Pompa a vuoto rotativa a mercurio

Una pompa a vuoto rotativa a mercurio svuota lampade e tubi elettronici con una parte rotante in cui il mercurio fa da pistone liquido. Nella pompa di Wolfgang Gaede del 1905 ogni camera curva di un tamburo aspira gas dal recipiente mentre emerge dal mercurio e, quando vi si immerge di nuovo, lo spinge nell'involucro, da cui lo estrae una seconda pompa. F. Schulze-Berge aveva descritto nel 1893 una pompa rotativa a mercurio azionabile meccanicamente; quella di Gaede fu prodotta in gran numero per le industrie delle lampade e dei tubi.

Che cos’è

Una pompa a vuoto toglie il gas da un recipiente chiuso. Verso il 1900 i fabbricanti di lampade elettriche, di tubi a raggi X e di tubi elettronici avevano bisogno di pressioni molto più basse di quelle che raggiunge una pompa a pistone, perché l’aria rimasta in un bulbo rovina un filamento caldo. Le migliori pompe dell’epoca sostituivano il pistone solido con uno liquido di mercurio.

Le pompe rotative resero continuo questo principio. Nella forma presentata da Wolfgang Gaede nel 1905, un tamburo diviso in camere curve gira lentamente in un involucro metallico chiuso, riempito di mercurio più o meno a metà. Lo aziona un motore elettrico, così nessuno deve manovrarlo a mano.

Come funziona

La pompa lavora a stadi. Una pompa preliminare separata abbassa prima la pressione nell’involucro. La pompa rotativa estrae poi il gas rimasto nel recipiente e lo spinge in quell’atmosfera già rarefatta, da cui la pompa preliminare lo toglie.

Ogni camera del tamburo si apre verso il recipiente sopra il mercurio, poi vi si immerge e si svuota.

Mentre il tamburo gira, il mercurio mantiene il suo livello e le camere lo attraversano. Dal lato in cui una camera emerge dal mercurio, lo spazio libero al suo interno cresce, e il gas del recipiente vi entra dal tubo di aspirazione, che sbocca nel tamburo sopra il mercurio. Dall’altro lato la camera torna a immergersi: il mercurio vi sale come un pistone e spinge il gas nell’involucro, da cui lo estrae la pompa preliminare. L’apertura della camera si immerge poi nel mercurio e si chiude. Ogni giro porta via un po’ del gas del recipiente, e la pressione vi scende passo dopo passo.

La stessa idea funzionava in pompe a mercurio più antiche, in cui una colonna di mercurio sostituiva il pistone solido di una pompa meccanica e veniva alzata e abbassata a mano. Far girare le camere attraverso il mercurio rese continuo il ciclo, e un motore poteva azionarlo.

Come si fa

Spinto nell’acqua, un bicchiere capovolto intrappola una sacca d’aria; inclinato, la lascia andare, come fa ogni camera del tamburo.

Due modelli semplici, con acqua e cartone, mostrano il ciclo della pompa.

Intrappolare una sacca d’aria. Riempite d’acqua una bacinella grande. Tenete capovolto un bicchiere trasparente e spingetelo giù diritto: l’aria non può uscire e l’acqua sale solo di poco nel bicchiere, trattenuta dalla sacca intrappolata. Inclinate piano il bicchiere sott’acqua finché il bordo si solleva da un lato: la sacca esce in una grossa bolla e l’acqua riempie il bicchiere. Nella pompa, la superficie del mercurio chiude così ogni camera e poi la riempie.

Far girare il ciclo. Disegnate su un cartone rigido un cerchio di circa 20 cm di diametro per l’involucro e colorate di blu la metà inferiore fino a una linea orizzontale: è il livello del liquido. Segnate un quadratino in cima al cerchio come uscita verso la pompa preliminare. Ritagliate da un secondo cartone un disco di circa 16 cm di diametro e disegnatevi tre camere curve come le pale di un ventilatore. Fissate il disco al centro del cerchio con un fermacampione. Giratelo piano e seguite una camera: quando esce dal blu, la sua parte sopra il liquido cresce, ed è allora che la camera aspira il gas dal recipiente. Quando si immerge dall’altro lato, il liquido vi sale e quella parte si riduce, ed è allora che il gas viene spinto nell’involucro.

Storia ed evoluzione

In una pompa di Sprengel, gocce di mercurio che cadono in un tubo portano via il gas; era la pompa dei fabbricanti di lampade prima delle rotative.

Nel 1722 Emanuel Swedenborg descrisse una pompa in cui una colonna di mercurio, alzata e abbassata, sostituiva il pistone solido di una pompa pneumatica meccanica. Nel 1855 Heinrich Geissler, di Bonn, costruì una pompa con due recipienti di vetro uniti da un tubo di gomma; descritta per la prima volta nel 1858, superò tutte le precedenti pompe a mercurio per semplicità ed efficacia. Nel 1865 Hermann Sprengel presentò una pompa in cui gocce di mercurio che cadevano in uno stretto tubo di vetro intrappolavano ciascuna un po’ di gas e lo portavano via. Nel 1879 il laboratorio di Edison a Menlo Park combinò pompe di Geissler e di Sprengel per svuotare i bulbi delle sue lampade e misurava la pressione con un manometro di McLeod.

Queste pompe erano lente e manovrate a mano. Nel 1893 F. Schulze-Berge descrisse una pompa rotativa a mercurio negli Annalen di Wiedemann, e Nature ne diede notizia a novembre: un tubo ad anello riempito in parte di mercurio girava in un piano inclinato, e il mercurio, facendo da pistone, aspirava il gas dal recipiente e lo spingeva verso una pompa ausiliaria. Poteva essere azionata meccanicamente, e lui ne stava costruendo una più grande per l’industria. Wolfgang Gaede, assistente all’università di Friburgo in Brisgovia, studiava l’effetto Volta nel vuoto e constatò che le pompe del suo tempo non raggiungevano una pressione abbastanza bassa. Nel 1905 presentò la sua pompa pneumatica rotativa a mercurio al congresso dei naturalisti e medici tedeschi di Merano, dove fece scalpore. Lo storico Franz Wolf scrisse che essa, come la sua pompa a olio, migliorava soltanto principi già noti della pompa a pistone. La pompa poteva essere azionata da un motore e fu prodotta in gran numero per le industrie delle lampade e dei tubi elettronici.

Dal 1906 Gaede collaborò con la ditta E. Leybold’s Nachfolger di Colonia. La sua pompa rotativa a olio del 1907 fu pensata soprattutto come pompa preliminare per quella a mercurio. Presentò poi nel 1912 la pompa molecolare, che trascina le molecole di gas lungo un cilindro che gira velocissimo, e la pompa a diffusione di mercurio, senza parti mobili. Entrambe raggiungevano pressioni molto più basse della pompa rotativa a mercurio.