2000-летняя Багдадская батарейка действительно работает: одна упущенная деталь подняла напряжение до 1,4 вольта

Долгое время в академической среде и среди популяризаторов науки велись споры о назначении так называемой «Багдадской батарейки». Этот артефакт, датируемый первым веком нашей эры, был обнаружен в 1939 году немецким археологом Вильгельмом Кёнигом на территории древнего парфянского поселения Худжут-Рабу, недалеко от Багдада. Внешний вид и внутренняя структура находки не оставляли сомнений в ее утилитарном, техническом предназначении, однако точный принцип ее работы оставался неясным.

Устройство состоит из нескольких элементов. Основой служит небольшой кувшин из неглазурованной, пористой глины. Внутри него располагается цилиндр, свернутый из тонкого медного листа. Края этого листа, а также круглое медное дно надежно спаяны свинцово-оловянным сплавом. Внутрь медного цилиндра помещен железный стержень. Стержень удерживается на месте и изолируется от контакта с медью с помощью толстой пробки из битума (асфальта), которая закрывает горлышко устройства.

С момента открытия артефакта исследователи неоднократно пытались доказать, что перед ними первый в истории человечества гальванический элемент. Ученые (включая Пола Кейзера в 1993 году) и инженеры-популяризаторы проводили эксперименты, заливая внутрь медного цилиндра различные доступные в древности электролиты: уксус, соленую воду, лимонный сок или вино. В результате между железным стержнем и медной трубкой действительно возникала разность потенциалов. Железо выступало анодом, а медь — катодом.

Однако результаты этих тестов неизменно вызывали разочарование. Напряжение такой системы составляло всего около 0,4 вольта. Подобной мощности совершенно недостаточно для выполнения любой полезной работы. Древние ювелиры не смогли бы использовать этот заряд ни для покрытия одного металла другим (гальваностегии), ни для вытравливания узоров. Максимум, на что хватало этой энергии — вызвать слабое покалывание на коже. Из-за этого скептики сделали вывод, что устройство не являлось источником тока, а служило, например, герметичным футляром для хранения папирусных свитков.

Независимое исследование Александра Базеса полностью опровергает выводы предыдущих экспериментов. Автор доказал, что инженеры прошлого создали не один 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 залить электролит внутрь кувшина, его стенки станут влажными и начнут проводить ток, что приведет к потере энергии. Кроме того, использование свинцово-оловянного припоя на медном цилиндре, погруженном в кислотную среду, неизбежно вызывает быструю гальваническую коррозию. Металл разрушается, и сосуд теряет герметичность. В классических батареях всегда стараются использовать чистые металлы без лишних примесей и спаек.

Разгадка кроется в схожих археологических находках, сделанных в Тель-Умаре и Ктесифоне. Там археологи нашли аналогичные пористые кувшины, внутри которых находились запаянные бронзовые (содержащие олово) цилиндры, но внутри них полностью отсутствовали железные стержни. Базес предположил, что основной источник электричества в парфянских устройствах находился не внутри медного цилиндра, а снаружи.

Если заполнить пористый глиняный кувшин щелочным раствором и опустить в него медь со следами оловянного припоя, запускается совершенно другой электрохимический процесс. В древности самым доступным источником сильной щелочи был обычный щелок (раствор гидроксида калия), который массово получали путем замачивания древесной золы в воде.

В среде гидроксида калия глиняный кувшин начинает работать как сепаратор металл-воздушной батареи. Пористая структура глины удерживает жидкий электролит внутри, но позволяет кислороду из окружающего воздуха проникать сквозь стенки. В этой системе олово, содержащееся в припое на поверхности медного цилиндра, выступает в качестве анода (отрицательного контакта). Кислород из атмосферы служит катодом (положительным контактом). Возникает водная оловянно-воздушная батарея.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, Базес провел серию строгих тестов (к сожалению, изображения экспериментов, находящихся в исследовании, размещены под некоммерческой лицензией, поэтому я не имею возможности привести их в своей статье. Для ознакомления с ними, пожалуйста, перейдите к оригинальному исследованию, нажав на этот текст). Сначала он поместил чистый медный стержень в кувшин со щелоком. Вольтметр зафиксировал напряжение 0,43 вольта. Затем исследователь нанес на конец медного стержня всего одну каплю стандартного свинцово-оловянного припоя и снова опустил его в раствор. Напряжение мгновенно подскочило до уровня более 1 вольта. Дополнительные проверки с использованием чистого олова дали результат в 1,04 вольта, а чистого свинца — 0,7 вольта. Эти измерения доказывают, что припой на внешней стороне цилиндра Багдадской батарейки является не строительным материалом, а ключевым химическим реагентом.

Интересно отметить, что современная наука лишь недавно обратила внимание на потенциал систем, использующих олово и щелочь. В 2023 году материаловеды опубликовали исследование водных оловянно-воздушных батарей, доказав их довольно высокую энергетическую плотность, многократно превышающую показатели современных стандартных батареек. Парфянские мастера эмпирически реализовали этот же принцип две тысячи лет назад.

Когда все компоненты Багдадской батарейки собираются вместе, устройство начинает функционировать как единая электрическая цепь.

Первый контур, или «внутренняя ячейка», располагается внутри медного цилиндра. Железный стержень погружается 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 вольта.

Второй контур, или «внешняя ячейка», находится в глиняном кувшине. Оловянный припой на внешней стороне медного цилиндра реагирует со щелочью и кислородом. В этом процессе олово отдает электроны, выступая отрицательным полюсом с напряжением 1,1 вольта.

Поскольку оба процесса происходят одновременно на противоположных сторонах одной и той же медной стенки, две батареи оказываются соединены последовательно. Внутренний слабый контур выполняет функцию усилителя для более мощного внешнего контура. При измерении общего напряжения между железным стержнем и внешней стороной кувшина, приборы фиксируют стабильный показатель свыше 1,4 вольта.

Такого напряжения достаточно для проведения реальных электрохимических работ. В рамках исследования Базес подключил к воссозданной батарейке медную пластину и опустил ее в ванночку с соленой водой, поместив рядом контрольную пластину, не подключенную к источнику тока. Практически сразу на электрифицированной пластине начался процесс электролиза воды — на поверхности металла стали образовываться пузырьки газообразного водорода и кислорода. После того как пластины оставили в солевом растворе на ночь, погруженная часть пластины, подключенной к батарее, подверглась сильному гальваническому травлению. Контрольный образец остался неизменным.

Результаты экспериментального моделирования устраняют любые сомнения в работоспособности артефакта. Имея в распоряжении только базовые материалы — глину, медь, железо, припой, битум, а также золу и фруктовый сок в качестве химических реагентов — ремесленники Ближнего Востока создали надежный источник постоянного тока. С помощью батарей, выдающих 1,4 вольта, можно было осуществлять серебрение медных изделий, создавать сложные вытравленные узоры на ювелирных украшениях или очищать металлы от примесей. Данное исследование предоставляет наиболее убедительные физические доказательства того, что практическая электрохимия успешно применялась в античном мире за девятнадцать столетий до официальных экспериментов Алессандро Вольты.

Источник: SINO-PLATONIC PAPERS