Maailmamees Revalist

Foto:Tõnu Ojala

Kas teile ütleb midagi nimi Thomas Johann Seebeck? Vist ei ütle, aga võiks öelda, sest tegu on Eestimaal sündinud mehega, kes avastas termopaari ja termoelektri ning läks teadusajalukku omanimelise, Seebecki efektiga.

Watt käivitas oma aurumasina 1765. aastal – ja kõik sai uue hoo. Viis aastat pärast imemasina ilmaletulekut võttis ämmaemand Revali raeplatsiäärses majas vastu poisslapse, kes sai nimeks Thomas Johann Seebeck (9.04.1770–10.12.1831). Papa, rikas kaupmees, tahtis, et järglasest kasvaks haritud tegelane ja pani poisi linna tippkooli, Revali Keiserlikku Gümnaasiumi, tänane Gustav Adolfi Gümnaasium. Kool läbi, siirdus nooruk (17) isa soovil Saksamaale arstiteadust tudeerima.

Viljakas keskkond
Göttingeni ülikoolis õpetati nooruk meedikuks – ülikooli lõpetas ta 1792, meditsiinidoktori kraadi sai 1802 –, kuid meie ei tunne teda kui väljapaistvat arsti, vaid kui teadusajalukku läinud füüsikut.
Tänu isa varandusele võis noor mees tunda end üpris vabalt ega sidunud ühegi ametikohaga. Saksamaal ringi rännates – ta vahetas elukohti päris sageli – tutvus ta silmapaistvate inimestega nagu Johann W. von Goethe, filosoofid Georg Hegel ja Friedrich Schelling, ultraviolettkiirguse avastaja füüsik Johann Wilhelm Ritter jt. Selline intellektuaalne ümbruskond mõjub väga virgutavalt. Raske öelda, millal ja millest just tekkis Seebeckil huvi loodusteaduste vastu, kuid teaduse õnneks läks nii.
Kõik me teame Goethet kui värssdraama „Faust” autorit, mida mees olevat kirjutanud 60 aastat, kuid vähem teame teda kui loodusuurijat. Täpsemalt – kui uurijat optika vallas, veelgi täpsemalt – kui värvuste uurijat, millele poeet pühendas oma elust 30 aastat. Seebeckist aga sai Goethe lähedane nõuandja ja kaastööline eksperimentaalse optika ja värvusõpetuse alal.
Kaasaegsed on iseloomustanud Seebecki kui nutikat ja teravmeelset eksperimentaatorit, mistõttu ta leidis sageli probleemidele hiilgavaid lahendusi ning tegi mitmeid avastusi. Näiteks jäädvustas Seebeck 1810. aastal läbi Newtoni prisma päikesevalguse spektrivärvid hõbekloriidiga kaetud alusele. 1813. aastal avastas Seebeck polariseeritud valgusega katsetades surve all olevas klaasis tekkiva fotoelastsuse ehk piesooptilise efekti ja sai Pariisi Teaduste Akadeemialt 1815. aastal koos inglase D. Brewsteriga parima eksperimentaaltöö auhinna. See mõjus leidurile kui õli tulle valamine. Muide, seda avastust kasutakse veel tänapäevalgi, kui näiteks orgaanilisest klaasist valmistatud mudeli peal jälgitakse loodava konstruktsiooni pingete kontsentratsiooni (paigutust, kulgu). Nähtusest saavad abi ka geoloogid mineraalide uurimisel, magusatööstus suhkrulahuste hindamisel, meditsiin veresuhkru määramisel jt.
Edasi jätkas Seebeck katseid Volta sambaga (1800), mässas juhtmete ja magnetväljadega. 1816. aastal torkas ta vertikaalse juhtme horisontaalsest papitükist läbi, puistas papile pisut rauapuru ja tegi nii juhtme ümber oleva magnetvälja nähtavaks. Tänapäeval oleks see füüsikatunni pisuke näide, tolleaegses teadusringkonnas oli aga aplausi vääriv katse. Seebeck leidis veel, et kui traati painutada, muutub jõujoonte paigutus papil. Veel tegeles ta kahe paralleelse juhtme ja nende magnetväljadega, kuid eriliste avastusteni ei jõudnud. Edasi võttis Seebeck ette koobalti ja nikli magneetilised omadused ning kõigi nende eksperimentidega saavutatu tõstis ta 1818. aastal Berliini Teaduste Akadeemia kirjavahetajaliikmeks, 1819. aastal aga täisliikmeks. Koobaltist ja niklist said aga püsimagneti kohustuslikud komponendid, mis lisavad tänapäevani magnetile „jõudu”.
Analoogseid katseid tegi Pariisis ka matemaatikaprofessor Marie Ampére (1775–1838). Tema uuringu stardipauguks sai Taani füüsiku Hans C. Ørstedi (1777–1851) elektrivoolu ja magnetnõela konflikt ja selle põhjus – vooluga kaasnev magnetväli (1820). Ampére pühendas oma elust neli aastat (1820–1824) elektromagnetnähtustele, koostas katsete tulemuste põhjal elektrodünaamika teooria ja sukeldus seejärel filosoofiasse.
Seebeck, kuulnud 1820. aasta augustis Ørstedi katsete tulemustest, loobus oma katsetest optika vallas ja otsustas pühenduda täielikult elektriliste nähtuste ning magnetismi uurimisele.

Ikka see juhus…
Ühel päeval jõudis Seebeck (51) oma katsetes momendini, mil pani näppude vahel kokku vasest ja vismutist voolujuhid ja… täheldas kontuuri paigutatud magnetnõela kõrvalekaldumist. Katsetes kohustuslik magnetnõel reageeris! Kui ta aga vajutas juhtmed kokku puupulgaga, jäi magnetnõel paigale. Ta taipas, et magnetnõela kõrvalekalle oli tingitud ühenduskoha näppudega soojendamisest. Tänapäevastes terminites: Seebeck oli avastanud kahe erineva metalli kokkupuutekoha soojendamisest tekkiva elektromotoorjõu ja elektrivoolu. Oma osa selles katses mängis see, et juhtmete teised otsad olid jahedas toaõhus. Temperatuuride mõnekraadise vahe puhul oli efekt mannetu, kuid temperatuuride vahe suurenedes, kasvõi ühenduskohta piiritusleegis kuumutades, kasvas elektromotoorjõud tunduvalt.

Oma avastusest tegi ta Berliini Teaduste Akadeemias 14. detsembril 1820 ettekande. Seebecki katse tulemus oli reaalne, kuid avastaja nägi kurja vaeva selle teoreetilise tagapõhja seletamisega. Et avastuse kohta hakkas teave liikuma 1821. aastal, siis on see aastaarv saanud paljudes teabeallikais ka avastuse sünniaastaks.
Samm edasi astuti tänu Ørstedile, kes külastas Berliini 1822. aasta detsembris ning sõitis uuel aastal Pariisi, kus ta kordas Seebecki katseid ja tegi ettekande Prantsuse Teaduste Akadeemias. Uut nähtust hakkas Ørsted nimetama termoelektriks ja kokkupuutuvaid eri metalle termoelemendiks. Need terminid kehtivad tänaseni, kuid temagi ei lahendanud nähtuse olemust. Koos prantsuse füüsiku, tulevase matemaatikakuulsuse Jean Fourier’ga (1768–1830) seati suurema elektromotoorjõu saamiseks kokku kuuest antimon-vismut (Sb/Bi) termopaarist esimene termoelementide jada, mida Volta sammast eeskujuks võttes hakati kutsuma termosambaks, hiljem termopatareiks.

Avastaja kuulutatakse hulluks
Elektrijuht – mingi metall – oli algpäevil teadlaste jaoks passiivne element, peaasi et juhtis voolu, elektrilise takistuse mõistet veel ei tuntud. Saksamaal hakkas (1820) elektrijuhi olemust selgitama koolis füüsikat ja matemaatikat õpetav koolmeister Georg S. Ohm (1789–1854). Algul katsed ebaõnnestusid, kuna Volta samba pinge muutus koormusest. Siis kuulis ta Johann C. Poggendorffilt (1796–1877), et Seebeck on leiutanud uudse elektriallika. Kohe koostas Ohm sellise oma töölauale. Et pinge oleks kõigi katsete korral konstantne, paigutas ta ühe ühenduskoha leidlikult piirituslambi kohal mulisevasse vette, teise jääsuppi ning katsetel oli hoopis teine minek.
Algselt oli tal voolu hindamiseks juhtme kohal kuldniidiga rippuv magnetnõel, viimastel aastatel aga juba galvanomeeter. Selle mõtles välja (1825) Itaalia erusuurtükiväelane Leopoldo Nobili (1784–1835).
Elektritakistuse olemuse selgitamine kestis Ohmil kümmekond aastat ja selle töö avalikustamisel tembeldati ta piltlikult öeldes hulluks, 1828. aastal vabastati ta isegi töölt. Tema päästjaks sai aastaid hiljem Tartu-poiss, nüüd juba Peterburi ülikooli professor Heinrich Lenz, kes leidis Ohmi leidusel siiski jumet olevat. Seejärel kiitis Ohmi töö heaks ka Tartu Ülikoolis töötanud arhitektuuri professor, tegelikult kuulus elektrotehnik Moritz H. Jacobi, öeldes, et see sobib hästi galvaaniliste nähtustega. Nüüd hakkas Ohmi seadus jõudma ka teiste teadlasteni.

Termoelemendiga temperatuure mõõtma
Seebecki peas oli tore plaan hakata termoelemendiga temperatuure mõõtma, kuid selleni ta ei jõudnud. Esimese katse selleks tegi Ørsted koos Fourier’ga Pariisis (1823), aga tõsisemalt hakkas sellega tegelema Itaalia füüsik M. Melloni (1798–1854). Koostanud multitermopaaridega patarei, seadis ta 1830. aastaks, koos kaasmaalase Nobili ja tema galvanomeetriga, kokku ülitundliku termomeetri. Seade olevat reageerinud kümne meetri kauguselt inimese keha soojuskiirgusele, nagu tänapäeval reageerivad sellele iseavanevad uksed.
Algsed termopaarid olid vismut/vask, siis võeti kasutusele teisi metalle ja sulameid nagu alumell (Al+Ni), kopell (Cu+Ni), kromell (Cr+Ni) jne.
Tänapäevased termopaar-riistad mõõdavad temperatuuri tuhandiku kraadi täpsusega, mõõtevahemik on absoluutse nulli lähedalt volframi sulamistemperatuurini, –250 kuni 2500 °C.
Juba Seebeck tegi kindlaks, et katsetatud metallide, sulamite ja mõnede mineraalide koostoime on paarikaupa erinev ning paigutas need tahkised järjekorda, mis praktiliselt ühtib tänapäeval tuntud termopingete reaga.
Seebecki efektil põhinevad kaks olulist rakendust – temperatuuri mõõtmine ja elektri tootmine. Esimese ülesande täitmiseks on vaja tänapäevast Nobili galvanomeetrit, konstantset „jahedat toaõhku” ja asjalikku gradueerimist, teise puhul parimat võimalikku materjalide valikut termopaari moodustamiseks ja suurt temperatuuride vahet.

Kolm fenomeni
Termoefekti avastamisest 13 aastat hiljem tegeles sellega endine Pariisi kellassepp Jean C. A. Peltier (1785–1845) ja avastas pöördefekti: kui läbi termopaari juhtida elektrit ühes suunas, hakkab ühenduskoht soojenema (Seebecki efekt), kui aga voolusuund muuta vastupidiseks, hakkab ühenduskoht jahtuma (Peltier’ efekt). Kogu nähtust hakati kutsuma ühisnimega Seebecki-Peltier’ efektiks. Viimast kasutatakse siis, kui tekkib vajadus hoida konstantses temperatuuris kvartskristalli, jahutada arvuti protsessorit või külmkappi, -letti, mingit jahutusseadet, kasvõi entusiasti veinikappi.
Inglise füüsik William Thomson (1824–1907), sama, kelle kuninganna lord Kelviniks lõi, lahendab lõpuks termoelektrilise nähtuse olemuse (1854), loob termodünaamilise teooria ning avastab 1856. aastal kolmanda efekti. Efekt avaldub monojuhis, kahest metallist enam ei räägita. Efekti olemus on selles, et elektrivool soojendab või jahutab voolukandjat – sisuliselt mõjutab soojusjuhtivust. Peaaegu nagu Seebecki-Peltier’ efekt, kuid mitte termopaari kontaktpunktis, vaid nüüd juba kogu voolujuhis. Efektiga tuleb arvestada täppistermoandurite ja pooljuhtmoodulite koostamisel.
Seebeck asetub tahes-tahtmatult oma efekti populaarsusega esikohale, postamendi tippu. Kahjuks ei näe ta sealt ei Ohmi triumfi ega Peltier’-Thomsoni efekti, tema surm, vaatamata suurele avastusele, jäi üldsusele pea märkamatuks.
Teadlaskond oli karm. Töötanud Goethe kõrval, kes oli värvusteoorias jonnakalt omal seisukohal ja seetõttu Newtoni valgusteooria koolkonnaga raksus, langeb Goethe vari ka Seebeckile, mistõttu Maarjamaal sündinud mees maeti Berliinis vaikselt, ilma austusavaldusteta. Kuu enne teda läks hauda sõber Hegel ja mõni kuu hiljem iidol Goethe. Alles kaheksa aastat pärast termoelektri avastaja surma selgitab 1839. aasta Berliini Teaduste Akadeemia liikmeks saanud Poggendorff teistele akadeemia liikmetele Saksamaa ühe oma aja silmapaistvaima eksperimentaalfüüsiku teaduslikku pärandit ja annab sellele objektiivse hinnangu.

Termopaar jätkab
Tänapäeval kasutab Seebecki efekti kogu maailm. Järjest enam luuakse termoelektri tekitajaid, mida tihti nimetatakse Seebecki generaatoriteks. Kunagi olid Ameerikas müügil generaatorid sildiga „Gaas kütab raadiot!”. Gaasileegi kuumusest „keetsid” termopaarid elektrit vastuvõtjale – elekter oli olmes veel laialdaselt tundmatu, elati gaasilambi valgel.
Suures sõjas kasutati termogeneraatoreid ehk kastruleid, mis lõkke kohale sätituna toitsid raadiojaamu. Venemaal tulid elektrita majapidamistes raadiokuulamise tarbeks kasutusele petroolilamp-generaatorid. Taolisi generaatoreid kasutavad ka ekspeditsioonid. Alguses oli nende kasutegur nigel 3%, siis 15%, aga kui see telgis või onnis veel sooja andis – 100% .
Asustamata kohtades kasutatakse generaatoreid, kus kuumad otsad on radioaktiivsete isotoopide süles (α-kiirgus; 600–1000 °C), külmad aga jahutusvees või vabas õhus. Taolisi elektritootjaid oli omal ajal isegi keset Soome lahte Keri saare ja Tallinna madala majakates. Nendega varustatakse Arktika ilmajaamu, kosmoselaevu ja GPS-majakaid. Asjaliku generaatori kasutegur on tänapäeval 25% (põlevkivijaamal 30%). Sellele, et Seebecki generaatoril on arenguruumi, viitavad kasvõi randmesoojusel töötavad käekellad.

Teadlast peetakse meeles
Seebecki sünnimajale Raekoja plats 4 Revalis, mis aastast 1918 kannab Tallinna nime, paigaldati Saksa ja Eesti ülikooliprofessorite ettevõtmisel 11. mail 2007 pisuke mälestustahvel: „…selles majas sündis…”. Et mitte minna pahuksisse muinsuskaitsjatega, seati tahvlike maja Dunkri tänava poolsele küljele – justkui vähendanuks see fassaadil õlletelkides istuvate turistide janu…
Seebecki austajaid – ettevõtteid, organisatsioone ja isegi üksikisikuid – koondab oma katuse alla valitava liikmeskonnaga Rahvusvaheline Termoelektri Akadeemia. Eestis tegutseb Tallinna Tehnikaülikooli (TTÜ) juures Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituut.
2013. aastal TTÜ ja elektroonikainstituudi kaasabil Tallinnas korraldatud XV Rahvusvahelise Termoelektri Foorumi käigus avati 24. mail ülikoolilinnakus akadeemia poolt T. J. Seebecki sünnilinnale kingitud väärikas mälestusmärk: kaks sammast, üks mustast, teine hallist graniidist, nagu kaks erinevat metalli ühinevad kõrguses – termopaar. Sammas, sellel olev leiduri portree, aastaarvud ja tekst on skulptor Aime Kuulbuschi teostuses. Samba veerel on ehtne termopaar, millel külastaja saab käesoojuse muuta termoelektriks. Selle teket näitab, nagu Seebecki katseski, magnetnõela kõrvalekalle.
Tänavu 9. aprillil möödub Tallinnas sündinud füüsiku sünnist 245 aastat, läheneb suur juubel.

Toimetus tänab TTÜ emeriitprofessorit hr. Enn Velmret lahke abi ja asjakohaste märkuste eest loo toimetamisel! Kes soovib Thomas Seebeckist rohkem teada, saab lisa lugeda: Enn Velmre, Tallinna kaupmehe pojast füüsikaklassikuks. Thomas Johann Seebeck (1770-1831). Vana Tallinn, köide XXIII(XXVII), Estopol, Tallinn, 2012, lk. 274-286.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *