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May 24, 2023

Technische Untersuchung und Behandlung einer frühen Batteriebaugruppe

Die Entwicklung der Batterien geht mit unseren Fortschritten sowohl in der Chemie als auch in der Chemie einher

Die Entwicklung der Batterien geht mit unseren Fortschritten sowohl in der Chemie als auch in den Materialwissenschaften einher. Sie dienten als tragbare Energiequelle, ermöglichten kontinuierliche Innovationen in der Luft- und Raumfahrttechnik und werden seit den Anfängen der Luftfahrt eingesetzt. Ein Beispiel für diese Entwicklung ist der unten abgebildete Batteriesatz. Diese sind Teil der Samuel-Langley-Laborexperimente des Museums und liefern die Energie für Langleys spätere Luftfahrt- und wissenschaftliche Experimente.

Langley lebte von 1834 bis 1906 und war ein Luftfahrtpionier. Er wurde bekannt für seine mit Gummibändern angetriebenen Modelle und Flugplätze und trat gegen die Gebrüder Wright im Rennen um die Entwicklung der ersten funktionsfähigen Flugmaschine an. Langley fungierte auch als dritter Sekretär der Smithsonian Institution und baute einige seiner frühen Experimentalflugzeuge hinter dem Smithsonian Castle.

Die abgebildeten Batterien lieferten etwa 1,4 Volt und 12–16 Ampere, was eine deutliche Verbesserung gegenüber den früheren Formen dieses Batteriezellentyps darstellt. Diese besonderen Batterien wurden gegen Ende des 19. Jahrhunderts von der Samson Battery Company/Electric Goods Manufacturing Company in Boston, Massachusetts, hergestellt. Sampson-Glasbatterien wie diese wurden zur Stromversorgung von Türklingeln, Telefonen, der ersten elektrischen Beleuchtung und kleinen elektronischen Geräten verwendet. Sie repräsentieren eine Zeit, in der Batterien eine technische Revolution erlebten und im amerikanischen Leben immer häufiger vorkamen.

Die Serie aus fünf Batteriezellen besteht aus rechteckigen, aquablauen Glasgefäßen mit Deckel. Auf der Oberseite jedes Deckels befindet sich ein zentraler Pluspol und an einer Seite ein Minuspol. An den Deckeln hängen Zinkstäbe, die von Kohlenstoff-Mangan-Zylindern umgeben sind. Jede Zelle wäre in Reihe miteinander verbunden und bildete so eine „Batterie“. Während des Gebrauchs war jedes Gefäß mit Salmiak (Ammoniumchlorid) und Wasser gefüllt, das als Elektrolytlösung diente.

Bei diesen Batterien kam es zu starker Korrosion am Zinkstab, der den Pluspol bildet. Die nach außen gerichtete Kraft der Korrosion zerbrach mehrere der Keramikisolatoren dort, wo der Stab auf den Deckel trifft. Darüber hinaus hatte sich das lose Zinkkorrosionsprodukt auf der Oberfläche der Deckel ausgebreitet (wie im Bild oben zu sehen). Auch die Kupfer- und Eisenbestandteile der Anschlüsse und Drähte hatten Korrosion entwickelt.

Um ein tieferes Verständnis der verschiedenen Komponenten zu erlangen, wurden analytische Techniken eingesetzt, bevor Konservierungsbehandlungen durchgeführt wurden.

Ultraviolett (UV)-Fotografie wird verwendet, um Oberflächenmerkmale zu identifizieren, die unter sichtbarem Licht nicht erkennbar sind, und um Materialien zu charakterisieren.

Das UV-Licht zeigte zwei besonders interessante Merkmale: eine helle Fluoreszenz auf der Oberseite des Deckels und den grünen Farbton des Glases.

Es ist typisch für Zinkkorrosion, dass es leicht blaugrün fluoresziert. Der UV-induzierte fluoreszierende Grünton des Glasgefäßes wurde wahrscheinlich durch einen Zusatz im Glas verursacht. Eine Theorie besagt, dass die Fluoreszenz durch die Verwendung von Uran in Glas verursacht werden könnte. Dies war zwischen den 1880er und 1920er Jahren eine gängige Praxis bei der Glasherstellung.3 Diese Theorie wurde jedoch sowohl durch die RFA-Analyse (siehe Abschnitt unten) als auch durch die Prüfung von Glas auf Strahlung mit einem Geigerzähler widerlegt. Eine weitere Erklärung für dieses unheimliche Leuchten ist die Zugabe von Mangan zum Glas. Dies wird seit Jahrhunderten praktiziert, um die dunkelgrüne Farbe von Glas zu entfernen, die durch Eisenverunreinigungen entsteht, die während der Produktion einer Oxidations-Reduktionsreaktion (Redoxreaktion) unterliegen.

Um diese Theorie zu bestätigen, verwendeten wir Röntgenfluoreszenz (RFA) – eine Technik zur zerstörungsfreien Identifizierung anorganischer Elemente in einem Material – an mehreren Komponenten der Batterie „A“. Das Glasgefäß wies Kupfer- und Manganelemente auf, die zur aquamarinblauen Farbe des Glases beitragen könnten. Das Vorhandensein von Mangan stimmt mit der grünen Fluoreszenz überein, die auf den UV-Fotos zu sehen ist.

Wir haben auch lose Materialstücke mithilfe der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) gesammelt und analysiert. Diese Technik erzeugt ein Infrarotspektrum der Absorption des Materials. Wir haben eine Probe wachsartigen Materials analysiert, die sich im Gefäß und auf der Oberseite der Innenkomponenten befand, und fanden heraus, dass es sich um Paraffinwachs handelte. Dies steht im Einklang mit einem Bericht in der Ausgabe von „Electric Gas Lighting“ aus dem Jahr 1901.2 Das Paraffinwachs wurde als Schutzschicht auf der Oberseite des Gefäßes und des Deckels verwendet, um eventuell während des Gebrauchs verschüttete Elektrolytlösung abzuwehren.

Wir führten auch eine Analyse eines merkwürdigen Textilzusatzes durch, der um die Kupferdrähte zwischen den einzelnen Zellen gewickelt war, und stellten fest, dass es sich um Seide handelte. Während Seide als Isoliermaterial für Kupferdrähte eine seltsame Wahl zu sein scheint, war der englische Wissenschaftler Michael Faraday im 19. Jahrhundert mit seinen Experimenten mit Galvanometern ein Befürworter dieser Methode.1 Die Elastizität der Seide ermöglichte es ihr, sich beim Ziehen mit dem Draht zu bewegen wurde gebogen, ohne dass das darunter liegende blanke Metall freigelegt wurde. Diese Art der Textilummantelung ist eine frühe Variante der heute verwendeten Kunststoffdrahtummantelungen.

Ziel der Behandlung war es, alle historischen Informationen und alle Originalmaterialien in den Batterien zu bewahren und zu bewahren. Dies wurde mit der Notwendigkeit in Einklang gebracht, heruntergekommene Gebiete zu schützen und zu stabilisieren. Batteriebehandlungen können schwierig sein, da die inhärenten Mängel der Materialien es schwierig machen können, bestimmte Komponenten zu erhalten, ohne andere zu beeinträchtigen.

Der erste Schritt der Behandlung bestand darin, alle losen Zinkkorrosionsprodukte sorgfältig von den Deckeln zu entfernen. Dies wurde mit weichen Bürsten und leichtem Vakuumsaugen erledigt. Die Außenseiten der Glasgefäße wurden mit mit entionisiertem Wasser befeuchteten Wattestäbchen gereinigt. Dies wurde sorgfältig durchgeführt, damit das Paraffinwachs auf den Rändern der Gläser nicht beschädigt wurde.

Während die Außenseite des Glases nach der Reinigung weniger staubig und transparenter aussah, wies das Innere auf allen vier Seiten eine Mischung aus Staub und Ammoniakablagerungen auf. Wir haben die Salmiakkristalle aus jedem Glas gekippt, damit die Innenseiten des Glases auf die gleiche Weise wie die Außenseite gereinigt werden konnten. Dadurch wurde die optische Klarheit des Glases deutlich verbessert. Anschließend haben wir Fremdkörper aus dem Salmiak entfernt, bevor wir es wieder in das Glas gegeben haben. Nachdem wir aus dünnem Mylar durchsichtige Einsätze hergestellt hatten, platzierten wir diese zwischen dem Boden der Gläser und den Kristallen, um das Glas vor der sauren Natur des Salmiaks zu schützen und die Entwicklung von Glaskrankheiten zu verhindern.

Nach der Reinigung des Glases haben wir die Zinkelektrode und den Pluspol auf Korrosion behandelt, die instabile Korrosion vom Zink entfernt, alle freiliegenden Metalloberflächen mit einer milden Säure passiviert und der Oberfläche eine klare Schutzschicht verliehen. Anschließend haben wir uns mit der Korrosion des freiliegenden Kupferdrahts befasst, ihn mechanisch reduziert und mit der gleichen Schutzschicht überzogen. Diese Schicht trägt dazu bei, das Risiko einer weiteren Korrosionsentwicklung zu minimieren.

Das Ziel dieser Konservierungsbehandlung war zweierlei: die Batterien für die Lagerung zu stabilisieren und die kuratorischen Aufzeichnungen durch genaue Materialcharakterisierungen zu verbessern. Durch die Verringerung der Zinkkorrosion und eine Umgebung mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit ist eine weitere Korrosionsentwicklung unwahrscheinlich. Ebenso wird die Trennung des Salmiakelektrolyten aus dem Glasgefäß dazu beitragen, dass beide Elemente auch in Zukunft stabil bleiben.

Quellen

1. Mills, A. 2004. Die frühe Geschichte des isolierten Kupferdrahtes. Annals of Science, 61:4, 453-467.2. Schneider, N., 1901. Elektrische Gasbeleuchtung. 1. Aufl. New York: Spon & Chamberlain.3. Emery, K., 2021. Gunson's Glowing Glass: Geschichte und Archäologie von Uranglas. [Blog] Michigan State University, verfügbar unter:

Meredith Sweeney war von 2019 bis 2021 Engen Conservation Fellow. Dieser Blog wurde im Rahmen ihrer Forschung zur Pflege historischer Batterien verfasst.