottles to prevent  oxidation. They were intended to illuminate the shop window of his watch shop in New York City’’. P. Flesch, Light and Light sources. High-Intensity Discharge Lamps, Berlin – Heidelberg – New York, 2006, s. 18. Teza, że Heinrich Göbel (1818-1883) był wynalazcą  żarówki była szczególnie popularna w nazistowskich Niemczech. W świetle współczesnych badań  historycznych teza ta okazała się nie tylko błędem, ale także oszustwem. H.Ch. Rohde,  Die Göbel-Legende – Der Kampf um die Erfindung der Glühlampe, Springe 2007.

Wynalazek lampy żarowej, aczkolwiek współcześnie kojarzony prawie wyłącznie z Thomasem A. Edisonem i słynną sylwestrową nocą 1879 roku w Menlo Park (noc sylwestrową tego roku Edison mógł oświetlać Menlo Park przy użyciu ponad 800 żarówek.), wiele zawdzięczał utalentowanym i wszechstronnie wykształconym członkom zespołu Edisona,przede wszystkim jednak licznym wynalazcom i uczonym z pierwszej połowy XIX wieku.

Zespół Edisona w laboratorium w Menlo Park

Zespół Edisona uważany za właściwego wynalazcę żarówki składał się w większości z (często genialnych) samouków, którzy jednak nie tylko nie mieli najbardziej aktualnej wiedzy z zakresu fizyki i chemii, ale  brakowało im nawet  podstawowej wiedzy z zakresu matematyki. Wyjątkiem w tym zespole był Francis R. Upton (1852-1921). Ten absolwent uniwersytetu w Princeton (studiował także jeden rok na uniwersytecie w Berlinie) miał dobre przygotowanie matematyczne i odegrał  znaczącą rolę w rozwiązywaniu problemów związanych z lampami żarowymi, zwłaszcza przy udoskonalaniu węglowego włókna żarowego. Został  zatrudniony przez Edisona w 1878 roku dzięki rekomendacji Hermanna von Helmholtza (1821-1894). Dom Uptona w Menlo Park był pierwszym prywatnym domem na świecie oświetlonym żarówkami, ale nawet i Upton miał duże trudności ze zrozumieniem zasadniczej odmienności procesów fizycznych prowadzących do emisji światła w tzw. oknie optycznym.

Światło w tzw.  oknie optycznym jest generowane m.in. przez promieniowanie termiczne różnych substancji rozgrzanych przepływem prądu elektrycznego. Świecenie, zwłaszcza metali, ogrzanych do wysokich temperatur było zjawiskiem powszechnie znanym. Nowością było wykorzystanie prądu elektrycznego do ich rozgrzania. Wiedza na ten temat była kumulowana sukcesywnie w pierwszej połowie XIX stulecia i zaowocowała patentami z 1841 i 1845 roku. Frederick W. de Moleyns (1804-1854) uzyskał w Anglii pierwszy patent na produkcję elektryczności oraz jej zastosowanie do oświetlenia i ruchu.Lampa żarowa Moleynsa była wyposażona we włókno zrobione ze zwiniętych platynowych drutów, pomiędzy którymi był umieszczony sproszkowany węgiel. Całość była umieszczona w bańce szklanej, z której zostało odpompowane powietrze.

Konstrukcja nawiązywała do pierwszych lamp łukowych Davy’ego, w których elektrody były robione z prętów platynowych lub węglowych, ale także wykorzystywała pomysły Wollastona.  Podobną konstrukcję  (z platynowym drutem żarzącym się w próżniowej bańce) zbudował już rok wcześniej (1840) – pionier astrofotografii – Warren de la Rue (1815-1889). Konstrukcja żarówki  była peryferyjnym  przedsięwzięciem w jego życiu poświęconym konstrukcji i udoskonalaniu różnych urządzeń mechanicznych i astronomicznych teleskopów.  Brakuje jednak  jednoznacznych świadectw historycznych dowodzących tezy, zgodnie z którą de la Rue była autorem takiej konstrukcji. Twierdzi się nawet, że jest to błąd, który ma swoje źródło w pracy E.J. Huston,  Electricity in Every-Day Life, New York 1905, v. 2., s. 247.  Warto przypomnieć w tym kontekście, że w 1845 roku Amerykanin John Wellington Starr (1822? – 1846) też opatentował żarówkę z włóknem węglowym.

Joseph Swann, który dowiedział się o wynalazku Starra z raportu o patentach, rozpoczął  wieloletnie badania nad tego typu konstrukcjami i już w 1848 roku udało mu się zbudować funkcjonującą żarówkę z włóknem w postaci zwęglonego papieru i/lub tektury (później także z pergaminu). Swann udoskonalał ten wynalazek a nawet zdobył patent na swoją konstrukcję, ale żarówka Swana była nietrwała z uwagi na niedostateczne odpompowanie powietrza ze szklanej bańki i szybko traciła wydajność świetlną wskutek osadzania się sadzy na wewnętrznej powierzchni lampy.

Pierwszy z tych problemów stał się możliwy do rozwiązania, kiedy pojawiły się bardziej wydajne pompy próżniowe. Pompy takie zostały zbudowane przez  Hermanna Sprengela (1834-1906) w 1865 roku. Wcześniej (1855) Johann H. Geißler (1814-1879) skonstruował rtęciową pompę próżniową i osiągnął rekord niskiego ciśnienia 10 Pa. Drugi problem czekał na rozwiązanie o wiele dłużej. Rozwiązaniem było zastosowanie żarników wolframowych i wprowadzenie do wnętrza lampy halogenków, najczęściej jodu, który regeneruje żarnik poprzez recykling atomów wolframu. Rozwiązanie takie zostało opatentowane w 1959 roku przez Elmera Fridricha (1920-2010) i Emmetta Wiley’a. Wcześniej do tego celu (jako halogenek) był wykorzystywany chlor, ale lampy takie, choć opatentowane już w 1882 roku nie znalazły jednak praktycznego zastosowania. Próbowano także wykorzystać brom (John Waring /1862-1901/, patent nr 497 038 z 9 maja 1893 – „Novak” lamp), ale efekt był podobny. Współczesne lampy halogenowe mają większą skuteczność świetlną i dłuższy czas pracy od tradycyjnych żarówek. Światło tych lamp doskonale oddaje barwy i jest przyjemne dla oka.

Innym problemem z żarówką Swana była potrzeba doprowadzenia do tego urządzenia prądu o dużym natężeniu. Na początku przełomowego dla wynalazku żarówki roku (3 lutego 1879 r.) Swann wykonał nawet pokaz użyteczności lamp żarowych swojej konstrukcji w Bibliotece Towarzystwa Filozoficznego w Newcastle.

Przełom w rozwoju oświetlenia elektrycznego był uwarunkowany rozwiązaniem szeregu problemów technicznych specyficznych dla tych technicznych konstrukcji. Rozwiązanie tych problemów pozwoliło przede wszystkim na nawiązanie bezpośredniej walki konkurencyjnej pomiędzy elektryczna i gazową technologią sztucznego oświetlenia. Nie należy jednak zapominać, że żarówka stała się konkurencją dla lamp gazowych dopiero wówczas, gdy  stworzono pierwszą sieć elektryczną i elektrownię  zasilającą. Wszystkie te cele udało się osiągnąć zespołowi Edisona dopiero na przełomie siedemdziesiątych i osiemdziesiątych lat XIX wieku!  Dlatego nazywanie Edisona ojcem żarówki, chociaż jest dużym uproszczeniem, jest jednak usprawiedliwione.

Wydajność świetlna pierwszych żarówek z włóknem węglowym produkowanych na podstawie patentu Edisona była jednak bardzo mała. Z okazji 50-lecia wynalazku żarówki (1929) zostały wykonane pomiary fotometryczne na replice jednej z pierwszych żarówek. Wydajność świetlna okazała się bardzo niska i wyniosła 1,4 lumena na 1 wat mocy żarówki. Wydajność współczesnych lamp żarowych jest ponad 10 razy większa

Pierwsze żarówki miały żarniki ze zwęglonej bawełny, a później ze zwęglonych łodyg pewnej odmiany japońskiego bambusa. Poszukiwano zatem nowych materiałów na żarnik. W 1897 roku profesor chemii z Getyngi Walther Nernst (1864-1941) opracował żarówkę z włóknem zrobionym z ogniotrwałych tlenków metali, głównie cyrkonu (85%), itru i erbu (z  grupy metali ziem rzadkich). W 1898 roku Carl Auer von Welsbach (1858-1929) – znany jako konstruktor  udoskonalonych lamp gazowych (siatka Auera) – użył jako żarnika osmu, który ma stosunkowo wysoki (3 300^º C) punkt topnienia. Na początku XX wieku (1905-1910) popularnym metalem wykorzystywanym jako żarnik był tantal, ale wykonane z niego żarniki były nietrwałe. Lampy z żarnikiem tantalowym produkowano głównie w Niemczech (Siemens & Halske). Pracujący dla tej firmy Werner von Bolton (1868-12912) odkrył w 1902 roku, że tantalowy żarnik jest o wiele bardziej efektywny niż żarnik węglowy i zwiększa trwałość żarówki, która staje się odporna na wstrząsy. W latach 1905-1911 w USA zużyto ok. 100 funtów drutu tantalowego, co wystarczyło jednak na wytworzenie ok. 2 mln żarówek z włóknem tantalowym.

Żarniki wolframowe pojawiły się dopiero wówczas, kiedy  Franjo Hanaman (1878-1941) i Aleksander Just (1874-1937)  wykazali, że można z wolframu utworzyć dostatecznie cienkie zwoje żarnika. Lampy z żarnikiem wolframowym (próbował też chromu, rutenu, irydu i molibdenu)  konstruował (jeszcze  w XIX wieku, 1890) Aleksander Łodygin (1847-1923), ale były one zbyt kosztowne, aby skierować je do seryjnej produkcji.  Uzyskany w USA w 1893 roku na ten wynalazek patent (nr 575  002) został sprzedany w 1906 roku  GE. Franjo Hanaman  i Aleksander Just uzyskali węgierski patent (nr 34541) w Budapeszcie (13 grudnia 1904 r.) na wytwarzanie żarnika z wolframu w technologii wolframu spiekanego. Patent ten został odsprzedany w 1910 roku firmie General Electric za sumę 250 tys. dolarów. Wynalazek ten był wielkim postępem, gdyż żarówki z żarnikiem wolframowym miały o wiele większą wydajność świetlną 7,75 lumena z wata i były o wiele bardziej trwałe. Pierwsze żarówki z włóknami wolframowymi były produkowane przez  założoną w Budapeszcie w 1897 roku przez Bernharda Béla Eggera (1831-1910) węgierską firmę Tungsram już w 1905 roku.  Dalszych udoskonaleń włókna wolframowego dokonał szef laboratorium General Electric William D. Coolidge (1873-1975), który pracował nad metodami plastyki wolframowego żarnika. Uzyskany w 1913 roku przez niego patent (nr 1 082 933) na tę technologię został jednak w 1928 roku przez Sąd Najwyższy USA unieważniony.

Walka z konkurencją w założonej przez Edisona firmie Edison Electric Light Company, ale przede wszystkim w powstałej 11 stycznia 1892 roku nowej firmie General Electric polegała jednak głównie na walce o patenty na wokandzie sądowej. Firma ta wydała w1901 roku na procesy sądowe o patenty, których było ponad dwieście olbrzymią  sumę 2 mln USD, co stanowiło więcej niż 16 % jej ówczesnej wartości. Jednakże na badania w latach 1878-1881 zespół Edisona wydał  także  olbrzymią sumę 130 tys. USD – równowartość współcześnie 2,5 mln USD. W 1910 w wyniku sporów sądowych o patenty, ale także w wyniku wykupowania patentów i przejęcia firm konkurencyjnych  GE kontrolowało 97 %  rynku żarówek  elektrycznych zapewniając sobie monopol w tym lukratywnym interesie na okres prawie pół wieku.

Istotnych modyfikacji w konstrukcji lamp żarowych dokonali, pracujący dla General Electric – Irving Langmuir (1881-1957) i Lewi Tonks (1897–1971). Użyli najpierw do wypełnienia bańki szklanej azotu, a później argonu głównie w celu redukcji matowienia żarówek wskutek parowania wolframu. Zauważyli także, że skręcenie i pogrubienie włókna  wolframowego żarnika nie tylko zmniejsza efekt matowienia, ale także zwiększa wydajność świetlną. Żarówki z wolframowym żarnikiem i argonowo-azotowym wypełnieniem  są ciągle dostępne, ale wskutek regulacji prawnych  ich produkcja w wielu krajach została   zatrzymana.