2000-летняя багдадская батарея действительно работает: упущенная из виду деталь подняла напряжение до 1,4 вольта
Споры вокруг так называемого Багдадская батарея — набор артефактов (глиняный сосуд, медный цилиндр и железный слиток), найденных в Ираке и датированных парфянским или сасанидским периодом, — вступает в новую фазу. Долгое время скептики утверждали, что устройство выдает слишком низкое напряжение (около 0,5 В), чтобы его можно было использовать для чего-либо.
Долгое время в академических кругах и среди популяризаторов науки шли споры о цели так называемой «Багдадская батарея«. Этот артефакт, датируемый I веком нашей эры, был обнаружен в 1939 году немецким археологом Вильгельмом Кенигом на территории древнего парфянского поселения Худжут Рабу, недалеко от Багдада. Внешний вид и внутреннее строение находки не оставляют сомнений в ее утилитарном, техническом назначении, однако точный принцип ее действия остается неясным до сих пор.
Устройство состоит из нескольких элементов. Основа — небольшой кувшин из неглазурованной пористой глины. Внутри него находится цилиндр, намотанный из тонкого медного листа. Края этого листа, как и круглое медное дно, прочно пропаяны сплавом свинца и олова. Внутри медного цилиндра помещен железный стержень. Стержень удерживается на месте и изолируется от контакта с медью толстой пробкой из битума (асфальта), закрывающей горловину устройства.
После открытия артефакта исследователи неоднократно пытались доказать, что у них появился первый гальванический элемент в истории человечества. Ученые (в том числе Пол Кайзер в 1993 году) и инженеры-пропагандисты проводили эксперименты, заливая в медный цилиндр различные электролиты, доступные в древности: уксус, соленую воду, лимонный сок или вино. В результате между железным стержнем и медной трубкой возникла разность потенциалов. Железо служило анодом, а медь — катодом.
Однако результаты этих испытаний неизменно разочаровывают. Напряжение этой системы составляет всего около 0,4 вольта. Этой мощности совершенно недостаточно для совершения какой-либо полезной работы. Древние ювелиры не могли использовать этот заряд ни для покрытия одного металла другим (гальваническая техника), ни для гравировки фигурок. Максимум, что могла сделать эта энергия, — это вызвать легкое покалывание на коже. По этой причине скептики приходят к выводу, что устройство не было источником тока, а служило, например, герметичным футляром для хранения свитков папируса.
Независимое исследование Александра Базеса полностью опровергает выводы предыдущих экспериментов. Автор доказывает, что инженеры прошлого создали не просто примитивный источник тока, а сложную систему из двух гальванических элементов, соединенных в последовательную электрическую цепь. Ошибка предыдущих реконструкций заключалась в том, что исследователи игнорировали функции глиняного кувшина и оловянного припоя.
Анализ конструкции показывает нелогичность использования этих материалов, если считать Багдадскую батарею простым сосудом с кислотой. Неглазурованная глина пропускает воду. Если электролит прольется внутрь кувшина, стенки кувшина станут влажными и начнут проводить ток, что приведет к потере энергии. Кроме того, использование свинцово-цинкового припоя на медном цилиндре, погруженном в кислую среду, неизбежно приводит к быстрой гальванической коррозии. Металл разрушается и сосуд теряет герметичность. В классических аккумуляторах всегда стараются использовать чистые металлы без лишних примесей и следов.
Разгадка была скрыта в аналогичных археологических находках, сделанных в Телль-Умаре и Ктесифоне. Там археологи нашли аналогичные пористые банки с запечатанными бронзовыми (свинцовыми) цилиндрами внутри, но железные прутья внутри полностью отсутствовали. Базес предполагает, что основной источник электричества в парфянских устройствах находился не внутри медного цилиндра, а снаружи.
Если наполнить пористый глиняный кувшин щелочным раствором и бросить в него медь со следами оловянного припоя, то запустится совсем другой электрохимический процесс. В древние времена наиболее доступным источником сильного щелочного основания был обычный щелок (раствор гидроксида калия), который массово производили путем вымачивания древесной золы в воде.
В среде гидроксида калия глиняный горшок начинает выполнять функцию металло-воздушного сепаратора аккумулятора. Пористая структура глины удерживает жидкий электролит внутри, но пропускает через стенки кислород из окружающего воздуха. В этой системе олово, содержащееся в припое на поверхности медного цилиндра, действует как анод (отрицательный контакт). Катодом (положительный контакт) служит кислород из атмосферы. Он создается водно-оловянно-воздушная батарея.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, Бэйзес провел серию строгих тестов. Сначала он поместил чистый медный стержень в кувшин с щелочью. Вольтметр показал напряжение 0,43 вольта. Затем исследователь нанес всего одну каплю стандартного свинцово-цинкового припоя на конец медного стержня и снова окунул его в раствор. Напряжение мгновенно подскочило до более чем 1 вольта. Дополнительные испытания с чистым оловом дали результат 1,04 вольта, а с чистым свинцом 0,7 вольта. Эти измерения доказывают, что припой на внешней стороне цилиндра багета – это не строительный материал, а ключевой химический реагент.
Интересно отметить, что современная наука лишь недавно обратила внимание на потенциал систем, использующих олово и щелочь. В 2023 году ученые-материаловеды опубликовали исследование оловянно-водяных батарей, доказав их довольно высокую плотность энергии, во много раз превышающую сегодняшние стандартные батареи. Две тысячи лет назад парфянские мастера эмпирически реализовали тот же принцип.
Когда все компоненты багдадской батареи собираются вместе, устройство начинает работать как единая электрическая цепь.
Первый контурили «внутренняя ячейка», расположена в медном цилиндре. Железный стержень погружен в кислый электролит (например, лимонный сок). В этой реакции железо отдает электроны, а медь их принимает. Медный цилиндр становится положительным полюсом, а напряжение составляет около 0,35 вольт.
Второй контурили «внешняя ячейка», находится в глиняном кувшине. Оловянный припой на внешней стороне медного цилиндра вступает в реакцию со щелочами и кислородом. В этом процессе олово отдает электроны, действуя как отрицательный полюс с напряжением 1,1 вольта.
Поскольку оба процесса происходят одновременно на противоположных сторонах одной медной стенки, две батареи в конечном итоге соединяются последовательно. Внутренняя слабая цепь действует как усилитель более сильной внешней цепи. Когда измеряется общее натяжение между железным стержнем и внешней частью банки, приборы регистрируют стабильное показание выше 1,4 Вольта.
Этого напряжения уже достаточно для настоящей электрохимической работы. В рамках исследования Бэйзес подключил к воссозданной батарее медную пластину и поместил ее в ванну с соленой водой, поместив рядом с контрольной пластиной, не подключенной к источнику тока. Почти сразу же на наэлектризованной пластине начался процесс электролиза воды – на поверхности металла стали образовываться пузырьки газообразного водорода и кислорода. После того как пластины оставались в растворе соли на ночь, погруженная часть пластины, соединенная с батареей, подвергалась сильному гальваническому травлению. Контрольный образец остался без изменений.
Результаты экспериментального моделирования развеивают любые сомнения в работоспособности артефакта. Имея в своем распоряжении только основные материалы — глину, медь, железо, припой, битум и золу, а также фруктовый сок в качестве химических реагентов — ремесленники Ближнего Востока создали надежный источник постоянного тока. Батареи, вырабатывающие напряжение 1,4 В, можно использовать для серебрения медных предметов, создания замысловатых гравированных узоров на ювелирных изделиях и очистки металлов от примесей. Это исследование предоставляет наиболее убедительные физические доказательства того, что практическая электрохимия успешно применялась в древнем мире за девятнадцать столетий до официальных экспериментов Алессандро Вольты.
Все важное из мира технологий прямо на ваш почтовый ящик.
Подписываясь, вы принимаете наши Условия и Политику конфиденциальности. Вы можете отказаться от подписки одним щелчком мыши в любое время.
