Boj o světlo

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, stojí určitě za připomenutí, že LEDková „revoluce“ není rozhodně první, kterou obor zažívá. Jedna velmi podobná probíhala v době zhruba před sto lety, kdy „Edisonovo duchovní dítko“, uhlíková elektrická žárovka, vedlo svou závěrečnou bitvu o místo na výsluní. Zřejmě první prakticky použitelnou žárovku sestrojil Heinrich Göbel roku 1854, tedy zhruba čtvrt století před Edisonem. Německý vynálezce našel vhodné vlákno, když údajně v zoufalství nad neúspěchy experimentů odlomil ze své bambusové vycházkové hole kousek a použil ho jako vlákna do svého světelného zdroje. Organické vlákno se ukázalo díky jednoduché výrobě jako výhodný zdroj pro první generace žárovek. 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, výrazně zvyšuje účinnost a snižuje riziko spojené s rozžhavením žárovky na vysokou teplotu. Göbel ovšem neměl prostředky na patentování vynálezu a rozjezd výroby. A to naopak byla Edisonova silná stránka. 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 v současnosti 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.

Technicky šlo vlastně o typ velmi podobný Göbelově žárovce a dalším takovým žárovkám s vlákny z organických materiálů jiných typů ze stejné doby. Důležité bylo, že Edison dokázal „světelné baňky“ jako první vyrábět relativně spolehlivě a ve velkém. Technologie se šířila a ceny padaly. V Čechách cena žárovek klesla za deset let o dva řády: na konci devatenáctého století stála jedna zhruba 15 až 25 korun, v roce 1910 to bylo kolem 50 haléřů. Uhlíková žárovka byla levná a osvědčená. Pak ji ovšem náhle poslalo do důchodu zdokonalení, které víceméně na jedno století opanovalo osvětlení vůbec.

Doba kovová

Zmiňovanou inovací byly žárovky s kovovým vláknem. Může se vlastně zdát překvapivé, že se žárovky nevyráběly z kovů od začátku, ale má to samozřejmě praktické důvody. Vědci a inženýři používali hlavně platinové drátky, ale ty rychle křehnou a praskají. Navíc jsou samozřejmě drahé. Mnoho dalších možností na dohled nebylo: účinné 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. Použít šly jen těžko 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 tvořil 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 bylo lze ze všech vhodných kandidátů zpracovat nejlépe; s nimi přišly na přelomu devatenáctého a dvacátého století Siemensovy závody, jak se tehdy říkalo. Měly tu zajímavou a nešťastnou 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 nakonec ustoupily jiným typům, ale trvalo to poměrně dlouho. Zmiňované prvky s vysokou teplotou tání nejsou (s výjimkou tantalu) 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. 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 pod tlakem se tato směs lisovala do vláken. Nakonec zvítězil wolfram (teplota tání 3 400 °C), který jako první dokázal „ovládnout“ William Coolidge, tehdy u firmy GE. Wolfram se 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, aby se opětovně zahřály na 1 500 °C ve vodíkové peci. Poté se materiál válí a tepe za běžných teplot a nakonec se ještě jednou zahřeje a pomalu zchlazuje, zatímco se z něj vytahuje milimetrový drátek. Postupně se začala používat dvakrát navinutá wolframová spirála a plnění baňky argonem, který zpomaluje odpařování vlákna. 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.