Studio tecnico e trattamento di un primo assemblaggio di batterie

Oct 18, 2023

L’evoluzione delle batterie va di pari passo con i nostri progressi sia nella chimica che nella scienza dei materiali. Sono serviti come fonte di energia portatile consentendo continue innovazioni nella tecnologia aerospaziale e sono stati utilizzati fin dalle origini dell'aviazione. Un esempio di questa evoluzione è il set di batterie visto di seguito. Questi fanno parte degli esperimenti di laboratorio di Samuel Langley del Museo, che forniscono energia ai successivi esperimenti scientifici e aeronautici di Langley.

Langley visse dal 1834 al 1906 e fu un pioniere dell'aviazione. Divenne noto per i suoi modelli e aerodromi alimentati da elastici e gareggiò contro i fratelli Wright nella corsa per sviluppare la prima macchina volante funzionante. Langley fu anche terzo segretario della Smithsonian Institution e costruì alcuni dei suoi primi aerei sperimentali dietro lo Smithsonian Castle.

Le batterie nella foto fornivano circa 1,4 volt e 12-16 ampere, un valore molto migliorato rispetto alle forme precedenti di questo tipo di cella della batteria. Queste particolari batterie furono prodotte dalla Samson Battery Company/Electric Goods Manufacturing Company di Boston, Massachusetts, intorno alla fine del XIX secolo. Le batterie Sampson, come queste, venivano utilizzate per alimentare campanelli, telefoni, prime luci elettriche e piccoli dispositivi elettronici. Rappresentano un periodo in cui le batterie stavano subendo una rivoluzione tecnica e stavano diventando più comuni nella vita americana.

La serie di cinque celle della batteria è composta da barattoli rettangolari di vetro blu acqua con coperchio. Sulla parte superiore di ciascun coperchio è presente un terminale positivo centrale e un terminale negativo su un lato. Ai coperchi pendono aste di zinco circondate da cilindri di carbonio-manganese. Ciascuna cella sarebbe stata collegata all'altra in serie, formando così una "batteria". Durante l'uso, ogni vaso sarebbe stato riempito con sale-ammoniaco (cloruro di ammonio) e acqua che avrebbe agito come soluzione elettrolitica.

Queste batterie soffrivano di un'estesa corrosione sull'asta di zinco che forma il terminale positivo. La forza della corrosione verso l'esterno ha rotto diversi isolanti ceramici nel punto in cui l'asta incontra il coperchio. Inoltre, il prodotto della corrosione dello zinco si era diffuso sulla superficie dei coperchi (come mostrato nell'immagine sopra). Anche i componenti in rame e ferrosi dei terminali e dei fili avevano sviluppato corrosione.

Sono state utilizzate tecniche analitiche per ottenere una comprensione più approfondita dei vari componenti prima che avvenissero i trattamenti conservativi.

La fotografia ultravioletta (UV) viene utilizzata per aiutare a identificare le caratteristiche superficiali non rilevabili alla luce visibile e per caratterizzare i materiali.

La luce UV ha mostrato due caratteristiche particolarmente interessanti: una brillante fluorescenza sulla parte superiore del coperchio e la tonalità verde del vetro.

È tipico che la corrosione dello zinco emetta una fluorescenza di colore blu-verde chiaro. La tonalità verde fluorescente indotta dai raggi UV del barattolo di vetro è stata probabilmente causata da un additivo presente sul vetro. Una teoria è che la fluorescenza potrebbe essere causata dall'uso dell'uranio nel vetro. Questa era una pratica comune di produzione del vetro tra il 1880 e il 1920.3 Tuttavia, questa teoria fu smentita sia dall'analisi XRF (vedere la sezione seguente) sia dal test delle radiazioni del vetro con un contatore Geiger. Un'altra spiegazione per questo bagliore inquietante è l'aggiunta di manganese al vetro. Questa pratica è stata utilizzata per secoli per aiutare a rimuovere il colore verde scuro del vetro causato dalle impurità di ferro sottoposte a una reazione di ossido-riduzione (redox) durante la produzione.

Per confermare questa teoria, abbiamo utilizzato la fluorescenza a raggi X (XRF) - una tecnica utilizzata per identificare in modo non distruttivo gli elementi inorganici all'interno di un materiale - su diversi componenti della batteria "A". Il barattolo di vetro mostrava elementi di rame e manganese, che potrebbero contribuire al colore blu acqua del vetro. La presenza di manganese è coerente con la fluorescenza verde vista nelle fotografie UV.

Abbiamo anche raccolto e analizzato pezzi sciolti di materiale utilizzando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). Questa tecnica crea uno spettro infrarosso dell'assorbimento del materiale. Abbiamo analizzato un campione di materiale ceroso trovato all'interno del barattolo e sulla parte superiore dei componenti interni e abbiamo scoperto che si trattava di cera di paraffina. Ciò è coerente con un rapporto trovato nell'edizione del 1901 di "Electric Gas Lighting".2 La cera di paraffina veniva utilizzata come strato protettivo sulla parte superiore del barattolo e sul coperchio per respingere qualsiasi soluzione elettrolitica che potesse essersi rovesciata durante l'uso.