Wissenschaftliche Zeitmaschine | Die „Geburt“ der Batterien ist also tatsächlich den Fröschen zu verdanken?

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Wissenschaftlern gehört ihr scharfer Einblick in ungewöhnliche Phänomene und ihr unermüdlicher Forschergeist. Im Jahr 1786 berührte der italienische Biologe Galvani versehentlich mit einem chirurgischen Skalpell den freiliegenden Nerv an einem sezierten Froschschenkel, und es kam zu einem erstaunlichen Anblick: Das Froschschenkel zuckte augenblicklich heftig. Diese unerwartete Entdeckung inspirierte Galvanis Freund, den italienischen Physiker Volta. Inspiriert von diesem Froschschenkel-Experiment entwickelte Volta vor 1.800 Jahren erfolgreich die erste Batterie der Menschheitsgeschichte – die Voltasche Säule.

Am 20. März desselben Jahres reichte Volta bei der Royal Society of London ein Manuskript ein, in dem er seine Erfindung detailliert beschrieb. Im Vergleich zur damaligen Leidener Flasche konnte die Voltasche Säule durch die Verbindung der Metalldrähte an beiden Enden kontinuierlich Strom liefern und wurde so zu einem Vorläufer der modernen Batterie. Mit der Erfindung der Voltasche Säule verfügte die Menschheit erstmals über eine relativ stabile Quelle für elektrischen Strom. Dies schuf beispiellose Bedingungen für die wissenschaftliche Forschung und führte das Gebiet der Elektrizität in eine neue Phase der quantitativen Forschung.

Galvani entdeckte die Bioelektrizität

Im Jahr 1786 sezierte Galvani zu Forschungszwecken einen Frosch, indem er dessen Bauchmuskeln präzise aufschnitt und die Nerven der unteren Gliedmaßen sorgfältig trennte. Beim Sezieren des zweiten Frosches berührte das Skalpell versehentlich den in der Nähe arbeitenden Generator und er beobachtete ein abnormales Zucken der Beinmuskulatur des Frosches.

Galvani war sehr neugierig auf dieses Phänomen und dachte zunächst fälschlicherweise, dass die Frösche nicht ganz tot seien. Bei weiteren Untersuchungen stellte er die Verbindung zwischen dem Elektrogenerator, dem Skalpell und den Nervenzuckungen des Frosches fest und wollte herausfinden, ob ein elektrischer Strom in der Luft dieselbe Reaktion hervorrufen könnte. Indem er ein Ende des Froschschenkelnervs mit einer isolierten Metallstange auf dem Dach und das andere Ende mit dem Boden verband, entdeckte Galvani, dass die Froschschenkel auch bei Gewitter zucken.

Anschließend führte er weitere Experimente durch, bei denen er Messinghaken mit Froschschenkelnerven an Eisenstangen befestigte, woraufhin die Froschmuskeln unabhängig vom Wetter zuckten. Schließlich verwendete Galvani zwei verschiedene Metalle, um die Muskeln und Nerven eines toten Frosches zu berühren und zu verbinden, und beobachtete auch Muskelzuckungen.

Obwohl diese Phänomene darauf hätten schließen lassen sollen, dass die Krämpfe durch externe elektrische Ströme verursacht wurden, glaubte Galvani, der sich auf die Erforschung der Bioelektrizität konzentrierte, dass es die eigene Bioelektrizität des Frosches war, die einen Kreislauf mit der Außenwelt bildete. Er schloss daraus, dass die Elektrizität aus lebenden Muskeln erzeugt werden könnte und dass zwei verschiedene Metalle den Stromkreis zwischen den Nerven und Muskeln des Frosches bildeten, und nannte diese Elektrizität „Bioelektrizität“.

Volta erfand die erste Batterie der Menschheitsgeschichte

Nachdem der italienische Physiker Alessandro Volta von den entsprechenden Experimenten erfahren hatte, führte er eingehende Untersuchungen durch und erzielte einen großen Durchbruch. Im Jahr 1800 gelang ihm die Erfindung der Voltaschen Säule, einer Erfindung, die kontinuierlichen elektrischen Strom erzeugen konnte und die Welt für immer veränderte.

Im Jahr 1799, nachdem er seinen 45. Geburtstag gefeiert hatte, ließ sich Volta von Galvanis Forschungen inspirieren und beschloss, das Phänomen der „Bioelektrizität“ weiter zu erforschen. Er entwarf ein kreatives Gerät: Zinkringe und Kupferringe aus Metall wurden abwechselnd gestapelt und durch in Salzwasser getränktes Papier oder Wolle voneinander getrennt. Als die Zahl der Ringe zunahm und sie auf 10, 20 oder sogar 30 gestapelt wurden, bildete sich eine säulenartige Struktur, die einen erheblichen Strom erzeugte. Dies war der Prototyp der Voltaschen Säule.

Volta entdeckte, dass der erzeugte Strom umso stärker war, je mehr Schichten er übereinander stapelte. Durch Experimente entwickelte er die Theorie der Potentialdifferenz: Wenn unterschiedliche Metalle in Kontakt kommen, entstehen auf ihren Oberflächen entgegengesetzte Ladungen und so eine Spannung. Er entwickelte außerdem eine Metallsequenz, eine Tabelle elektrischer Elemente, in der jedes Metall positiv und das nächste Metall in der Sequenz negativ aufgeladen wird, wenn es mit dem nächsten Metall in Kontakt kommt. Diese Entdeckung enthüllte den wesentlichen Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke und ermöglichte es der Menschheit, ihr Verständnis von Elektrizität über den Bereich der statischen Elektrizität hinauszugehen und in das Zeitalter des steuerbaren und fließenden elektrischen Stroms einzutreten.

Am 20. März 1800 schlug Volta offiziell vor, dass elektrische Ladungen in Drähten wie Wasser fließen, von hoher Spannung zu niedriger Spannung, und so einen elektrischen Strom, also eine elektrische Potenzialdifferenz, bilden. Er schrieb diese Theorie in einem Aufsatz mit dem Titel „Über die durch den Kontakt zwischen verschiedenen metallischen Materialien hervorgerufene Elektrizität“ nieder und schickte ihn an die Royal Society of London.

Am 20. November desselben Jahres bestellte der französische Kaiser Napoleon Volta persönlich nach Paris und beobachtete das Batterieexperiment. Napoleon war zutiefst schockiert und befahl französischen Gelehrten sofort, ein Sonderkomitee einzurichten, um diese revolutionäre Erfindung weiter zu untersuchen und zu fördern. Um die wissenschaftliche Forschung zu fördern, organisierten die zuständigen Abteilungen eine Reihe von Großversuchen und belohnten Volta mit einer Prämie von 6.000 Franken sowie einer Ehrenmedaille. Darüber hinaus wurde eine Gedenkgoldmünze mit Voltas Porträt herausgegeben, um seinen herausragenden Beitrag zu würdigen.

Der Weg der Wissenschaft zur Batterieentwicklung

Das Aufkommen der Voltaschen Säule markierte den Beginn der Batterieforschung und -entwicklung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Als erste Batterie der Menschheitsgeschichte ist die Voltaschen Säule ein Meilenstein. Im Jahr 1836 entwickelte der britische Wissenschaftler Daniel die Voltaschen Säule. Er verwendete verdünnte Schwefelsäure als Elektrolyt, löste damit erfolgreich das Problem der Batteriepolarisation und schuf die erste Zink-Kupfer-Batterie, die einen stabilen Strom aufrechterhalten konnte. Die Batterie wird „Akkumulator“ genannt, weil sie wiederaufladbar und wiederverwendbar ist.

Im Jahr 1887 erfand der Brite Helleson die erste Trockenbatterie. Der Elektrolyt war pastenförmig, wodurch Auslaufprobleme vermieden wurden und das Produkt leicht zu transportieren war, sodass es schnell weite Verbreitung fand. Im Jahr 1890 trieb Edison die Entwicklung der Batterietechnologie weiter voran. Er erfand die wiederaufladbare Eisen-Nickel-Trockenbatterie und brachte damit die Batterieforschung und -entwicklung auf ein neues Niveau.

Mit dem technologischen Fortschritt ist die Familie der Trockenbatterien weiter gewachsen und bisher wurden mehr als 100 Typen entwickelt, darunter unter anderem Zink-Mangan-Trockenzellen, alkalische Zink-Mangan-Trockenzellen, Zink-Silberoxid-Batterien und Lithium-Mangan-Batterien. Diese Trockenzellen stellen im Wesentlichen eine Verbesserung der Voltaschen Säule dar, da die ursprüngliche Salzlösung durch Ammoniumchloridpaste ersetzt wird, die Kupferplatte durch Graphitstäbe als positive Elektrode ersetzt wird und weiterhin Zinkfolie als negative Elektrode verwendet wird.

Auch in seinen späteren Jahren betonte Volta: „Ohne Galvanis Froschexperiment gäbe es keinen Voltaschen Strom. Wer Voltaischen Strom anwendet, sollte sich zunächst an Galvani erinnern. Sein Froschexperiment war es, das mir den Weg zur Weisheit wie ein Blitz erleuchtete.“

Referenzquellen: Wissenschaftspopularisierung China, „Jugend-Enzyklopädie-Wissen“