Die Entwicklung von Kohlefadenlampen wirft eine Reihe von Problemen auf, die zur Herstellung eines zuverlässig funktionierenden Produkts gelöst werden müssen.

Ein europaweites Telegrafennetz wurde bereits 30 Jahre vor Erfindung der Kohlefadenlampe aufgebaut, viele Elektroerfindungen wie der Elektromotor wurden vor der Kohlefadenlampe gemacht. Aus heutiger Sicht wird die Komplexität des Alltagsgegenstandes Glühlampe vielfach unterschätzt. Es war ein Produkt der Hochtechnologie zur Zeit der Erfindung und erforderte nach Angaben von Marc Greuther, Kurator am Henry-Ford-Museum, ca. 200 Einzelschritte in der Herstellung.

Erst die Verbesserung der Vakuumtechnik und die Entwicklung von Methoden zur präzisen Fertigung der Komponenten brachte ab 1879 den Durchbruch hin zu den notwendigen langen Nutzungszeiten für kommerzielle Lampen.

An der Entwicklung von dauerhaft funktionierenden Glühlampen mit Platinfaden waren diverse Erfinder, u.a. auch Edison, gescheitert. Erst nahe dem Schmelzpunkt von Platin erreicht man eine befriedigende Lichtabgabe. Aber es gelang nicht, die Temperatur in diesem Bereich dauerhaft konstant zu halten und ein Durchschmelzen zu verhindern. Metalle mit höherem Schmelzpunkt als Platin waren bekannt. Die für Lichterzeugung gewünschte hohe Schmelztemperatur machte jedoch deren Verarbeitung mit den damals bekannten Methoden der Metallurgie unmöglich. Erst spätere Entwicklungen der Pulvermetallurgie erlaubten die Produktion von Glühfäden aus Wolfram und anderen Metallen mit hoher Schmelztemperatur. Deswegen versuchte man die Produktion von Glühfäden aus dem elektrisch leitfähigen Kohlenstoff mit hohem Schmelzpunkt. Die Verarbeitung dieses Nichtmetalls zu Glühfäden erforderte jedoch die Lösung zahlreicher Probleme.

* Kohle hat einen hohen Dampfdruck. Das Material sublimiert, was den Kohlefaden zerstört. Der kondensierte Dampf reduziert zudem die Transparenz der Glashülle. Das Temperaturfenster für eine brauchbare Nutzungsdauer bei gleichzeitig hinreichender Lichtausbeute ist klein und muss exakt eingestellt werden.

* Kohle hat im Unterschied zu Metall einen negativen Temperaturkoeffizienten. Je heißer das Material, desto geringer der Widerstand. Es fließt noch mehr Strom, was zu einer noch höheren Erhitzung bis zur Zerstörung des Fadens führt. Kohlefadenlampen müssen einen hohen Widerstand bei Zimmertemperatur haben, damit der Widerstand bei 1900 °C noch ausreichend ist.

* Dünne Fäden aus verkohltem organischem Material sind schwer herzustellen. Darüber hinaus sind die Toleranzen klein. An einer dünneren Stelle wird der Kohlefaden heißer und Material verdampft. Dadurch wird die dünnere Stelle noch heißer und verdampft noch schneller, bis der Faden zerstört ist.

* Die zuvor benutzten Platinfäden reagieren träger mit Sauerstoff als Kohlefäden. Kohlefaden-Glühlampen erfordern deswegen eine höhere Qualität des Vakuums.

* Die mechanischen Eigenschaften von Kohlefäden sind schlechter als die der zuvor benutzten Platinfäden. Das spröde Material ist weniger biegsam und empfindlicher für Erschütterungen und Vibrationen. Eine Verbesserung der elastischen Eigenschaften erfordert spezifisches Fertigungswissen.

* Im Kohlematerial befinden sich eingeschlossene und anhaftende Gase, die den Faden bei Temperaturen um 1900 °C zerstören. Ein komplexes Verfahren zur schrittweisen Erhitzung und Abkühlung des Fadens während der Entlüftung des Glaskolbens muss angewendet werden, um diese Gase zu entfernen.

* Bei der Einleitung eines Metalldrahtes in das durch einen Glaskolben eingeschlossene Vakuum entstehen an der Durchleitungsstelle Undichtigkeiten wegen unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten. Lediglich Platin hat einen Koeffizienten, der dem von Glas ähnelt. Diese Lösung der Vakuumversieglung durch Einschmelzung einleitender Platindrähte in die komplett zugeschmolzene Glashülle einer Lampe wurde von Edison patentiert. Andere damals bekannte Lösungen haben eine schlechtere Dichtigkeit, was die Haltbarkeit der Lampen durch die schwindende Vakuumqualität stark verkürzt.

Die zur Umgehung des Edison-Patents von Wettbewerbern eingesetzten Konstruktionen heißen ?Stopper-Lamps?. Der Glaskolben dieser Lösungen ist nach einer Seite verschmälert und offen. In diesen Hals wird ein Stöpsel zur Versiegelung eingesetzt, der gleichzeitig Träger des Innenaufbaus der Glühlampe ist. In Material und Gestaltung wurden zahlreiche Varianten der Stöpsel konstruiert. Die mangelnde Qualität der ?Stopper-Lamps? wegen unvermeidbarer Vakuum-Undichtigkeiten und damit reduzierter Haltbarkeit wurde teilweise dadurch ausgeglichen, dass der Stöpsel bei einigen Produkten entnommen und der Glühfaden erneuert werden konnte. Eine Erneuerung, Reinigung der Sublimationsablagerungen und erneute Entlüftung war preiswerter als eine neue Lampe.

* Die notwendige, nicht lötbare Verbindung eines stromführenden Metalldrahtes mit einem sehr dünnen und fragilen Kohlefaden muss mechanisch und elektrisch gelöst werden.

* Um zu verhindern, dass ein 1900 °C heißer Kohlefaden den stromführenden Metalldraht mit niedrigerem Schmelzpunkt zerstört, ist eine elektrisch leitfähige Wärmebrücke notwendig.

* Für die Herstellung von Kohleglühfäden mit langer Haltbarkeit eignen sich nur wenige Pflanzen. Die Möglichkeit, dünne Fäden aus gewachsenen Fasern herzustellen, sowie eine homogene Struktur dieser Fasern sind wichtige Kriterien. Wenn die gewachsene Struktur nicht homogen ist, hat der elektrische Widerstand innerhalb des Fadens unterschiedliche Werte. An Strukturbrüchen treten hohe Temperaturen auf, die den Faden rasch zerstören. Amorphe Kohlefäden gleicher Größe aus beispielsweise verkohltem Holz haben variierenden elektrischen Widerstand. Thomas Alva Edison finanzierte eine Expedition für die Suche nach einer geeigneten Pflanze zur Herstellung von Glühfäden und fand japanischen Bambus, dessen Verwendung er 1881 patentieren ließ.

Joseph Wilson Swan entwickelte mit Techniken der Textilindustrie synthetische Ausgangsmaterialien zur Glühfadenherstellung auf der Basis von Nitrozellulose. Edward Weston entwickelte die Technik 1884 weiter und brachte ein Glühfadenmaterial mit dem Namen Tamidine[14] auf den Markt, welches zur Umgehung der Edison-Bambus-Patente Verwendung fand. Das Material bzw. Varianten davon setzte sich später gegen Glühfäden aus Pflanzenfasern durch. Verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften sowie geringere Verarbeitungskosten waren dafür maßgeblich.

Requiem für die Glühbirne!

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