Lampada di sicurezza da miniera

La lampada di sicurezza è una lampada a olio la cui fiamma è racchiusa in modo da non poter accendere il grisù delle miniere di carbone. Nella forma più nota, quella di Humphry Davy, un cilindro di sottile rete di ferro lascia entrare l’aria e trattiene la fiamma. La prima lampada di sicurezza fu descritta da William Clanny nel 1813, e sia Davy sia George Stephenson costruirono la propria nel 1815.

Che cos’è

Gli strati di carbon fossile liberano grisù, un gas composto soprattutto da metano. Mescolato all’aria in proporzioni comprese più o meno tra il 5 e il 15%, esplode a contatto con una fiamma, e i minatori lavoravano alla luce di candele e lampade a fiamma libera. La lampada di sicurezza permette di portare una fiamma in quell’aria senza accenderla. La fiamma brucia in una gabbia chiusa che lascia entrare l’aria fresca e uscire i gas combusti, ma che la fiamma stessa non può attraversare.

Le lampade successive circondano la fiamma con un grosso cilindro di vetro e tengono la rete sopra.

La lampada che Humphry Davy progettò alla fine del 1815 ne è la forma più semplice. Una piccola lampada a olio con serbatoio d’ottone regge un cilindro di sottile rete di ferro, chiuso in alto da un secondo strato di rete. Tre montanti verticali di filo di ferro proteggono il cilindro e si uniscono sopra di esso in una piastra con un anello per portare o appendere la lampada. La rete è l’intero involucro: non c’è vetro, e il minatore vede la fiamma attraverso le maglie. Le lampade successive circondarono la fiamma con un grosso cilindro di vetro e tennero la rete soltanto sopra, il che dava molta più luce.

La lampada era anche il rivelatore di gas del minatore. Il modo in cui cambiava la fiamma gli diceva se c’era grisù e, all’incirca, quanto.

Come funziona

Una fiamma è uno strato di gas abbastanza caldo da continuare a bruciare da solo. Quando raggiunge la rete, i fili di ferro le sottraggono calore più in fretta di quanto il gas che brucia riesca a produrne, e il gas che passa attraverso i fori esce troppo freddo per bruciare dall’altra parte. Davy cominciò con stretti tubi di metallo: un’esplosione non si propaga lungo un tubo abbastanza sottile e lungo. Una rete metallica agisce come una moltitudine di tubi cortissimi affiancati. Nella memoria del gennaio 1816 riferì che le reti provate, da 625 a 6400 fori per pollice quadrato, erano sicure. Un manuale del 1842 raccomandava che nessuna apertura superasse un ventiquattresimo di pollice, circa 1 mm, e la rete diventata usuale aveva 28 fili di ferro per pollice, cioè 784 fori per pollice quadrato.

In presenza di grisù, sopra la fiamma si alza un’aureola azzurro pallido; più gas c’è, più è alta.

La lampada respira l’aria che la circonda, qualunque essa sia. Quando quell’aria contiene grisù, una parte del gas brucia dentro la gabbia. Con poco gas compare sopra la fiamma gialla un’aureola azzurro pallido, che si allunga man mano che la proporzione sale. Alcune lampade avevano tacche sul vetro per leggerne l’altezza. In una miscela esplosiva l’intero cilindro si riempie di fiamma e la rete può diventare rovente, ma la combustione resta all’interno. È il segnale per ritirarsi subito: lasciati nel gas, i fili continuano a scaldarsi e possono finire per fondere.

La protezione aveva limiti noti fin dall’inizio. Una forte corrente d’aria poteva spingere la fiamma attraverso le maglie. Nelle prove di una commissione reale britannica, tra il 1879 e il 1886, una lampada Davy della miniera di Blantyre trasmise la fiamma alla miscela esplosiva circostante quando questa era in movimento. Un foro più largo delle maglie, dovuto a un urto o alla ruggine, annullava ogni protezione, e così pure l’apertura della lampada in sotterraneo, che ai minatori era vietata. La luce era debole. La lampada permise anche di sfruttare strati più profondi e più ricchi di grisù, e le esplosioni continuarono.

Come si fa

Una vera lampada di sicurezza dev’essere fabbricata e omologata per il suo impiego, e una lampada fatta in casa non deve mai avvicinarsi a gas, vapori di carburante o polveri. Quello che si può mostrare senza pericolo su un tavolo è il principio: una fiamma non attraversa una rete metallica fine.

La fiamma si allarga sotto la rete ma non la attraversa.

Servono una candela in un portacandela stabile, un vassoio di metallo, un quadrato di rete metallica fine di circa 15 cm di lato (la reticella d’acciaio o di rame venduta per i laboratori, o un pezzo ritagliato da un colino fine di metallo senza il bordo di plastica), una lunga pinza di metallo o una pinza da laboratorio su un sostegno, e un secchio di sabbia o d’acqua. Accendete la candela e lasciate che la fiamma si stabilizzi. Tenete la rete in orizzontale con la pinza e abbassatela lentamente sulla fiamma fino a tagliarla a metà altezza. La parte bassa della fiamma si allarga sotto le maglie, e sopra si vede solo un po’ di fumo, senza fiamma. Sollevate la rete e la fiamma intera ritorna. La rete fredda funziona meglio; dopo qualche secondo nella fiamma si scalda, la fuliggine si deposita sui fili, e va appoggiata sul vassoio a raffreddare prima di ripetere.

La fiamma è libera e la rete diventa abbastanza calda da ustionare la pelle. Lavorate su una superficie resistente al calore, lontano da tende, carta e da tutto ciò che può prendere fuoco, legate i capelli lunghi e rimboccate le maniche larghe, tenete a portata di mano la sabbia o l’acqua, e lasciate fare l’esperimento ai bambini solo con un adulto. Non tenete mai la rete con le dita, non usate mai un becco a gas, benzina per accendini, alcol o qualsiasi altro combustibile per questa prova, e non usatela mai per cercare gas. Lasciate raffreddare tutto prima di riporlo.

Storia ed evoluzione

Il 25 maggio 1812 un’esplosione nella miniera di Felling, vicino a Gateshead, uccise 92 uomini e ragazzi. L’anno seguente si costituì a Sunderland una Società per la prevenzione degli incidenti nelle miniere di carbone, i cui membri si aspettavano dalla scienza una luce sicura.

La prima risposta venne da un medico di Sunderland, William Reid Clanny. In una memoria letta alla Royal Society il 20 maggio 1813 descrisse una candela che bruciava dietro un vetro spesso in una cassetta chiusa. Un paio di mantici spingeva l’aria fresca attraverso l’acqua posta sotto la fiamma, e l’aria combusta usciva attraverso l’acqua posta sopra, così che un’esplosione interna non poteva raggiungere la miniera. La lampada funzionava ma richiedeva di pompare di continuo, e Clanny passò poi a modelli più semplici.

Nel 1815 due uomini lavorarono contemporaneamente al problema. George Stephenson, capo meccanico della miniera di Killingworth e in seguito costruttore di locomotive, provò una lampada in miniera il 21 ottobre 1815 e versioni migliorate il 4 e il 30 novembre; nella forma definitiva la fiamma bruciava in un camino di vetro sotto un coperchio di metallo forato da piccoli buchi. Humphry Davy cominciò a lavorare a Londra il 9 ottobre 1815, con Michael Faraday come assistente. Il 9 novembre fu letta alla Royal Society la sua prima memoria, su lampade in cui l’aria passava per tubi stretti. In seguito sostituì i tubi con la rete metallica. Cinque delle sue lampade a rete furono provate nella miniera di Hebburn il 9 gennaio 1816, e la sua relazione sulla lampada a rete fu letta due giorni dopo.

Ciascuna parte rivendicò la priorità. I sostenitori di Davy affermavano che la lampada era nata dai suoi esperimenti e che Stephenson gli aveva preso l’idea. Nel 1817 un comitato riunito a Newcastle concluse che Stephenson aveva lavorato in modo indipendente, e alcuni proprietari di miniere raccolsero per lui 1000 sterline. Entrambe le lampade rimasero in uso, la Davy nella maggior parte della Gran Bretagna e la lampada «Geordie» di Stephenson nel nord-est, dove molti minatori ne preferivano la luce più viva.

Le lampade successive unirono vetro e rete. Nel 1839 Clanny circondò la fiamma con un cilindro di vetro sormontato dalla rete, e nel 1840 l’ingegnere belga Mathieu Mueseler aggiunse un camino interno che migliorava il tiraggio e teneva il vetro pulito dalla fuliggine. Dopo le prove della commissione reale in corrente d’aria, si preferirono le lampade con la rete protetta da un mantello di metallo. Le lampade elettriche portarono il cambiamento successivo. Negli Stati Uniti il Bureau of Mines approvò nel 1915 una lampada da casco sviluppata con Thomas Edison, con una lampadina sul casco e una batteria ricaricabile alla cintura. Le lampade elettriche da casco illuminavano molto meglio, ma non segnalavano il gas, e così le lampade di sicurezza a fiamma restarono in servizio come rivelatori di grisù molto tempo dopo aver smesso di servire per l’illuminazione.