Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

Zažíváme revoluci v osvětlení. Téměř navlas stejně jako před 100 lety

aktualizováno 
Nedávné boje mezi klasickými a úspornými zdroji světla nejsou nic nového. Podobná „revoluce v osvětlení“ probíhala už před 100 lety a tehdy stejně jako dnes spotřebitelé každou korunu dvakrát obraceli, než by koupili něco nevyzkoušeného.

Přehlídka různých podob uhlíkové žárovky. | foto: Profimedia.cz

Když letos Nobelův výbor udělil cenu za objev modrého LED světla třem japonským vědcům, vyzdvihl, že ocenění spustili rozbíhající se „revoluci v osvětlení“. I když zásluhy letošních laureátů nechceme snižovat (jejich práce i životní příběh stojí za pozornost), stojí určitě za připomenutí, že LEDková „revoluce“ není rozhodně první. Jedna velmi podobná probíhala v době zhruba před jedním stoletím, kdy „Edisonovo duchovní dítko“, uhlíková elektrická žárovka, vedla svou závěrečnou bitvu o místo na výsluní.

V čem byl Edison lepší než Göbel

Elektrická žárovka sama nebyla dílem slavného amerického vynálezce. Dnes se všeobecně uvádí, že první prakticky použitelnou žárovku sestrojil Heinrich Göbel roku 1854, tedy zhruba čtvrt století před Edisonem. S elektrickým světlem experimentoval dlouhou dobu a podařilo se mu přijít se dvěma klíčovými objevy.

Za prvé našel vhodné vlákno, když údajně v zoufalství nad neúspěchy experimentů ze své bambusové vycházkové hole odlomil kousek a použil ho jako vlákna do svého světelného zdroje. Organické vlákno se ukázalo díky jednoduché výrobě jako výhodný zdroj pro první generace žárovek.

Žárovka s uhlíkovým vláknem. Na snímku je vidět i tmavnutí skla, ke kterému v průběhu životnosti světla dochází.

Žárovka s uhlíkovým vláknem. Na snímku je vidět i tmavnutí skla, ke kterému v průběhu životnosti světla dochází.

Druhý Göbelův velký úspěch spočíval v tom, že vlákno dokázal umístit do baňky, ze které vyčerpal vzduch, což zaručilo žárovce použitelnou životnost (vakuum omezuje tepelné ztráty a tak výrazně zvyšuje účinnost a snižuje riziko spojené s rozžhavením žárovky na vysokou teplotu). První prototyp tohoto uhlíkového typu s vakuovou baňkou svítil údajně přes dvě stovky hodin, což byl na svou dobu skvělý výsledek, který vynález činil prakticky okamžitě prakticky použitelným.

Göbel si ovšem plodů své práce moc neužil. Dlouhé experimentování ho finančně vyčerpalo a v Evropě té doby byl o hodně obtížnější přístup ke kapitálu než v USA, takže neměl prostředky na patentování vynálezu a rozjezd výroby.

To naopak byla Edisonova silná stránka. Až nesympaticky cílevědomý americký vynálezce v roce 1880 po dlouhých experimentech s různými materiály sestavil žárovku, která měla hlavní rysy světel používaných i dnes, například včetně úspěšného návrhu, patice, která se dnes označuje jako E27. Vynálezce dělal od začátku svým žárovkám velkolepou reklamu: hned v roce 1880 jimi nechal nasvítit celý parník, na Světové výstavě v Paříži o rok později už jich svítila zhruba tisícovka.

Thomas Edison (vpravo vsedě) a Francis Jehl (úplně vlevo) při zinscenované rekonstrukci rozsvícení první žárovky v roce 1929, tedy během oslav 50. výročí události. Na oba dohlíží prezident Herbert Hoover (podle něj Hooverova přehrada) a Henry Ford (úplně vpravo), kteří se k objevu žárovky přichomýtli samozřejmě až zpětně.

Thomas Edison (vpravo vsedě) a Francis Jehl (úplně vlevo) při zinscenované rekonstrukci rozsvícení první žárovky v roce 1929, tedy během oslav 50. výročí události. Na oba dohlíží prezident Herbert Hoover (podle něj Hooverova přehrada) a Henry Ford (úplně vpravo), kteří se k objevu žárovky přichomýtli samozřejmě až zpětně.

Technicky šlo vlastně o typ velmi podobný Göbelově žárovce a dalším podobným žárovkám jiných typů ze stejné doby (však také Edison musel svůj patent hájit před soudem), ale důležité bylo, že Edison dokázal „světelné baňky“ jako první vyrábět relativně spolehlivě a ve velkém. Nebylo to až tak jednoduché, jak se může zdát. Především zuhelnatělá bambusová vlákna používaná jako zdroj světla se musela velmi pečlivě připravovat.

Vlákna (používal se bambus, ale i další organické materiály, později hojně želatina) se musela nejprve pečlivě nakrájet na pokud možno homogenní vlákna. Pak se stočila do požadovaného tvaru a několik hodin (uvádí se 5 až 10) se vypalovala. Pro dosažení vyšší pevnosti se pak pražila ve vaselině, petroleji, nebo jiných podobných uhlovodíkových sloučeninách.

Ale to nestačilo, protože vlákna obvykle měla v různých částech různý průměr a to by při použití znamenalo, že by se v užších místech rychleji přepalovala, protože by v různých částech vlákna byl výrazně odlišný odpor. A tak se k vláknu připojil zdroj proudu, z prostředí byl vyčerpán vzduch a nahrazen svítiplynem (tedy směs vodíku, oxidu uhelnatého, metanu a dalších složek). Proud rozžhavil vlákna, a to nejvíce v zúženích. Na těchto zeslabených místech se svítiplyn začal spalovat. Přitom vznikaly uhlíkové saze, které se usazovaly právě na rozžhavených, zeslabených částech vlákna.

Pak se k uhlíkovému vláknu musely připojit platinové elektrody (platina a sklo mají stejnou tepelnou roztažnost, takže se snižuje riziko prasknutí). Spojení těchto dvou materiálů také nebylo úplně jednoduchou záležitostí, přitom muselo být co nejlepší, jinak životnost zdroje rychle klesala. Relativně jednoduchým krokem pak bylo zajistit vyčerpání vzduchu a žárovku vzduchotěsně zatavit. Ve zvládnutí všech kroků tohoto procesu dostatečně levně a spolehlivě byl Edisonův primát.

Boj o světlo

Oblouková lampa v akci. Obě elektrody jsou jasně patrné.

Oblouková lampa v akci. Obě elektrody jsou jasně patrné.

Ještě dva roky poté, co Edison představil své elektrické žárovky, získal František Křižík zlatou medaili za svou obloukovou lampu, ve které zdrojem světla nebyl průchod proudu žhavícím se materiálem, ale přímo elektrický výboj mezi dvěma elektrodami ve svítilně. Zdálo by se, že žárovka má vážnou konkurenci, ale skutečnost byla trochu jiná. Obloukovky byly drahé a jejich nedostatky (hlavně odhořívání elektrod) a potíže se zmenšováním na rozměry použitelné v domácnostech, je poměrně rychle odsoudily do role druhých houslí. I přesto, že jejich vlastnosti se zlepšovaly celé 20. století a mohou být zdrojem příjemného světla.

Větším soupeřem bylo v té době pro žárovku plynové osvětlení, za kterým stála moderně řečeno silná lobby plynárenských společností a fakt, že do plynové infrastruktury se v mnoha městech už předtím mohutně investovalo. V boji o světlo používaly plynárenské podniky (a nejen ony) i dost nečisté taktiky: „Upozorňovaly na vznik očních chorob při svícení žárovkou i na stížnosti anglických dam nespokojených s tím, že jejich kůže vypadá v elektrické světle zsinale, až po vyvolávání strachu ze střepin při rozbití skleněné baňky žárovky. Na nový vynález se tak zpočátku valily jen pomluvy. Jediný, kdo na této kampani profitoval, byly kosmetické firmy, které vzápětí produkovaly přípravky dodávající ženám pod žárovkami opět jejich svěží půvab“, napsali ve svém článku o vývoji žárovky Jan Mikeš, Marcela Efmertová z ČVUT.

Ale výhody žárovky v osvětlování se nakonec ukázaly (byť ne tak rychle třeba u veřejného osvětlení), a technologie se rychle šířila. Ferdinand Pietsch v roce 1910 v Časopise pro pěstování mathematiky a fysiky (digitalizovaný článek zde) uváděl, že za zhruba deset let cena žárovek klesla o dva řády: na konci 19. století stály podle něj 18-25 korun, v roce 1910 to bylo 50 haléřů.

Konkurence ovšem nespala. Ještě na samém konci 19. století se začaly v plynových lampách používat zdokonalené hořáky (především tzv. Auerovy). Samotný plyn nemá příliš jasný plamen, ale tyto vylepšené hořáky byly napuštěny látkami (dusičnany ceru a thoria), díky kterým byl plamen klidnější a jasnější. Uhlíková žárovka v porovnání s vylepšeným plynovým světlem ztratila velkou část své výhody, pak se ovšem objevilo zdokonalení, které víceméně na jedno století opanovalo oblast domácího osvětlení.

Wolframová žárovka se závitem E27

Wolframová žárovka se závitem E27

Přichází kov

Šlo o žárovky s kovovým vláknem. Může se vlastně zdát překvapivé, že se žárovky nevyráběly z kovů od začátku, ale má to samozřejmě praktické důvody. S kovovými vlákny, hlavně platinovými, se totiž ve druhé polovině 19. století poměrně hojně experimentovalo. Brzy se však zjistilo, že platinový drátek křehne a praská. Navíc je samozřejmě dosti drahý.

Také bylo brzy jasné, že úspěšné žárovky musí pracovat s opravdu vysokými teplotami nad 2 000 °C. Čím více, tím lépe, protože účinnost poměrně rychle stoupá a k jejímu zdvojnásobení stačí zvýšení teploty o pár set stupňů. Kovů, které by takovou teplotu vydržely, není mnoho: použít šly jen těžko (tedy za vysokých teplot) tavitelné kovy jako např. tantal, osmium, wolfram, molybden atp.

Výhody kovu se pokoušely nejprve využít hybridní typy, ve kterých byl uhlík nahrazen kovem jenom částečně. Vlákna byla tedy například jen pokovená, ale jádro byl stále „uhel“. Přesto se u nich dosahovalo snížení spotřeby energie o více než čtvrtinu.

První relativně úspěšnou čistě kovovou technologií byly tantalové žárovky, protože tento kov šlo ze všech vhodných kandidátů zpracovat nejlépe. Přišla s nimi na přelomu 19. a 20. století firma Siemens. Měly tu zajímavou provozní vlastnost, že vlákno se během životnosti postupně zkracovalo. Na začátku byly kvůli tomu žárovky náchylné k poškození otřesem, protože vlákno s sebou dost „hýbalo“. Tantalové žárovky se používaly ve větším měřítku pár desítek let, ale pak je nahradily žárovky z jiných kovů s vyšší teplotou tání a vyšší pracovní teplotou.

Trvalo to tak dlouho proto, že u ostatních zmiňovaných kovů „narážíme právě na nemilou překážku,“ jak v roce 1910 napsal již zmiňovaný Ferdinand Pietsch. Tyto prvky (právě s výjimkou tantalu) nejsou při vysokých teplotách tzv. tažné, takže z nich nelze tím nejjednodušším způsobem, zahřátím a natažením, udělat drát či drátek. Hledání způsobů, jak obejít tuto velkou nevýhodu, bylo základem vývoje kovových žárovek.

Od žárovky k televizoru

Jako výrobce žárovek začala i společnost Philips.

Replika historické žárovky Philips s uhlíkovým vláknem. Při příkonu 60W svítí asi jako dvě svíčky.

Replika historické žárovky Philips s uhlíkovým vláknem. Při příkonu 60W svítí asi jako dvě svíčky.

Reportáž z Eindhovenu najdete ZDE.

Ve své době šlo o pečlivě střežená výrobní tajemství. Kovy se například drtily na prášek a míchaly třeba s klihem, gumou či cukrem. Z této „kaše“ se pak vytlačovala vlákna. V jiných postupech se tyto materiály rozpouštěly střídavě v kyselině a zásadě na velmi jemné částečky, až vznikla „kašička“ (tzv. hydrosol). Pak se zavedením proudu zbavila části vody (tj. elektrolýzou), a pak se pod tlakem lisovala tato směs to vláken.

Jednoznačným vítězem se stala nakonec americká společnost General Electric a její inženýr William Coolidge. Ten totiž jako první zvládl výrobu vláken z wolframu, který má při teplotě tání cca 3 400 °C skvělé předpoklady pro výrobu žárovek, ale přitom je jinak velmi křehký.

Coolidge vyvinul (samozřejmě s pomocí svých vědeckých předchůdců) složitý proces, který si jen přiblížíme: wolfram se nejprve namele na prášek a pak se za vysokých tlaků slisuje do tyčí. Ty se zahřejí na 1 300 °C, zchladí ve vodní lázni, pak se průchodem elektrického proudu zahřejí na 3 200°C a znovu zchladí. Poté znovu zahřejí na 1 500 °C, tentokrát ve vodíkové peci, pak se materiál válí a tepe za běžných teplot, aby se nakonec ještě jednou zahřál a pomalu zchlazoval, zatímco se z něj vytahuje milimetrový drátek.

Vývoj se tím samozřejmě nezastavil. V moderních obyčejných žárovkách se používá dvakrát navinutá wolframová spirála a plnění baňky argonem, který zpomaluje odpařování wolframu. Pracovní teplota vlákna se tak mohla zvýšit na cca 2 800 °C. To je zhruba o 800 °C více než u uhlíku a o 400 °C více oproti prvním kovovým žárovkám. To zase v důsledku vede ke zvýšení celkové účinnosti na více jak pětinásobek oproti „uhlíkovkám“ a více jak dvojnásobek oproti jednoduchým kovovým zdrojům. Zlepšila se tím i barva vyzařovaného světla.

Wolfram s krystaly křemene a pyritu

Wolfram s krystaly křemene a pyritu

Ingot lisovaného wolframu

Ingot lisovaného wolframu

Ale to je drahé!

Nové kovové žárovky měly ovšem na začátku 20. století jednu velkou nevýhodu: byly dražší. V podstatě přesně se tak opakovala situace na konci 20. století, kdy jsme přistupovali s velkou nedůvěrou (a ne zcela neoprávněnou) k novým, dražším zdrojům světla, i když slibovaly vyšší účinnost. Dejme slovo přímým svědkům sto let staré „žárovkové revoluce“ (za upozornění na text děkujeme časopisu Vesmír z listopadu 2013):

„Právě čtu v posledním čísle časopisu Helios ze dne 14. března t. r., že firma Siemens a Halske cenu 16tisvičkové lampičky tantalové snížila z 2.50 mark na 2 marky, což činí 2.40 K. Uhlíková lampička 16tisvíčková se u nás prodává za 0.60 K. Řeknete však, kdo že by dal za lampičku tantalovou 2.40 K, když tutéž lampičku uhlíkovou obdržím za 0.60 K, tedy za čtvrtinu!

Ale věc má ještě jinou stránku. Lampička sama nesvítí; teprve, když jí prochází proud. Práce proudem v každé sekundě vykonaná proměňuje se právě v teplo a světlo. Tato práce není zadarmo, musíme ji zaplatiti. [...] Lampičky uhlíkové vyžadují na jednu svíčku 3½ Watt, jsou, jak zkrátka pravíme, 3½-wattové, naproti tomu tantalové vyžaduji na jednu svíčku jen 1½ Watt, jsou tedy 1½-wattové. Pro 16 svíček to činí při uhlíkové 56 Watt, při tantalové jen 24 Watt.

Svítíme-li hodinu, spotřebuje lampička uhlíková 56 Watthodin, tantalová 24 Watthodin elektrické práce. V praxi se počítá v jednotce 1000kráte větší, na kilowatthodiny. Dle tarifu elektrárny Pražské účtuje se kilowatthodina v době večerní za 60 haléřů. Ono svícení po dobu hodiny by tedy stálo u lampičky uhlíkové 56 × 60 / 1000 = 3.36 haléře, u lampičky tantalové 24 × 60 / 1000 = 1.44 haléře.

Plakát propagující Edisonovy žárovky z roku 1916

Plakát propagující Edisonovy žárovky z roku 1916

Udává se, že lampičky žárové vydrží až 800 hodin, někdy i více. Počítejme jen 500 hodin. Za tuto dobu zaplatili bychom u lampičky uhlíkové 500 × 3.36 h = 16.80 K, u tantalové 500 × 1.44 h = 7.20 K. Rozdíl činí 9.60 K. Ale tím je větší cena lampičky tantalové, o 1.80 K, více než pětkráte kryta! Pozorujete již, v čem je jádro celého konkurenčního boje.“

Tolik Čeněk Strouhal v časopise Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky v roce 1909 (text najdete na této adrese, ale doporučujeme i stránky České digitální matematické knihovny dml.cz, kde najdete i další zajímavé texty).

Ale zatímco matematici a rození racionalisté si výhody spočítali rychle, běžní spotřebitelé byli přece jen opatrnější. Stejně jako dnes se i tehdy mluvilo o možných opatřeních na zvýšení atraktivity těchto úspornějších technologií. Tehdy se ovšem na rozdíl od dnešní doby debatovalo méně o legislativních opatřeních, zato více třeba o dotacích od elektrárenských podniků či majitelů domů a bytů (nájemní bydlení bylo výrazně rozšířenější než dnes).

Nakonec ani vyšší pořizovací cena kovových žárovek nedokázala přebít jejich další zásadní výhody, a tak zůstaly až do konce 20. století nejoblíbenějším světelným zdrojem. Čerstvě nobelovkou ověnčené LEDky si podobnou oblibu u spotřebitelů musí teprve vydobýt. Ale pokud něco naznačuje pohled do minulosti, nečekejme, že to bude napřesrok.







Hlavní zprávy

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.