ЩЕЛОЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР

В обыкновенном гальваническом элементе в результате реакции, образующей электрический ток, активные вещества на электродах уничтожаются. Благодаря этому через определенный промежуток времени использованный элемент прекращает работу. Аккумуляторы — это гальванические элементы, которые допускают регенерацию тока, то есть новую зарядку элемента. В 1859 году французский физик Плантэ предложил свинцовые, или кислотные, аккумуляторы, получившие впоследствии большое распространение.

Изобретение динамо-машины способствовало распространению аккумуляторов, давая возможность путем их зарядки получать недорогой ток. Лампочка накаливания Эдисона и последовавшее быстрое развитие электрического освещения увеличили спрос на аккумуляторы. Плантэ стал усиленно работать над усовершенствованием своего элемента. Во время известной нам Всемирной выставки в Париже 1889 года по Сене плавала сконструированная Труве лодка, которая приводилась в движение электромотором, питаемым батареей аккумуляторов Плантэ.

С гальваническими элементами (а позднее и с аккумуляторами) Эдисону приходилось иметь много дела и в тот период, когда он работал телеграфистом, и во время работ над квадруплексным телеграфом, и при усовершенствовании телефона.

В основном кислотный аккумулятор представляет собою стеклянный сосуд, наполненный разведенной серной кислотой, в которую погружены две совершенно одинаковые свинцовые пластинки. Различные кислотные аккумуляторы отличаются лишь способом получения и укрепления на их электродах активной массы: губчатого свинца и его двуокиси. Кислотные аккумуляторы при ряде своих достоинств (высокое напряжение разряда, значительный коэффициент полезного действия, сравнительно невысокая стоимость) обладают в то же время крупными недостатками: большой мертвый вес (в стационарных батареях лишь пять-шесть процентов всего свинца используется при эксплуатации), значительное количество электролита — серной кислоты, падение электрической емкости батареи во время работы, ограниченная продолжительность службы, недостаточная механическая прочность, боязнь толчков и тряски, необходимость систематического и тщательного ухода. Кроме того, кислотный аккумулятор благодаря наличию свинца и серной кислоты вредно действует на здоровье обслуживающего персонала и особенно рабочих, занятых производством и ремонтом свинцовых электродов. Все это, естественно, побуждало многочисленных изобретателей искать новый тип аккумулятора, свободного от перечисленных недостатков.

С первых дней применения свинцовых аккумуляторов в области электротехники Эдисон всегда утверждал, что батареи этого типа таят в себе органический порок: элементы саморазрушения вследствие очень сложных реакций, происходящих в них независимо от того, работают они или нет.

В самом начале своих работ как-то в разговоре с Бичем, одним из деятелей «Дженерал Электрик», Эдисон сказал:

— Бич, я не думаю, что природа окажется настолько недоброй и станет утаивать секрет создания хорошей аккумуляторной батареи, если будут произведены действительно серьезные поиски ее. Я намереваюсь искать.

И поиски были начаты.

Почти ни одно из всех других изобретений Эдисона не потребовало столько работы, сколько новый аккумулятор.

Работа Эдисона над щелочными аккумуляторами напоминает его методы работы над лампочкою накаливания— огромное количество экспериментов, настойчивость, неутомимость. Нередко карета, подававшаяся Эдисону вечером, чтобы везти его из лаборатории домой, безрезультатно простаивала до утра, а иногда и вовсе уезжала домой, оставляя изобретателя склоненным над томами «Химического словаря Уатса» и над химическими приборами. Изобретатель записывал в особых тетрадях — лабораторных дневниках — все опыты, которые нужно проделать, и в необходимых случаях иллюстрировал свои заметки рисунками, эскизами. Соответствующий сотрудник должен был затем, вооруженный этой инструкцией, немедленно и со всем усердием приступить к работе. Он должен был записывать в ту же тетрадь результаты каждого опыта и ежедневно, а иногда и чаше, докладывать Эдисону о ходе работы. Эдисон ежедневно обходил лаборатории и был в курсе всех исследований работавших экспериментаторов. Обладая исключительной памятью, он знал все детали каждого из многочисленных опытов так, как будто бы он все проделывал лично.

Ведение рабочих дневников, начатое в лабораториях Менло-Парка, Эдисон сохранил на всю свою жизнь. При нашем посещении Эдисона мы видели в его библиотеке тысячи этих тетрадей. Они заполнены его заметками, рисунками, воспоминаниями, краткими отчетами о тысячах различных опытов, выполненных им лично или под его руководством. Эти тетради являются документами редкого значения, охватывая многообразные и богатейшие опыты в различных отраслях знаний. Они рисуют объем усилий исключительного ума, отвоевывающего у природы ее тайны. Эдисон один и тот же вопрос часто ставит в десятках и сотнях различных вариантов.

Методы и приемы Эдисона увлекали его сотрудников. Один из них, работавший с Эдисоном в течение почти десяти лет, посвященных аккумуляторной батарее, сказал: «Если бы эксперименты, исследования и работы Эдисона над аккумуляторной батареей были единственным, что он сделал за всю свою жизнь, то я все же мог бы сказать, что он не только крупный изобретатель, но и великий человек. Почти невозможно составить представление о тех затруднениях, которые были преодолены».

Первые десять тысяч опытов по получению аккумулятора оказались безрезультатными. Когда Маллори высказал об этом сожаление, Эдисон ответил ему с усмешкою: «Результаты! Но, мой друг, я их получил много. Я открыл тысячи вещей, которые не позволили мне разрешить поставленную задачу; вот и все».

Эти опыты велись в течение многих месяцев непрерывно круглые сутки, но вера Эдисона в успех не была сломлена. Его оптимизм не был поколеблен. В неудачном исходе эксперимента Эдисон видел лишь приближение к цели по методу исключения непригодных решений. «Идти к цели через опыты и учиться на ошибках!» — таков был девиз Эдисона.

Руководствуясь своим принципом — ограничивать в каждый данный момент круг своих исканий, Эдисон сконцентрировал первоначально все свои усилия на отыскании положительного электрода аккумулятора. Он брал угольные стержни и наполнял их поры всеми возможными химическими веществами, не слишком дорогими по цене. Затем он применял каждый из этих стержней в качестве положительного электрода в паре с обычным отрицательным электродом — цинком, помещал каждую пару пластин в отдельную банку, наполняя ее различными электролитами, и проверял показания гальванометра при разрядке. Число этих экспериментов быстро достигло нескольких тысяч, но ожидаемых результатов не было получено. Наконец, применив однажды в качестве положительного электрода (анода) гидрат никеля, Эдисон получил очень большое отклонение гальванометра. Повторив эти опыты с другими парами подобного же типа и получив аналогичные результаты, Эдисон начал тогда поиски более подходящего отрицательного электрода (катода), применяя при этом в качестве положительного полюса гидрат никеля. После длинного ряда экспериментов он нашел особый сорт железа.

Эти обширные изыскания, поглотившие много месяцев упорной работы и увенчавшиеся отысканием ряда многообещающих реакций между никелем и железом, открыли перед Эдисоном путь в новую, до сих пор неисследованную область.

Решив применять в качестве электродов для аккумуляторной батареи железо и никель, Эдисон сооружает вскоре химический завод на озере Силвер, так как прежде всего необходимо было получить наиболее чистые и лучшие вещества для электродов. При этом он обнаружил, что работающие на этом производстве химики знают относительно немного о необходимых ему чистых, высококачественных гидрате никеля и окиси железа. Это обстоятельство наводит Эдисона на мысль о необходимости провести целый ряд специальных химических исследований. Он поручает эти исследования группе сотрудников, специально подготовленных им, и работает с ними сам. В течение нескольких лет на химическом заводе велись непрерывные работы по изготовлению и испытанию всеми возможными способами этих химических веществ.

Некоторое представление о размахе опытов Эдисона дает его ответ одному из ассистентов лаборатории, спросившему, сколько приблизительно опытов было проделано в течение первых трех-четырех лет работы над аккумуляторной батареей. «Мы нумеровали наши опыты по сериям буквами. Начинали от А 1 и шли до А 10 000. Достигнув А 10 000, мы возвращались опять к 1 и шли от В 1 до В 10 000, и т. д. Мы провели несколько серий таких опытов; сколько было их точно, я сейчас не помню; во всяком случае, было выполнено не менее 20 000 опытов».

С первых дней работы над аккумуляторной батареей Эдисон предполагал изготовить ее в виде металлического сосуда, содержащего внутри активные вещества: гидрат никеля в качестве положительного электрода и окись железа в качестве отрицательного.

Эта мысль последовательно проводилась при всех последующих работах и нашла свое окончательное оформление в современном типе аккумулятора. Переход от первого примитивного элемента к современному потребовал тяжелого труда. Главный химик Эдисона Эйлсуорт позднее рассказывал: «Мы проводили опыты одновременно с обоими веществами. В одних случаях никель давал лучшие результаты, в других случаях — худшие. Для того чтобы стимулировать работу, Эдисон вывесил доску, на которую заносил результаты испытаний опытных образцов в миллиампер-часах при различном процентном содержании никеля и железа. Эта доска побуждала работников все время улучшать показатели. Некоторые из наших первых испытаний давали приблизительно 300, но по мере улучшения качества материалов эта цифра превысила уже 500 миллиампер-часов. Как раз в это время Эдисон уезжал в Канаду, и к его возвращению мы сделали такие успехи, что цифра эта возросла приблизительно до 1 000. Я очень хорошо помню, какое большое удовольствие это доставило Эдисону». В настоящее время эта цифра достигает 1 200 миллиампер-часов для положительных электродов и приблизительно 1 700 для отрицательных.

После долгой, упорной работы Эдисон в 1901 году изобрел, наконец, свой щелочной аккумулятор. Германский патент за № 157290 был выдан Эдисону 6 февраля 1901 года. Независимо от этого Юнгер в Европе (германский патент № 163170 от 21 марта 1901 года) также создал щелочной аккумулятор. Таким образом, в начале двадцатого столетия сразу появились два годных для практических целей щелочных аккумулятора. Аккумуляторы Эдисона вырабатывались в Америке с 1903 года, а в Европе — с осени 1906 года.

Эдисон приступил к производству аккумуляторных батарей на специальном заводе в Глен-Ридже. Заказы стали поступать в таких количествах, что завод не мог удовлетворить все запросы. Большого внимания заслуживает чрезвычайно характерный для Эдисона факт. Первоначальная батарея Эдисона, известная под названием «типа Е», имела успех и быстро раскупалась.

Однако Эдисон, продолжая испытывать свои элементы, скоро выявил, что известные партии батарей оказываются низкого качества (элементы постепенно теряли свою электрическую емкость). Эдисон решил, что чем шире будет развиваться дальнейшее производство, тем большим будет процент выпущенных негодных батарей. Он сделал отсюда логический и решительный вывод: приостановил временно производство, не останавливаясь перед угрожавшим большим материальным ущербом и возможностью скомпрометировать аккумуляторную батарею в глазах потребителя. «Ряд возобновленных атак привел к победе», и новый элемент Эдисона в его современном виде выпущен на рынок в конце 1908 года. Опять была проделана большая работа — вторая серия опытов: менялись конструкции, видоизменялся способ изготовления и комбинации активных веществ. Новый элемент был так и назван — «типа 1908 г.». После того как эта новая батарея удовлетворила изобретателя, в начале лета 1908 года шестидесятипятилетний Эдисон вновь открыл свой завод и широко пустил производство аккумуляторов в их законченном виде. Эдисон всегда требовал высокого качества изделий, первоклассности чертежей, материалов и изготовления. Он гордился тем, что его торговая марка всегда являлась гарантией высокого качества товара.

Аккумуляторы Юнгера под названием «Нифе» (никель-феррум) начали выпускаться в продажу с 1910 года Шведским акционерным обществом Юнгера в Стокгольме.

Юнгер и Эдисон взяли патенты на целый ряд комбинаций, пока, наконец, не остановились на следующих:

1. Эдисон — окислы никеля в качестве анода, железо в качестве катода и электролит — едкий кали (железно-никелевые аккумуляторы);

2. Юнгер — окислы никеля в качестве анода, железо и кадмий в качестве катода и электролит — также едкий кали (железно-кадмиево-никелевые).

Всем известно, что переносные кислотные аккумуляторные батареи имеют очень непродолжительный срок службы — от одного года до трех лет — и то при условии особо тщательного за ними ухода. Несвоевременный заряд или разрядка большой силой тока легко могут сократить еще более этот срок службы.

Щелочные аккумуляторы в таких же условиях работы, благодаря большой прочности пластин и сосудов, служат в три-четыре раза дольше, могут быть оставлены без зарядки длительное время и выдерживают разряд силой тока, превосходящей в шесть-восемь раз нормальный. Кроме того, щелочные аккумуляторы, как было отмечено выше, не выделяют вредных кислотных газов, а потому могут устанавливаться непосредственно в жилых помещениях без боязни испортить аппаратуру и причинить вред здоровью людей. Само собой понятно, что столь ценные свойства делают щелочные аккумуляторы незаменимыми при применении их в качестве переносных батарей всех типов — от радиолюбительских до шахтерских, а также для целей тяги и стартера, и в особенности для военного дела, то есть во всех случаях, для которых электрическая и механическая прочность аккумуляторов приобретает особое значение.

Что же касается стационарных аккумуляторных установок, имеющих выделенное аккумуляторное помещение и квалифицированный технический штат, то для таких установок высокая отдача и напряжение кислотных аккумуляторов играют в выборе типа аккумуляторов решающую роль, а потому такие установки почти исключительно оборудуются не щелочными аккумуляторами, а кислотными.

По своему устройству аккумуляторы Эдисона несколько сложнее аккумуляторов Юпгера. Активная масса положительных пластин этих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля № (ОН)3. Для увеличения проводимости к ней прибавляются графит и тончайшие лепестки электролитического никеля. Активная масса набивается чередующимися слоями в трубки из никелированной жести с мелкими отверстиями. Трубки укрепляются в раме из никелированной стали. Активной массой отрицательной пластины является измельченное железо, к которому для увеличения проводимости добавляется ртуть. Активная масса помещается в прямоугольные коробочки — карманы из тонкой гофрированной и никелированной жести с мельчайшими отверстиями, которые впрессовываются в рамки из никелированной стали.

Электролитом как в аккумуляторах Юнгера, так и Эдисона служит двадцатитрехпроцентный раствор едкого кали.

В основном щелочные аккумуляторы, изготовляемые другими фирмами (например, французскими, немецкими и другими), повторяют конструкции элементов Эдисона и Юнгера, отличаясь от них лишь частностями.

Как мы уже говорили выше, благодаря меньшему весу, слабому саморазряду и простому уходу щелочные аккумуляторы имеют значительные преимущества перед кислотными в области электрической тяги, где они применяются в качестве источников тока в автомотрисах, маневровых и рудничных электровозах, автобусах, грузовых и легковых машинах, электрокарах и подводных лодках. Электровозы со щелочными аккумуляторами появились в США впервые вскоре после изобретения Эдисоном своего аккумулятора, но значительное распространение они получили после империалистической войны.

Эдисон является также изобретателем аккумуляторной лампочки для подземной работы углекопов в шахтах. Преимуществом аккумуляторной лампы для рудничной работы является полная герметичность накаливаемой нити. На всякий случай лампа имела также особое защитное приспособление от взрыва газов.

ЭДИСОН ВО ВРЕМЯ ИМПЕРИАЛИСТИЧЕСКОЙ ВОЙНЫ

28 июля 1914 года в Европе началась империалистическая война. Война нарушила нормальное течение американской промышленной жизни еще задолго до того, как США стали ее непосредственным участником.

Порожденные войной кризисы и голод в ряде промышленных областей поставили новые задачи перед техникой и изобретательской мыслью. Перед Эдисоном открываются новые обширные области работы.

Для дисков фонографа Эдисону необходим был особый химический препарат — фенол. Говорят, что Эдисон употреблял в то время фенола больше, чем какой-либо другой промышленник США. Источником фенола является угольная смола. Фенол, употреблявшийся США, привозился из Англии и Германии.

Мировая война явилась новым важнейшим потребителем фенола, который требовался для производства пикриновой кислоты, входящей в состав сильнейших взрывчатых веществ. Импорт фенола в США прекратился. Америка стала испытывать фенольный голод. Эдисон запросил многих представителей американской химической промышленности, не возьмутся ли они за изготовление синтетического фенола путем получения его из соединения различных элементов. Химическая промышленность давала сроки в шесть-девять месяцев.

Эдисона не могли удовлетворить эти сроки. Тогда он решается сам производить искусственный фенол. Под его руководством химики производят эксперименты, устанавливают план и процессы производства; проектируется фабрика, и Эдисон с лихорадочной поспешностью начинает ее строить. Три смены рабочих работают круглые сутки. И по истечении восемнадцати суток вступает в эксплуатацию новая, первая в Америке фабрика синтетического фенола. По прошествии месяца ежедневный выпуск продукции превышал уже одну тонну, а спустя шесть месяцев достиг шести тонн. Эдисон был буквально засыпан заказами на фенол. Потребность в феноле была настолько велика, что Эдисон решил открыть второй завод. Этот завод был сооружен в такой же короткий срок, как и первый, и выпуск продукции на нем также достиг шести тонн в сутки. Его продукция была продана еще до окончания постройки завода. Военное и морское министерства первыми заключили с Эдисоном договоры на крупные поставки фенола.

В первые дни работы фенолового завода выявился недостаток в бензоле, необходимом для получения фенола, а также ряда других синтетических продуктов. Бензол добывается из газов, получаемых при дистилляции угля в коксовых печах. В начале 1915 года Соединенные Штаты производили бензол лишь в ограниченном количестве. Эдисону сразу стало ясно, что если он не обеспечит себя регулярным получением бензола в достаточном количестве, то производство фенола затормозится. Кроме того, различные представители текстильной промышленности обратились к нему с просьбой организовать производство анилинового масла, без которого они не могли обойтись и которого также не было. В свою очередь, анилиновое масло было необходимо также и для получения парафенилдиамина. Производство же анилинового масла требовало бензола. Таким образом, организация постоянного производства бензола в крупном масштабе была совершенно необходимой. Верный своим методам, Эдисон изучает всю известную литературу по вопросам получения бензола, изучает методы его производства. Далее он обратился к металлургическим заводам с предложением соорудить бензоловый завод около коксовых печей с использованием газов этих печей для производства бензола. Расходы по эксплуатации завода он брал на себя, обязуясь, кроме того, уплачивать один процент за каждый галлон (4,543 литра) бензола, толуола или ксилола, получаемых из газа. Металлургические заводы продавали Эдисону продукт, который до сих пор выпускался ими в воздух.

Обычно на постройку бензолового завода требуется от девяти до десяти месяцев. Но Эдисон составил план постройки завода в шестьдесят дней. При своем большом опыте он хорошо знал, где можно было достать оборудование и аппаратуру.

Контракт на постройку первого бензолового завода в Джонстауне был подписан 18 января 1915 года. Работы были начаты уже через час после подписания контракта, а по прошествии сорока пяти дней завод был построен и готов к эксплуатации. Второй завод, в Вудворде, был выстроен в два месяца. Вудворд расположен дальше от тех мест, где приобреталось оборудование, и это потребовало больше времени на перевозку оборудования по железным дорогам.

Обеспечив себя, таким образом, бензолом, Эдисон разработал проект сооружения завода анилиновых масел с производительностью в две тонны в сутки. Этот завод был построен в сорок пять дней. Еще задолго до того, как он начал работать, ряд фабрикантов уже заключили с Эдисоном договоры на покупку всей продукции завода.

Неутомимый шестидесятивосьмилетний Эдисон переходит теперь к производству парафенилдиамина — химического продукта, который был необходим для производства пластинок фонографа, но применялся также при окраске мехов в черный цвет. До 1914 года Америка импортировала парафенилдиамин из Германии. Эдисон изобрел способ получения парафенилдиамина. Собственные потребности

Эдисона в этом продукте были невелики, и он соорудил сначала около своих лабораторий в Орандже лишь небольшой завод, который давал ему 25 фунтов парафенилдиамина в сутки.