Исторически самым первым изобретением для безопасного освещения в газовых угольных шахтах стал «искромет» Карлайля Спеддинга, т. е. кремниво-стальная мельница или вертушечное огниво. Карлайл Спеддинг был выдающимся горным инженером и занимал должность visor’а целого ряда шахт в Уайтхейвене (Камберленд) с 1730 года до своей смерти в 1755 году.
Его устройство генерировало при вращении стального диска, трущегося о кремень, искры, достаточные для слабого освещения, но недостаточно «энергичные» для поджигания метано-воздушной смеси. Но оно требовало использования мускульной силы специального человека, что было неэкономично и непрактично. В практику оно не пошло. В то время широко использовали масляные лампы. Вот их и стали усовершенствовать.
История создания безопасной лампы для освещения многократно описана разными исследователями. Мы будем следовать работе. Первым ученым, обратившим внимание на проблему безопасного освещения в угольных шахтах, был английский врач, ирландец Вильям Рейд Кленни (англ. William Reid Clanny; 1776−1850). В 1813 г. он стал одним из основателей Общества предупреждения аварий на угольных шахтах, организованного в Сандерленде, и с этого времени много внимания уделял проблеме безопасного освещения под землей.
20 мая 1813 г. на заседании Королевского общества поддержки искусств, ремесел и коммерции (The Royal Society for the Encouragement of Arts, Manufactures and Commerce) доктор медицины В. Кленни объявил об изобретении им безопасной рудничной лампы.
Основная техническая идея В. Кленни заключалась в том, чтобы продукты горения выходили из лампы, проходя через «водяной затвор». Для обеспечения достаточной тяги воздух закачивался в лампу принудительно с помощью небольших мехов. Лампа получилась громоздкой, и чтобы приводить ее в действие, нужен был еще один человек, так как шахтер, ведущий отбойку угля, делать этого не мог. Тем не менее испытания лампы Кленни под землей прошли 20 ноября 1815 г. После испытаний Кленни усовершенствовал конструкцию. Теперь воздух проходил не через водяной затвор, а через слой масла, которое одновременно служило горючим для лампы. Уменьшены были и ее габариты. Именно за эту безопасную лампу Королевское общество поддержки искусств, ремесел и коммерции 14 апреля 1816 г. наградило Вильяма Кленни серебряной медалью.
Однако ученый не остановился на достигнутом, и следующий вариант безопасной лампы Кленни представлял собой так называемую паровую лампу. Шахтный воздух поступал в нее через узкую трубку, которая начиналась под днищем резервуара с маслом и заканчивалась в верхней части лампы. Примерно на середине высоты лампы был размещен резервуар с водой. Вода в резервуаре нагревалась от пламени лампы и закипала, образуя пар. Шахтный воздух, прежде чем попасть в зону горения, смешивался с паром и становился невзрывоопасным. Эта усовершенствованная конструкция была удостоена золотой медали Королевского общества поддержки искусств, ремесел и коммерции в 1817 г. и использовалась в Англии на шахтах Харрингтона.
На Севере Англии также было организовано Общество по предотвращению взрывов рудничного газа, первое заседание которого состоялось 1 октября 1813 г. Здесь к решению задачи без опасного освещения в угольных шахтах был привлечен известный химик Гемфри Дэви. Для этого уважаемый человек — священник из Бишопвермута (графство Сандерленд) Роберт Грей (Dr. Robert Gray) — написал письмо сэру Гемфри Дэви, предложив использовать его обширные знания в области химии для решения проблемы взрывов в угольных шахтах, вызванных метаном (так называемым рудничным газом). Тот откликнулся.
В своих исследованиях Г. Дэви опирался на результаты предшественников, среди которых он упоминал Теодора Гротгуса (англ. Theodor von Grotthuss; 1785−1822). Именно Гротгус в 1808-
1811 гг. установил, что горючая смесь газов, заключенная в узкую трубку, не воспламеняется. Основываясь на этом факте, Дэви начал эксперименты с того, что помещал горящую свечу в металлический футляр с застекленными окошками, воздух в который поступал по узким трубкам снизу, а выходил через маленькие отверстия в верхней части. В ходе экспериментов Дэви установил, что пламя также не может пройти через большое число отверстий, если их глубина примерно равна их диаметру, т. е. через сетку. Поэтому в следующей экспериментальной модели Дэви воздух в лампу поступал через отверстия, защищенные металлической сеткой. Для защиты от потоков воздуха в шахте пламя было закрыто стеклянным вытянутым колпаком с крышкой, также изготовленной из металлической сетки. Такой вариант конструкции безопасной лампы Дэви описал в своем отчете Королевскому научному обществу в ноябре 1815 г..
В этом же документе на полях Дэви поместил схематический рисунок лампы, в которой пламя было защищено проволочным цилиндром с крышкой, заменившим стеклянный колпак, однако не дал никакого пояснения к рисунку. О причинах этого можно только догадываться. Исходя из расположения рисунка, можно предположить, что Дэви добавил его уже после завершения работы над рукописью доклада, поэтому не стал вставлять в текст описание. Тем не менее именно 9 ноября 1815 г. считается днем рождения безопасной пламенной рудничной лампы, получившей название в честь своего изобретателя — лампа Дэви.
Предохранительный эффект металлической сетки Дэви объяснял тем, что она, поглощая значительное количество тепла, охлаждала газ, и горение не распространялось по другую сторону сетки. Первые две безопасные лампы Дэви, в которых пламя было защищено сетчатым цилиндром, были испытаны на шахте в Хельбурне в январе 1816 г. Свеча, которую Дэви использовал в ходе экспериментов, была затем заменена цилиндрическим резервуаром для масла и фитилем; к резервуару для защиты проволочного цилиндра от механических повреждений были прикреплены три вертикальные металлические стойки, сходящиеся вверху в петлю, служащую для переноски или подвешивания лампы. Так родился «стандарт» безопасной лампы. Однако Гемфри Дэви не стал оформлять патент на свою безопасную лампу, что дало возможность ее быстрого и повсеместного внедрения.
В благодарность за спасение многих жизней (а главное — снижение убытков от взрывов) владельцами угольных шахт в Ньюкасле по подписке было собрано 2000 фунтов и приобретен баснословно дорогой сервиз, который вручили Дэви на посвященном ему торжественном банкете 11 октября 1816 г.
В России о лампе Дэви узнали благодаря сообщению академика И. Х. Гамеля, напечатанному в «Технологическом журнале» уже в апреле 1816 г. Публикация содержала объяснение принципа действия лампы, описание ее конструкции и испытания, проведенного лично автором на угольной шахте в Флинтшире (Великобритания). Однако из-за того, что в России добыча угля в промышленных масштабах началась только в 1880-х гг. и глубина шахт была небольшой, безопасные лампы разных конструкций в нашей стране до этого времени практически не использовались.
Над созданием безопасной шахтерской лампы работал и будущий изобретатель практичного паровоза «Ракета» Джордж Стефенсон (англ. George Stephenson; 1781−1848). В отличие от Дэви и Кленни, Стефенсон не был ученым, но был выдающимся механиком и изобретателем.
В результате проведенных опытов Стефенсон пришел к таким же выводам, что и Дэви: если поместить пламя свечи или лампы в достаточно длинную трубку, то газ, проникающий в нее вместе с воздухом, успеет сгореть, не доходя до ее конца, и взрыва не произойдет. Этот принцип был реализован в конструкции первой лампы Стефенсона. Результаты испытаний показали, что лампа не провоцировала взрыва, но быстро гасла, поэтому в следующем варианте Стефенсон использовал три трубки для поступления воздуха вместо одной.
Не получив значительных улучшений, он в следующей модели отказался от трубок, и воздух поступал в лампу через отверстия в верхней части резервуара для масла (нижняя подача воздуха), а стеклянный цилиндр сверху закрывался перфорированной металлической крышкой. За счет этого достигалась интенсивная тяга и увеличивалась сила света. Для защиты стекла сверху надевался металлический футляр с рядом отверстий, пропускающих свет. Именно такую лампу представил Джордж Стефенсон 5 декабря 1815 г. на заседании Литературного и философского общества в Ньюкасле.
Зная это, пионер в деле создания безопасной рудничной лампы Вильям Кленни, опираясь на исследования Дэви и Стефенсона, в 1835 г. разработал четвертый вариант своей безопасной лампы, в которой соединил элементы конструкции Дэви и Стефенсона. Он использовал проволочный цилиндр, но сделал его на два дюйма короче, чем в лампе Дэви. Также он взял стеклянный цилиндр, чтобы защитить пламя, но сделал его на три дюйма короче, чем в лампе Стефенсона. Таким образом, в этой безопасной лампе Кленни часть сетки вокруг пламени была заменена стеклянным цилиндром. Этот важнейший элемент использовался практически во всех последующих конструкциях лампы. Воздух поступал через сетку над стеклом (верхняя подача воздуха), а продукты горения уходили в верхнюю часть сетки.
В дальнейшем технические решения Вильяма Кленни, Гемфри Дэви и Джорджа Стефенсона были усовершенствованы другими изобретателями. Все последующие конструкции безопасных ламп, использующих огнепреградительную сетку, изобретенные другими инженерами, в той или иной степени являлись модификацией лампы Дэви. Повторим, сэр Гемфри Дэви правильно оценил ценность своей лампы для предотвращения взрывов в угольных шахтах, но отказался запатентовать свое изобретение, заявив: «Моей единственной целью было служить делу человечества».
Заметим, что все ранние конструкции лампы безопасности были довольно хрупкими: Сетки ржавели, стекло легко разбивалась, порывы воздуха гасили фитиль, его сложно было вновь зажечь, не рискуя взорваться. Позже священник Роберт Грей (Англия), доктор Матье-Луи Музелер (Mathieu-Louis Mueseler; Бельгия, 1840) и Жан Батист Марсо (Jean Baptiste Marsaut; Франция, 1871) решили эти проблемы.
Хорошей модификацией оказалась лампа Марсо (Marsaut), разработанная в 1871 г. во Франции, в которой несколько сеток были окружены снаружи металлическим колпаком, защищающим пламя от действия наружных струй воздуха, а сетку — от механических повреждений. В ней впервые был применен металлический колпак.
Главное преимущество лампы Марсо — надежная многоуровневая защита. Если внутренняя сетка перегревалась или повреждалась, внешние сетки оставались достаточно холодными, чтобы не пропустить пламя наружу. Кроме того, металлический колпак надежно защищал сетку от механических повреждений и сильных потоков воздуха. Конструкция быстро получила признание, и многие производители стали выпускать свои версии на ее основе. По сути дела, лампа Марсо, вобрав в себя все достоинства предшественниц, стала прототипом современных шахтерских ламп.
Новый этап в развитии шахтерских ламп, позволивший значительно увеличить силу их света, начался с переходом на использование нового, более высокотемпературного топлива (керосина, бензина), что потребовало особого внимания к обеспечению безопасности.
Эту задачу успешно решил Карл Вольф (Carl Wolf; 1838−1915) немецкий инженер и изобретатель из Цвикау (Саксония, Германия), который сумел соединить в конструкции своей бензиновой лампы многие наработки, сделанные предшественниками: предохранительную сетку (Дэви); нижнюю подачу воздуха (Стефенсон); стеклянный цилиндр вокруг пламени (Кленни); металлический шлем (Марсо).
Безопасная лампа конструкции Вольфа, появление которой было бы невозможно без работ его предшественников: Кленни, Дэви, Стефенсона,
Музелера, Марсо и других, была одной из самых распространенных в мире. Так, в конце XIX в. в Германии использовалось 67 000 безопасных ламп конструкции Вольфа, а в Австрии — 12 000. Лампа Вольфа получила золотую медаль на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. и, несмотря на появление в шахтах электрического освещения, использовалась в качестве индикаторной вплоть до середины XX в.
Обращаясь сегодня к событиям, произошедшим почти 200 лет назад, можно констатировать, что изобретение безопасных ламп для угольных шахт оказало огромное влияние на весь ход промышленного развития Англии и других стран. В 1820-х гг. разработка угля велась уже в Англии, Франции, Германии, США, и использование безопасного освещения обеспечило значительный рост его добычи.
Так, если в 1810 г. в мире добывалось около 3,3 млн т каменного угля, то в 1820 г. — 21,6 млн т, в 1840 г. — 42,4 млн т, в 1860 г. — 91,3 млн т, в 1900 г. — 792,3 млн т. За короткое время уголь стал не только важнейшим сырьем для развития металлургии, но и основным источником энергии в промышленности, на транспорте и в быту. И это во многом благодаря безопасной лампе для освещения.