Ze skroplonym tlenem w świat

Jedno z pytań nurtujących XIX-wiecznych uczonych brzmiało: skoro niektóre ciała stałe mogą przejść w stan płynny, a następnie w gazowy, to czy możliwy jest także proces odwrotny? To znaczy, czy można doprowadzić gaz do stanu płynnego, a nawet stałego? Zauważono, że jeśli ciecz przechodzi w gaz przy podgrzaniu, to być może gaz przejdzie w stan płynny przy ochłodzeniu. Zaczęto więc przeprowadzać eksperymenty skraplania gazów przez ich ochładzanie.

Okazało się, że niektóre gazy dość łatwo dają się skroplić przy odpowiednim obniżeniu temperatury (np. dwutlenek węgla i chlor). Później do procesu dołożono także podwyższone ciśnienie, co pozwoliło skroplić kolejne ciała gazowe. Na pewnym etapie doświadczeń okazało się jednak, że w żaden sposób nie udaje się skroplić m.in. azotu, tlenku azotu, tlenku węgla, metanu i powietrza. Substancje te nazwano w związku z tym gazami trwałymi.

Powstańcze życiorysy

Na ziemiach polskich próby skroplenia opornych gazów podjęto w Krakowie. Ich inicjatorem był profesor fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego Zygmunt Wróblewski, wybitna postać o burzliwym i barwnym życiorysie.

Urodził się w Grodnie w wielodzietnej rodzinie. Studiował fizykę na rosyjskim Uniwersytecie św. Włodzimierza w Kijowie. Po wybuchu powstania styczniowego został aresztowany i zesłany na Syberię. Po zwolnieniu w wyniku amnestii w 1869 r. wyjechał do Niemiec dla kontynuowania studiów (uczelnie na terenie imperium carskiego nie były dostępne dla byłego powstańca) i ratowania zdrowia (więzienie i zesłanie zaskutkowały u niego chorobą oczu, która groziła ślepotą). Na emigracji Wróblewski dał dowody wyjątkowej wytrwałości, pracowitości i talentu.

W Niemczech przeszedł operację oczu, następnie podjął studia w Berlinie i Monachium, w tym drugim uzyskując doktorat. Podróżował po Europie, odwiedzając różne ośrodki akademickie. Cały czas prowadził też własne badania fizyczne, zajmując się modną wówczas elektrycznością. Przez osiem lat pracował na uniwersytecie w Strasburgu, gdzie zajął się gazami i przeprowadził habilitację. Już jako uczony o europejskiej renomie (wyniki jego badań publikowało m.in. słynne „Nature”) w 1882 r. osiadł w Krakowie zaproszony do objęcia Katedry Fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim. Do katedry tej przywiózł sporo aparatury badawczej, którą własnym sumptem zgromadził podczas swojej pracy naukowej na Zachodzie.

W Krakowie Wróblewski nawiązał współpracę z chemikiem z UJ prof. Karolem Olszewskim. Olszewski jako dziecko cudem ocalał z rabacji galicyjskiej, w której zginął jego ojciec. Jako gimnazjalista uciekł do powstania styczniowego, ale został aresztowany i osadzony w więzieniu św. Michała w Krakowie.

Na UJ ukończył studia z fizyki i chemii, dając się poznać jako zdolny student. Doktoryzował się w Heidelbergu, a habilitował po powrocie do Krakowa w 1873 r. Była to pierwsza habilitacja z chemii na uniwersyteckim Wydziale Filozoficznym. Jako profesor Olszewski objął kierownictwo Katedry Chemii, a potem Zakładu Chemii Ogólnej i Nieorganicznej.

Naukowo zajmował się kriogeniką, która skierowała go potem w kierunku gazów i ich skraplania. Olszewski – „średniego wzrostu o ostrych rysach i włosach szpakowatych, w binoklach” – był osobą zamkniętą w sobie, prowadzącą samotniczy tryb życia. Nie założył rodziny, nie uczestniczył w życiu uniwersyteckim. Przez 45 lat pracował i mieszkał w niewielkim mieszkaniu w dzisiejszym Kolegium Wróblewskiego przy ul. Jagiellońskiej. Tam też zmarł.

Aparat Cailleteta

Obydwaj uczeni przystąpili do prac eksperymentalnych nad skropleniem gazów trwałych, a w pierwszej kolejności tlenu, w uniwersyteckiej pracowni fizycznej mieszczącej się w budynku Collegium Physicum UJ przy ul. św. Anny w Krakowie. Używali do tego wykonanego w Paryżu przyrządu pomysłu prof. Wróblewskiego.

Wykorzystał on aparat wymyślony przez francuskiego uczonego Louisa-Paula Cailleteta, który stosował tzw. metodę kaskadową. Polegała ona na tym, że jedne skraplane gazy służyły do obniżenia temperatury przy skraplaniu następnych. Cailletetowi udało się w pewnym momencie uzyskać skroplony tlen w postaci mgiełki, ale nie potrafił doprowadzić go do stanu płynnego. Przyrząd Cailleteta wykorzystywany przez Wróblewskiego i Olszewskiego składał się z dwóch części: hydraulicznego kompresora, w którym badany gaz sprężano do 300 atmosfer, a następnie powodowano jego gwałtowną dekompresję za pomocą specjalnego kurka, oraz szklanego naczynia, w którym w grubościennej kapilarze dochodziło do skroplenia.
Wróblewski i Olszewski dokonali w nim pewnych zmian: kapilarę zagięli tak, aby jej koniec skierowany był w dół i aby tam mógł się gromadzić skroplony gaz. Do oziębienia skraplanego gazu zastosowali ciekły etylen, ale dla osiągnięcia jak najniższej temperatury obniżyli jego ciśnienie do około 1/30 atmosfery. W takich warunkach etylen wrzał i ochładzał się do temperatury minus 130 stopni. Była to najniższa osiągalna wtedy temperatura.

Wielki sukces

Udaną próbę skroplenia tlenu uczeni przeprowadzili 5 kwietnia 1883 r. Tak opisano to w protokole posiedzenia Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego Akademii Umiejętności, na którym dwa tygodnie później badacze przedstawili swoje osiągnięcie: „Po należytem ściśnieniu tegoż [tlenu – przyp. red.] poddawali oni [Wróblewski i Olszewski – przyp. red.] ten gaz działaniu temperatury, którą się otrzymuje, przyprowadzając etylen skroplony do wrzenia w próżni.

Temperatura ta jest tak niska, że termometr z dwusiarczku węgla, który może służyć jeszcze do mierzenia temperatury około minus 110 stopni C, już nie mógł funkcjonować. Tlen przy tej temperaturze skrapla się z wielką łatwością, napełnia rurkę szklaną i wygląda w niej jak bezwodnik węglowy skroplony. Jest on zupełnie przezroczysty, tworzy wyraźny menisk i wre przy zmniejszonym ciśnieniu”.

Z kolei osiem dni później badacze doprowadzili z sukcesem do skroplenia azotu. W protokole AU czytamy: „Widzieli oni po raz pierwszy azot skroplony dnia 13 kwietnia 1883 r. jako ciecz zupełnie bezbarwną w chwilach, gdy po oziębieniu tego gazu do temperatury dochodzącej blisko minus 130 stopni C robiona była expansja. Menisk tej cieczy był bardzo wyraźny”.

Polscy uczeni osiągnęli coś, z czym od dłuższego czasu nie mogli sobie poradzić badacze z wielu krajów. Jak pisze biograf prof. Wróblewskiego, Maciej Kucharski: „Od tej chwili uczeni mieli skuteczny środek do osiągania niskich temperatur w postaci ciekłego azotu, który do dzisiaj jest niezastąpionym środkiem chłodzącym w wielu dziedzinach nauki i techniki. Jednocześnie zrodziła się nowa gałąź fizyki poświęcona badaniom własności skroplonych gazów, a także badaniom własności mechanicznych, optycznych czy elektrycznych materii w niskich temperaturach.

Dzisiaj, gdy technika kriogeniczna przenika do wielu dziedzin życia codziennego, sam fakt skroplenia składników powietrza nie wydaje się tak doniosły jak w owym czasie, gdy wywołał poruszenie i emocje, i to nie tylko w kołach naukowych”. Rzeczywiście, skroplenie gazów trwałych w Krakowie odbiło się głośnym echem w Europie i świecie. Uznano to za niezwykle doniosłe osiągnięcie naukowe, na jego autorów spłynęły liczne pochwały, a Kraków uznano za jeden z przodujących w badaniach kriogenicznych ośrodków.

Niezadowolenie wyraziła tylko część badaczy francuskich, którzy uważali, że sława za skroplenie tlenu należy się Cailletetowi (on sam zresztą też tak uważał). Cytowany tu już Maciej Kucharski pisze, że skroplenie tlenu i azotu było najwybitniejszym osiągnięciem polskiej fizyki.

Zerwana współpraca

Epilog tej historii jest jednak dość smutny: krótko po naukowym sukcesie doszło między profesorami do jakiegoś nieporozumienia i zerwania współpracy. Odtąd swoje badania prowadzili osobno, a na forach naukowych spotykali się jako rywale. W 1888 r. Wróblewski uległ tragicznemu wypadkowi w laboratorium – rozlał na siebie zawartość lampy naftowej i stanął w płomieniach. Zmarł w wyniku poparzeń. Z kolei Olszewski prowadził później z powodzeniem własne badania m.in. z rentgenografii. W 1896 r., rok po odkryciu Roentgena, wykonał pierwsze polskie zdjęcie rentgenowskie. Za swoje osiągnięcia był trzykrotnie zgłaszany do Nagrody Nobla z fizyki i chemii.

dziennikarz, redaktor Białego Kruka