Terceiro período: Tecnologia do vácuo (1850 a 1900)

O terceiro período na história da tecnologia do vácuo teve como marco inicial a Grande Exposição de Londres, em 1851, em que foi oferecido um prêmio para a melhor bomba de vácuo; o vencedor foi John F. Newman, cuja bomba produziu uma pressão de 0,5 mmHg (66,66 Pa). Nesse período, as preocupações principais foram a demonstração das propriedades mecânicas do vácuo, a melhoria da facilidade de uso das bombas e a expansão dos limites da produção do vácuo. Em termos de tecnologia, ocorreu o desenvolvimento das bombas de vácuo e dos manômetros. A motivação inicial era a necessidade de instrumentos acurados para as pesquisas científicas; mais tarde foi a demanda da indústria de lâmpadas, dependente da produção de alto vácuo. Entre os grandes nomes, constata-se uma cena alemã em que se destacaram nesse período Geissler, Töpler e Sprengel (REDHEAD, 1999a).

Heinrich Geissler, vidreiro alemão com oficina em Bonn e trabalhando como mecânico na universidade dessa cidade, produzia vidraria e aparelhos de laboratório, incluindo instrumentos e aparelhos então de uso difundido, e também inovações criadas por ele para atender a demandas específicas. Uma demanda crescente na época era pela obtenção de alto vácuo, essencial para os estudos de descargas elétricas. A tentativa de usar bombas operadas mecanicamente e reduzir o espaço morto na base dos cilindros se mostrou insuficiente para atingir os niveis de vácuo desejados, abaixo de 7 mmHg (933,25 Pa). O problema só foi resolvido quando, em 1855, por solicitação de Julius Plücker, da Universidade de Bonn (com quem posteriormente se associou para as investigações de descargas elétricas nos gases), Geissler projetou uma bomba baseada no projeto de Emmanuel Swedenborg (1847), de 1722, que por sua vez havia adaptado a bomba de Guericke, substituindo o pistão por uma coluna de mercúrio. Geissler modificou o modelo de Emanuel Swedenborg, conectando o reservatório de mercúrio a um bulbo de vidro, por um tubo de

borracha, mais tarde munido de uma torneira bidirecional que permitia conectá-lo ao ar exterior ou ao recipiente a ser exaurido; o bulbo recebia o ar tirado do recipiente. A bomba estava pronta em 1857. Entretanto, embora fosse muito eficiente e capaz de produzir vácuo na faixa de 0,1 mmHg (13,33 Pa), era cara, muito lenta e exigia muito cuidado na manipulação (MATTOX, 2017; REDHEAD, 1999a; REIF-ACHERMAN, 2015; TYNE, 1994).

Figura 1.3: Desenhos esquemáticos das bombas de Geissler, Töpler e Sprengel

Legenda: 1. bomba de Geissler; 2. bomba de Topler; 3. bomba de Sprengel. Fontes: Dushman (1949), Reif-Acherman (2015) e Sprengel (1865).

Para resolver esses problemas, dois outros fabricantes alemães, August Töpler e Hermann Sprengel, dedicaram-se a aperfeiçoar a bomba. Em 1862, Töpler substituiu a torneira por uma junção T, usando o próprio mercúrio como selador: esse arranjo melhorou a passagem do ar a ser expelido e permitiu alcançar pressões de 0,006 mmHg (800 mPa). Em 1873, Sprengel projetou uma bomba em que o mercúrio gotejava de um recipiente, agindo como um pistão num cilindro que capturava porções do ar do tubo e as levava para fora. As porções de ar iam ficando cada vez menores, até que o fluxo de mercúrio se tornava contínuo quando um nível bem baixo de pressão era alcançado (ANDRADE, 1960). No primeiro modelo, o mercúrio era reposto manualmente no sistema, mas, três anos depois, Lambert Babo desenvolveu um modelo autorreciclante. Essa nova bomba podia funcionar praticamente sem supervisão e alcançava pressões na faixa de 0,006 mmHg (800 mPa), o que compensava sua lentidão de funcionamento. A bomba de Geissler recebeu possivelmente a primeira aplicação industrial, nas pesquisas de Edison que possibilitaram o desenvolvimento e produção em massa da lâmpada de filamento de carbono (MATTOX, 2017; REDHEAD,

1999a; REIF-ACHERMAN, 2015; TYNE, 1994). Os modelos de Töpler e Sprengel têm especial importância em termos históricos porque foram utilizados nos experimentos clássicos de raios catódicos, além de serem empregados no equipamento de Röntgen onde foram descobertos os raios X e na eletrônica em geral (ANDRADE, 1960; REDHEAD, 2005).

Aproveitando a bomba de Sprengel, William Crookes, na década de 1870, em função de suas pesquisas de descargas elétricas nos gases, decidiu aprimorar a técnica de vácuo para obter maiores valores de rarefação. Seu assistente Charles Gimingham fez alterações na bomba de Sprengel, de modo que o dispositivo usava sete tubos e era capaz de atingir valores

de vácuo na ordem de 2 x 10-5 mmHg (2,7 mPa). Além do aumento do número de tubos, a

melhora obtida na produção de vácuo deveu-se a três fatores: 1) substituição dos tubos de borracha por tubos de vidro; 2) emprego de juntas de vidro; e 3) utilização do processo de desgaseificação através do aquecimento dos recipientes usados para a produção de vácuo. Foi com esse tipo de bomba que Crookes realizou seus experimentos com o radiômetro (ANDRADE, 1960; REDHEAD, 1999a).

Figura 1.4: Manômetro de McLeod, sistema de Edison e bomba de Gimingham

Legenda: 1. manômetro de McLeod; 2. sistema de Edison; 3. bomba de Gimingham. Fontes: 1. McLeod (1874); 2. Edison (1881); 3. Thompson (1888, fig. 23, p. 10.066).

Em termos de medição de vácuo, até 1874, o único instrumento disponível era o tubo de Torricelli, limitado a medir valores em torno de 0,5 mmHg (66,66 Pa). O passo importante

foi a invenção de novo tipo de manômetro pelo químico inglês Herbert McLeod, possibilitando medidas até 10-8 mmHg (1 µPa), adequadas às necessidades das bombas de vácuo que estavam sendo desenvolvidas na época e posteriormente (JOUSTEN, 2016). O princípio de funcionamento era baseado na compressão do gás em uma coluna de mercúrio para obter uma pressão maior, facilmente medida, sendo que o uso da Lei de Boyle permitia calcular a pressão original. No final da década de 1870, as técnicas desenvolvidas por Crookes foram empregadas na indústria e, para atender às necessidades da produção de lâmpadas incandescentes, Edison desenvolveu um sistema de vácuo formado por duas bombas de Sprengel, um bomba de Geissler e um manômetro de McLeod. O sistema atingia pressões de 10-3 mmHg (133 mPa) e, além de ser operado manualmente, era lento e imperfeito demais para o uso industrial (REDHEAD, 1999a; TYNE, 1994).

As bombas de Sprengel usadas por Edison para fazer vácuo nas lâmpadas estavam em operação contínua; foi relatado em 1884 que havia 500 bombas em Menlo Park funcionando. Vários outros tipos de bombas baseadas nas de Sprengel por operação contínua também foram desenvolvidos. Em 1886, W. Maxwell e T. V. Hughes desenvolveram uma versão de metal automatizada, adequada para uso em fábricas de lâmpadas, com nove tubos para a queda de mercúrio em paralelo para aumentar a velocidade de bombeamento. Tanto a bomba de Geissler-Töpler como a de Sprengel com um tubo de queda eram extremamente lentas, tendo velocidades de bombeamento inferiores a 10 ml/s; no entanto, eram capazes de atingir 10-5 mmHg quando usadas com cuidado (REDHEAD, 2005).

Para se ter uma ideia do interesse das pesquisas sobre o assunto, em um artigo escrito para a revista Scientific American, Sylvanus Thompson (1888) enumerou alguns tipos de sistemas de produção de vácuo usando bombas de mercúrio, por diferentes experimentadores, com modificações a partir das propostas feitas por Geissler, Töpler e Sprengel; um deles foi Lane-Fox, na Inglaterra, criador de lâmpadas de filamento, contemporâneo de Edison. Seguindo linha semelhante, Nikola Tesla (1892) em suas pesquisas sobre iluminação, também propôs um sistema de produção de vácuo a partir de bomba de Sprengel.

Nesse período, também foram feitos aperfeiçoamentos na bomba de pistão sólido. Em 1892, o engenheiro inglês Henry Fleuss criou uma bomba que chamou de Geryk, em homenagem a Guericke. Tinha pistão selado a óleo e êmbolo movido mecanicamente, e atingia um vácuo de 2 x 10-4 mmHg (27 mPa). A Geryk foi produzida na Inglaterra pela Pulsometer e, na Alemanha, pela Pfeiffer. Foi largamente empregada na indústria de lâmpadas elétricas, substituindo as bombas de pistão de mercúrio, até o início do século XX. Em 1900, era possível obter pressões na faixa de 10-6 mmHg (100 µPa) e as bombas dos sistemas de

vácuo de uso industrial estavam se tornando motorizadas: a Geryk foi aperfeiçoada em vários modelos e adaptada para a operação por um motor elétrico (GERYK, 1914; MATTOX, 2018; REDHEAD, 1999a).

Figura 1.5: Bombas Geryk de um e dois cilindros

Fonte: Geryk (1905).

Gráfico 1.1: Níveis máximos de vácuo obtidos de 1660 a 1900