Das Cupronelement. Das Cupronelement. Dieses von Umbreit und Matthes hergestellte Primärelement zur Erzeugung stärkerer, konstanter elektrischer Ströme ist ein verbessertes Lalande-Element (Kupferoxyd-Alkali-Zink), welches bedeutende Vorzüge sowohl vor dem Lalande'schen als auch anderen nassen und trockenen Elementen besitzt. Die Lalande'sche Idee, Verwendung von Kupferoxyd als depolarisierenden Stoff in galvanischen Elementen, ist eine der fruchtbarsten auf dem betreffenden Gebiete, und nur einige konstruktive Mängel tragen die Schuld daran, dass die 1884 gemachte Erfindung keinen Eingang in die Praxis fand. Wohl griffen vor 6 bis 8 Jahren verschiedene namhafte Fachleute die schon halb vergessene Idee auf, wesentliche Erfolge aber wurden nicht erzielt, bis das Cupronelement Ende des Jahres 1893 auf den Markt kam und als praktisch ausprobierte Konstruktion sich schnell Freunde erwarb. Um das Prinzip des Cupronelements zu erklären, ist es jedenfalls angebracht, von dessen Vorbilde, dem Lalande-Element, auszugehen. Das Kupferoxyd CuO ist ein Metalloxyd, welches sehr leicht seinen Sauerstoff an andere oxydierbare Körper abgeben kann, weshalb es vorzüglich zur Depolarisation in galvanischen Elementen befähigt ist. Diese Eigenschaft war schon vor Lalande (also vor 1884) bekannt, jedoch kannte man bis dahin keine Lösung (Elektrolyt), welche nicht in irgend einer Weise schädlich auf das Kupferoxyd eingewirkt hätte. In allen Säuren (mit Ausnahme einiger schlechtleitender organischen Säuren) wird CuO mehr oder weniger aufgelöst und musste deshalb von Verwendung derselben abgesehen werden. Lalande gebührt nun das Verdienst, ein Elektrolyt gefunden zu haben, welches auf CuO keine chemische Einwirkung ausübt: Alkalilösung (Auflösung von Aetzkali KOH oder Aetznatron NaOH in Wasser). Die beiden Laugen stehen den Säuren in Bezug auf Leitungsfähigkeit durchaus nicht nach, üben auf CuO gar keine Wirkung aus und greifen im kalten Zustande Zink nicht an, sofern letzteres chemisch rein oder gut amalgamiert ist. Beide Laugen aber sind befähigt, beträchtliche Mengen Zinkoxyd ZnO bezw. Zinkoxydhydrat ZnOgH2 in Lösung zu nehmen. Lalande konstruierte sein Element folgendermassen: In einem gusseisernen Topfe befand sich eine 1 bis 2 cm hohe Schicht pulverförmigen schwarzen Kupferoxyds. Der Topf wurde mit Kalilauge von 30% Kaligehalt gefüllt und mit einer gutschliessenden Hartgummidecke geschlossen. In der Mitte dieses Deckels war ein Zinkkolben, nach unten hängend, angebracht. Der eiserne Topf bildete sonach mit dem Kupferoxyd den positiven, dem Zinkkolben den negativen Pol. Die Stromabgabe (Entladung) ging nun in der Weise vor sich, dass sich das Zink unter Reduktion des Kupferoxyds als Zinkoxyd löste und in die Flüssigkeit ging. War sonach entweder alles Kupferoxyd reduziert oder aber die Lösung mit Zinkoxyd gesättigt, so liess die Stromentwickelung nach und hörte zuletzt ganz auf. Um das schwammige, reduzierte Kupfer wieder in Oxyd überzuführen, musste dasselbe in besonderen Oefen einer anhaltenden Erhitzung unterworfen werden, was aber hinsichtlich des Kostenpunktes einer Neubeschaffung von Kupferoxyd gleichkommt. Diese schwierige Wiederverwendung (Regeneration) des schwammigen Kupfers ist wohl der wichtigste Anlass gewesen, auf welchen die Nichteinführung des Lalande-Elements zurückzuführen ist. Ein weiterer Uebelstand war der, dass das pulverförmige Kupferoxyd schlechten Kontakt mit dem Eisentopf behielt und demzufolge nur verhältnismässig schwächere Ströme, wenn auch äusserst konstant, abgeben konnte. Schon Lalande selbst und später Edison erkannten die Mängel des pulverförmig angewandten Kupferoxyds und suchten beide letzteres in kompakte Form zu bekommen, Lalande durch Mischung mit erhärtenden Chemikalien, Edison durch starke Kompression von 300 at. Es gelang auch beiden, brauchbare Platten zu erhalten, jedoch auch diese Verbesserungen hatten keinen Eingang in die Praxis gefunden, denn die Schwierigkeit wegen der Wiederladung war hier noch grösser als beim pulverförmigen Kupferoxyd. Oberstabsarzt Dr. E. Böttcher war wohl der erste, der diese Wiederladung (Regeneration) in einfachster Weise erzielte. Durch Behandlung mit verschiedenen Chemikalien stellte er in Eisenblechtöpfen kompakte poröse Böden aus Kupferoxyd her. Die Wirkungsweise und Anordnung ist sonst wie beim Lalande-Elemente, nur dass die Kupferoxydböden sich nach ihrer Reduktion leicht unter Aufsaugen des Sauerstoffes der Luft wieder oxydieren. Dr. Böttcher umging dadurch das Rösten oder Auswechseln des reduzierten Kupfers. Das Cupronelement nun beruht auf einem ähnlichen Prinzip wie das von Dr. Böttcher angewendete; es ist sonach ein verbessertes Lalande-Element, nur vermeidet es alle über dieses angeführten Nachteile. Aus beistehender Fig. 1 sind die konstruktiven Details zu ersehen. In einem viereckigen Glaskasten, der oben geschliffen und durch einen Hartgummideckel verschlossen ist, befinden sich zwei Zinkplatten und dazwischen die poröse Kupferoxydplatte. Das Gefäss ist mit Kali- oder Natronlauge von 20 bis 22° Bé. gefüllt. Die Stromabgabe geschieht durch zwei oberhalb des Deckels befindliche vernickelte Messingklemmen. Textabbildung Bd. 313, S. 13 Fig. 1. Der chemische Vorgang bei der Stromabgabe ist folgender: Durch Stromschluss wirkt das Zink (da es einen bedeutend höheren Oxydationswert als Kupfer hat) auf das Kupferoxyd reduzierend ein. Es bildet sich Zinkoxydhydrat, welches sich in der Alkalilösung auflöst und zum Teil infolge seiner spezifischen Schwere mehr nach unten sinkt. Infolgedessen bleibt das Zink immer metallisch blank und auch die Lösung behält fast bis zur Sättigung mit Zinkoxyd ihre gute Leitungsfähigkeit. CuO + Na2OAq + Zn = Cu + Na2OAq, ZnO2H2. Es kann nun so lange Strom entnommen werden, als 1. noch Oxyd auf der Kupferplatte ist, 2. noch freie Alkalilösung, und 3. noch Zink vorhanden ist. Sind diese drei Faktoren alle vorhanden, so gibt das Element einen konstanten und dabei verhältnismässig starken Strom ab. Das Cupronelement verhält sich während der Entladung fast wie ein Akkumulator, die Spannung behält innerhalb der Entladungsperiode ziemlich denselben Stand und fällt plötzlich um 30 bis 40%, sobald das Oxyd aufgebraucht und die Lösung gesättigt ist. Aber in einem Punkte unterscheidet sich das Cupronelement wesentlich vom Akkumulator; es gibt im Ruhezustand bei demselben keine Lokalströme und keine Selbstentladung. Während ein Akkumulator die Ladung nach 2 bis 3 Monaten schon fast ganz verloren hat, muss ein Cupronelement noch nach Jahren, von der Füllung an gerechnet, seine volle Kapazität geben, sofern die Lösung hermetisch von der Luft abgeschlossen ist. Die Wiederherrichtung (Regeneration) eines entladenen Cupronelements ist die denkbar einfachste, es genügt, das ganze System herauszuheben, mit Wasser abzuspülen und 20 bis 24 Stunden an einen trockenen warmen Ort zu stellen, eventuell natürlich auch Lösung und Zink zu ersetzen, falls nötig. Der Zinkverbrauch ist durch viele Versuche fast genau dem theoretischen Werte entsprechend gefunden worden, 1,20 bis 1,25 g pro Ampère-Stunde, während an Aetznatron und Aetzkali (technisch rein) etwa 4 bezw. 6 g pro Ampère-Stunde gebraucht werden. Die Kupferoxydplatten erleiden durch die Ladung und Entladung nicht die geringste Veränderung, müssen also unbegrenzt benutzt werden können, abgesehen von Defekten, die durch unrichtige Behandlung, Schlag oder Fall entstehen. Die Elektromotorische Kraft des Cupronelements ist in den ersten Minuten meist 1 bis 1,1 Volt, während die normale elektromotorische Kraft 0,85 Volt ist. Die Klemmenspannung variiert je nach der entnommenen Stromstärke zwischen 0,80 und 0,75 Volt. Die Ueberspannung von 0,15 bis 0,25 Volt rührt von dem in den feinen Poren der Kupferoxydplatte verdichteten freien Sauerstoff her. Um die Ueberspannung schnell zu beseitigen, genügt ein Kurzschluss von einigen Minuten. Welche vorzügliche Konstanz das Cupronelement selbst bei starker Stromabgabe besitzt, ist aus folgenden graphischen Darstellungen der Entladungskurven ersichtlich. Textabbildung Bd. 313, S. 13 Fig. 2.Cupronelement Nr. I (Entladungskurve bei starkem Strom). Füllung: 200 g Aetznatron (techn.); Aeusserer Widerstand (gemessen); Innerer Widerstand (berechnet); Mittlere Klemmenspannung; Mittlere Stromstärke; Güteverhältnis (Nutzeffekt); Kapazität (Strommenge) 53,5 Ampère-Stunden. Textabbildung Bd. 313, S. 13 Fig. 3.Cupronelement Nr. I (Entladungskurve bei schwachem Strom). Füllung: 200 g Aetznatron (techn.); Aeusserer Widerstand (gemessen); Innerer Widerstand (berechnet); Mittlere Klemmenspannung; Mittlere Stromstärke; Güteverhältnis (Nutzeffekt); Kapazität (Strommenge) 60 Ampère-Stunden. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Entladungskurven für Element Nr. I bei starkem und schwachem Strom. Für den Fachmann bedarf es hierzu weiter keiner Erklärung. Ein Vergleich der mittleren Klemmenspannungen beider Kurven zeigt, dass diese nur wenig voneinander abweichen, was nur auf den fast unmessbar geringen inneren Widerstand zurückzuführen ist. Die sehwache Stromstärke von 0,15 Ampère (Fig. 3) entspricht ungefähr der Stromstärke, die ein Mikrophon zum Betriebe braucht. Es kann sonach ein Mikrophon mit Element Nr. I = 400 Stunden dauernd benutzt werden, eine Leistung, die wohl überhaupt mit keinem anderen Element (abgesehen vom Akkumulator) möglich ist. Wir wollen hierbei noch erwähnen, dass die besten und grössten Trockenelemente nicht im stände sind, diese schwache Stromstärke von 0,15 Ampère = 400 Stunden dauernd abzugeben, während das Cupronelement Nr. I mit Leichtigkeit den 10fachen Strom abgeben kann, ohne überanstrengt zu werden. Wir heben dies hiermit besonders hervor, weil gerade in den letzten Jahren viele Trockenelemente für den Betrieb kleiner Lichtanlagen empfohlen werden. Selbstverständlich haben auch die Trockenelemente für viele Zwecke grossen Wert und wird ja auch ein Fabrikant, welcher nur ein wenig von elektrischen Messungen versteht, nicht so unklug sein, seine Elemente für Starkstromabgabe zu empfehlen; leider aber wird das Publikum von vielen Charlatanen betrogen und kann vor diesen nicht genug gewarnt werden. Die Entladungskurven der grösseren Typen haben bei den entsprechenden Stromstärken genau dieselbe Form wie Type I, weshalb eine Zeichnung der betreffenden Kurven hier wohl unterbleiben kann. Die Vorteile, welche das Cupronelement gegenüber anderen, gleichviel ob nassen oder trockenen Elementen, besitzt, seien nochmals wie folgt kurz zusammengefasst: 1. Es gestattet dauernde Stromentnahmen. 2. Jede Polarisation ist ausgeschlossen, da die festen Kupferoxydplatten ihren Sauerstoff sehr leicht abgeben; das Element verhält sich in dieser Beziehung wie ein Akkumulator. 3. Der innere Widerstand ist infolge der geringen Entfernung der Platten voneinander, sowie der hohen Leitungsfähigkeit der Alkalilaugen ein sehr geringer. 4. In der Ruhe findet kein Materialverbrauch statt, sofern die Zinkplatten amalgamiert sind, denn amalgamiertes Zink wird von kalter Alkalilauge nicht angegriffen. 5. Der Zinkverbrauch ist, der entnommenen Strommenge entsprechend, 1,25 g pro Ampère-Stunde, unter Hinzurechnung der Abfälle im Höchstfalle 2 g pro Ampère-Stunde. 6. Der Verbrauch an Aetzkali bezw.-natron (technisch rein) ist pro Ampère-Stunde ca. 6 bezw. 4 g, bei chemisch reinem Aetzalkali höchstens 3 bezw. 2 g. 7. Die Lösung (Elektrolyt) ist vollständig geruchlos, weshalb das Element in jedem Raum aufgestellt werden kann. 8. Die Kapazität (Strommenge) kann innerhalb der Maximalstromgrenze in beliebigen Zeiten entnommen werden, gleichviel ob ununterbrochen oder mit Zwischenpausen. 9. Die Wiederladung der entladenen Kupferoxydplatten geschieht durch Absorbieren des Sauerstoffes der Luft. Es genügt, die Platten 20 bis 24 Stunden an einen trockenen, warmen Ort zu legen. Es sei an dieser Stelle noch auf den Unterschied zwischen Kali- und Natronlauge aufmerksam gemacht. In den meisten Fällen genügt die viel billigere Natronlauge, zumal 2 T. derselben so viel Wirkung ausüben als 3 T. Kalilauge. Letztere dagegen hat den Vorteil voraus, dass sie nicht auskrystallisiert (bei Natronlauge überziehen sich die oberen Elementteile leicht mit einem weissen Sodabeschlag). Die mit Zinkoxyd gesättigten Laugen werden in den meisten Fällen weggegossen, bei grösseren Batterien jedoch rentiert sich Regeneration mit dünneren Lösungen von Schwefelkalium oder Schwefelnatrium (Na2OAq, ZnO2H2 + Na2S = 2Na2OAq + ZnS).