Estudio técnico y tratamiento de un ensamblaje de batería temprana

Oct 18, 2023

La evolución de las baterías es paralela a nuestros avances tanto en química como en ciencia de los materiales. Han servido como una fuente de energía portátil que permite innovaciones continuas en la tecnología aeroespacial y se han utilizado desde los orígenes de la aviación. Un ejemplo de esta evolución es el conjunto de baterías que se muestra a continuación. Estos son parte de los experimentos de laboratorio Samuel Langley del Museo, que proporcionan energía a los experimentos científicos y de aviación posteriores de Langley.

Langley vivió desde 1834 hasta 1906 y fue un pionero de la aviación. Se hizo conocido por sus modelos y aeródromos propulsados ​​por bandas elásticas y compitió contra los hermanos Wright en la carrera para desarrollar la primera máquina voladora funcional. Langley también se desempeñó como tercer secretario de la Institución Smithsonian y construyó algunos de sus primeros aviones experimentales detrás del Castillo Smithsonian.

Las baterías de la foto proporcionaban alrededor de 1,4 voltios y 12-16 amperios, lo que es mucho mejor que las formas anteriores de este tipo de celda de batería. Estas baterías en particular fueron fabricadas por Samson Battery Company/Electric Goods Manufacturing Company en Boston, Massachusetts, a fines del siglo XIX. Las baterías Sampson Jar, como estas, se usaban para alimentar timbres, teléfonos, iluminación eléctrica temprana y pequeños dispositivos electrónicos. Representan un período en el que las baterías sufrían una revolución técnica y se volvían más comunes en la vida de los estadounidenses.

La serie de cinco celdas de batería se compone de frascos rectangulares de vidrio azul agua con tapas. En la parte superior de cada tapa hay un terminal positivo central y un terminal negativo a un lado. De las tapas cuelgan varillas de zinc rodeadas por cilindros de carbono-manganeso. Cada celda habría estado conectada a la otra en serie, formando así una "batería". Cuando estaba en uso, cada frasco se habría llenado con sal-amoníaco (cloruro de amonio) y agua que actuaría como la solución electrolítica.

Estas baterías sufrieron una corrosión extensa en la varilla de zinc que forma el terminal positivo. La fuerza de la corrosión hacia afuera rompió varios de los aisladores cerámicos donde la varilla se une con la tapa. Además, el producto de corrosión de zinc suelto se había extendido por la superficie de las tapas (como se ve en la imagen de arriba). Los componentes de cobre y ferrosos de los terminales y cables también habían desarrollado corrosión.

Se utilizaron técnicas analíticas para obtener una comprensión más profunda de los diversos componentes antes de que se llevaran a cabo los tratamientos de conservación.

La fotografía ultravioleta (UV) se utiliza para ayudar a identificar las características de la superficie que no se detectan bajo la luz visible y para caracterizar los materiales.

La luz ultravioleta mostró dos características particularmente interesantes: una fluorescencia brillante en la parte superior de la tapa y el tono verde del vidrio.

Es típico que la corrosión del zinc emita una fluorescencia azul verdosa clara. El tono verde fluorescente inducido por UV del frasco de vidrio probablemente fue causado por un aditivo del vidrio. Una teoría es que la fluorescencia podría ser causada por el uso de uranio en el vidrio. Esta era una práctica común de producción de vidrio entre las décadas de 1880 y 1920.3 Sin embargo, esta teoría fue refutada tanto por el análisis XRF (ver la sección a continuación) como por la prueba de radiación del vidrio con un contador Geiger. Otra explicación para este misterioso brillo es la adición de manganeso al vidrio. Esta ha sido una práctica durante siglos para ayudar a eliminar el color verde oscuro del vidrio causado por las impurezas de hierro que experimentan una reacción de oxidación-reducción (redox) durante la producción.

Para confirmar esta teoría, utilizamos fluorescencia de rayos X (XRF), una técnica utilizada para identificar elementos inorgánicos dentro de un material de manera no destructiva, en varios componentes de la batería "A". El frasco de vidrio mostró elementos de cobre y manganeso, lo que puede contribuir al color azul aguamarina del vidrio. La presencia de manganeso es consistente con la fluorescencia verde que se ve en las fotografías UV.

También recolectamos y analizamos piezas sueltas de material usando espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FTIR). Esta técnica crea un espectro infrarrojo de la absorción del material. Analizamos una muestra de material ceroso que se encontró dentro del frasco y en la parte superior de los componentes internos y encontramos que era cera de parafina. Esto es consistente con un informe que se encuentra en la edición de 1901 de "Electric Gas Lighting".2 La cera de parafina se usó como una capa protectora en la parte superior del frasco y la tapa para repeler la solución electrolítica que se pudo haber derramado durante el uso.

También realizamos un análisis de una curiosa adición textil que se encontró enrollada alrededor de los cables de cobre entre cada celda y determinamos que era seda. Si bien la seda puede parecer una elección extraña como material aislante para el alambre de cobre, el científico inglés del siglo XIX Michael Faraday fue un defensor de este método con sus experimentos con galvanómetros.1 La elasticidad de la seda le permitía moverse con el alambre cuando se movía. se dobló sin exponer el metal desnudo subyacente. Este tipo de envoltura textil es una versión temprana de las cubiertas de alambre de plástico que usamos hoy.

El objetivo del tratamiento era retener y preservar cualquier información histórica y todos los materiales originales dentro de las baterías. Esto se equilibró con la necesidad de proteger y estabilizar las áreas de deterioro. Los tratamientos de las baterías pueden ser difíciles ya que el defecto inherente de los materiales puede dificultar la retención de ciertos componentes sin comprometer otros.

El primer paso del tratamiento incluyó la eliminación cuidadosa de todo el producto de corrosión de zinc suelto de las tapas. Esto se completó con cepillos suaves y una ligera succión al vacío. El exterior de los frascos de vidrio se limpió con hisopos de algodón humedecidos con agua desionizada. Esto se llevó a cabo con cuidado para que la cera de parafina en los hombros de los frascos no se alterara.

Mientras que el exterior del vidrio comenzó a verse menos polvoriento y más transparente después de la limpieza, el interior tenía una mezcla de polvo y depósitos de sal amoniacal en los cuatro lados. Sacamos los cristales de sal amoníaca de cada frasco para que los lados internos del frasco pudieran limpiarse de la misma manera que el exterior. Esto mejoró enormemente la claridad óptica del vidrio. Luego eliminamos los desechos extraños de la sal amoniacal antes de volver a colocarla en el frasco. Después de hacer insertos transparentes de mylar delgado, los colocamos entre el fondo de los frascos y los cristales para proteger el vidrio de la naturaleza ácida de la sal amoniacal y prevenir el desarrollo de la enfermedad del vidrio.

Después de limpiar el vidrio, tratamos el electrodo de zinc y el terminal positivo contra la corrosión, eliminando la corrosión inestable del zinc, pasivando cualquier superficie metálica expuesta con un ácido suave y dándole a la superficie una capa protectora transparente. Luego abordamos la corrosión del alambre de cobre expuesto, reduciéndolo mecánicamente y cubriéndolo con la misma capa protectora. Esta capa ayuda a minimizar el riesgo de que se desarrolle más corrosión.

El objetivo de este tratamiento de conservación era doble: estabilizar las baterías para el almacenamiento y mejorar el registro curatorial con caracterizaciones materiales precisas. Con la reducción de la corrosión del zinc y un entorno de baja humedad relativa, es poco probable que se desarrolle más corrosión. De manera similar, la separación del electrolito de sal amoniacal del frasco de vidrio ayudará a mantener estables ambos elementos en el futuro.

Fuentes

1. Mills, A. 2004. La historia temprana del alambre de cobre aislado. Anales de la ciencia, 61:4, 453-467.2. Schneider, N., 1901. Alumbrado eléctrico de gas. 1ra ed. Nueva York: Spon & Chamberlain.3. Emery, K., 2021. Vidrio resplandeciente de Gunson: Historia y arqueología del vidrio de uranio. [Blog] Universidad Estatal de Michigan, disponible en:

Meredith Sweeney fue becaria de conservación de Engen de 2019 a 2021. Este blog fue escrito como parte de su investigación sobre el cuidado de baterías históricas.