Изначальный подход, предложенный изобретателем,— идея применения нитей или спиралей из платины с системами регуляции мощности на основе теплового расширения нагреваемого металла — начал сталкиваться со все возраставшими проблемами. Через несколько месяцев уже было ясно, что одно дело — сформулировать концепцию электрического света в рамках системы освещения и энергопитания, и совсем другое — должным образом решить все технические трудности при воплощении такой системы.
В Менло-Парке начался период интенсивных экспериментов. К саморегулирующимся спиралям из платины добавились регуляторы дуговых ламп, карбидные и калильные лампы (использовавшиеся в театре); были перепробованы все типы механической саморегуляции, как, например, диафрагмы в качестве выключателей, оказавшиеся слишком сложными, чтобы быть рентабельными. Список материалов, испробованных Эдисоном по отдельности или в сочетании друг с другом, весьма обширен: иридий, рутений, хром, алюминий, кремний, вольфрам, молибден, палладий, бор, титан, марганец... Никакой из них не показал приемлемых результатов. Были перепробованы все виды металлов и регуляторов температуры, а также всех прочих механических компонентов, во всех возможных вариантах. Понимание, что задача оказалась куда сложнее, чем они представляли себе поначалу, заставляло акционеров нервничать, и они оказывали на Эдисона давление, желая поскорей увидеть результаты.
В 1879 году изобретатель полностью отдавал себе отчет в том, что дело, захватившее его, требует значительно более серьезных ресурсов, чем те, которыми он располагает. Кроме того, поиск материалов стал сложным мероприятием и с точки зрения предпринимательской стратегии, когда Эдисон старался успокоить акционеров, предоставляя им доказательства своих успехов. В то же время для достижения прогресса ему необходимо было привлекать все больше средств для все более сложных и изощренных исследований.
В апреле акционеры компании Эдисона настояли, чтобы он устроил демонстрацию лампочки с платиновой нитью. В итоге демонстрация потерпела полное фиаско. Лампочка потребляла огромное количество электроэнергии, ее производство являлось слишком дорогим, и она очень быстро перегорала. Акции «Эдисон Электрик Лайт Компани» тут же упали, а вверх снова пошли акции компаний по производству светильного газа, которые с весны проводили в печати кампанию по шельмованию Эдисона, открыто называя его шарлатаном.
Одна из первых лампочек Эдисона.
Эдисон с моделью своей динамо-машины •Мэри Энн» в 1906 году, Оранж, штат Нью-Джерси.
Фотография 1880 года, изображающая первую в мире фабрику по производству электрических ламп, изобретенных Эдисоном, которая располагалась в Менло-Парке.
Однако сам изобретатель, совершенно не смущаясь вышеперечисленными обстоятельствами, вложил собственные средства в развитие лампы накаливания. Менло-Парк серьезно расширили, там были достроены еще три здания: офис с библиотекой и приемной, машинный зал с двумя паровыми машинами по 80 л.с. каждая и стеклодувная мастерская. Штат сотрудников также качественно улучшился, в него были включены ученые и инженеры с высшими академическими званиями, среди которых находились химик Эдвард Ачесон (1856-1931), впоследствии открывший карбид кремния, и Фрэнк Спрейг (1857-1934), считающийся одним из главных изобретателей электромотора. По настоятельному требованию совета директоров компании «Эдисон Электрик Лайт» в качестве начальника научного отдела Эдисон взял физика и математика Фрэнсиса Эптона (1852-1921), с которым у него, несмотря на его недоверие к теоретикам, впоследствии сложилась крепкая дружба. Вскоре Эптон стал ключевой фигурой в исследованиях, особенно потому, что он производил расчет электрического сопротивления волокон и проводов электрической сети.
КАРБОНИЗИРОВАННОЕ ВОЛОКНО БАМБУКА
В истории лампы накаливания не случилось эпического момента прозрения, когда Эдисон ясно увидел перед собой правильный путь. Он возник в результате суммирования знаний, полученных в ходе систематических экспериментов. Исследовательская работа постепенно привела команду Менло-Парка к осознанию, что нужно отойти от подхода, который использовался большинством изобретателей, то есть от поиска накаливаемого тела с высокой точкой плавления и малым сопротивлением следует перейти к исследованию материалов с высоким электрическим сопротивлением и низким потреблением энергии. Это понимание пришло с усовершенствованием вакуумных насосов, позволявшим теперь создавать лучший вакуум во внутреннем пространстве лампы, и обнаружением новых веществ, например осмия.
Вакуум обычно понимают как полное отсутствие вещества в определенном пространстве, но когда в науке и технике говорят об искусственно созданном вакууме, имеют в виду просто объем, где плотность частиц очень низкая, или, иными словами, замкнутое пространство, где давление воздуха или другого газа значительно ниже атмосферного. Эдисон взял на работу немецкого стеклодува Людвига Карла Бёма (1859-1907), который ранее сотрудничал с физиком Генрихом Гейслером (1814-1879), создателем вакуумных трубок, носящих его имя.
С помощью Бёма команда Менло-Парка интенсивно работала над максимально возможным увеличением уровня вакуума в лампе, то есть максимально возможным снижением давления внутри нее, и им удалось разработать подходящие для этой цели инструменты.
Ошибка большинства изобретателей состоит в том, что они сунутся пару раз туда-сюда и сразу отступают. Я же, наоборот, никогда не сдаюсь, пока не получу то, чего хочу.
Томас Альва Эдисон
После неудачи с металлами Эдисон снова вспомнил про ранее забракованные элементы накаливания из чистого угля с температурой плавления около 3500 °С. У них было более высокое электрическое сопротивление, чем у платиновых, и эксперименты с ними возобновились. Согласно расчетам Эдисона и Эптона, эти элементы должны были иметь диаметр максимум 0,4 мм и длину около 15 см. Задача заключалась в полной изоляции их от воздуха, чтобы они не могли окисляться. Образцы помещались в запечатанный сосуд и нагревались снаружи. Днем и ночью шло изучение зависимости между формой угольных элементов накаливания, их механической прочностью, электрическим сопротивлением и излучением тепла. И тем не менее пока такие элементы могли работать всего лишь один-два часа.
Два дня, 21 и 22 октября 1879 года, обугленная хлопковая нить накаливания светилась в течение 40 часов в вакуумной стеклянной колбе, давление в которой составляло одну миллионную долю атмосферы (нормальное атмосферное давление, 1 атмосфера, — это давление воздуха на высоте уровня моря, эквивалентное 760 мм ртутного столба). Впоследствии удалось довести время свечения обугленной хлопковой нити до целых 70 часов. Четвертого ноября Эдисон зарегистрировал патент на лампу с угольным элементом накаливания, патентная документация занимала две страницы. В последнюю ночь года, 31 декабря 1979-го, в Менло-Парке состоялась публичная презентация: Эдисон триумфально зажег 60 лампочек в лаборатории, а также на некоторых улицах и в окрестных домах. Система работала несколько дней, за которые ее посмотрели более 3000 человек, так что Пенсильванская железнодорожная компания вынуждена была пустить дополнительные поезда в этот небольшой городок. Эдисон не изобретал первой лампы накаливания, но благодаря сочетанию уже известных элементов он создал значительно улучшенный источник света, который можно было производить в промышленных масштабах и который мог быть доступен каждому.
