W artykule o powyższym tytule, opublikowanym w „Forum Akademickim” (nr 2/2016), przedstawiłem problem stosunkowo niewielkiej (poniżej 10%) liczby opatentowanych wynalazków, które znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i w życiu codziennym jako użyteczne produkty lub technologie. Różne są przyczyny takiego stanu rzeczy, ogólnie ujmując, zaliczają się do nich czynniki prawne, techniczne, ekonomiczne i społeczne. Historia wynalazków pokazuje jednak, że rozwiązania w pierwotnej postaci nieużyteczne często znajdują szerokie zastosowanie po pewnym czasie, w rezultacie dokonanych przez twórców ulepszeń, powstania warunków do ich stosowania, takich jak np. zapotrzebowanie społeczne, rozwój technologii czy nowych dziedzin techniki oraz ich wykorzystania przez wynalazców do tworzenia nowych rozwiązań technicznych. Z drugiej strony znane są wynalazki znajdujące szerokie zastosowanie w stosunkowo krótkim czasie od ich opracowania.

W dalszej części artykułu przedstawię przykłady wynalazków, których wykorzystanie w technice i życiu codziennym następowało w różny sposób.

Koło – wynalazek wojskowy

Jednym z pierwszych wynalazków o przełomowym znaczeniu dla ludzkości, który nie był początkowo powszechnie stosowany, jest koło jezdne (B. Orłowski, Powszechna historia techniki , 2010). Wynalezione około połowy IV tys. p.n.e., znalazło szerokie zastosowanie dopiero około 2000 r. p.n.e. w rydwanach zaprzęgniętych w konie, używanych przez wojska imperiów starożytnego Wschodu. Natomiast jego zastosowanie w pojazdach zaprzęgowych służących do transportu towarów i ludzi nastąpiło znacznie później, od II tysiąclecia p.n.e. w Azji Mniejszej i w starożytnej Grecji i Rzymie.

Koło jezdne było elementem nieustannie ulepszanym i dostosowywanym do nowych rodzajów pojazdów; zmieniała się jego konstrukcja oraz materiał. Pierwsze koła stosowane przez Sumerów były pełnymi kołami drewnianymi, później w bojowych rydwanach zastosowano koła drewniane ze szprychami. Dalszym ulepszeniem koła drewnianego było zastosowanie obręczy z miedzi i brązu, a później stalowych, zwiększających ich trwałość. W pojazdach zaprzęgowych typu furmanki w XX w. stosowano również koła stalowe z oponami pneumatycznymi.

Dzięki wynalezieniu w starożytności przez anonimowego(ych) wynalazcę(ów) koła jezdnego możliwe były do zrealizowania wielkie wynalazki XIX w., takie jak kolej, rower, motocykl, samochód, a w XX w. samolot. Oczywiście koła w nich stosowane musiały być dostosowane do wymogów związanych z budową, parametrami i przeznaczeniem pojazdów mechanicznych czy samolotów: zaczęto stosować koła jezdne metalowe, wyposażone w opony pneumatyczne lub pełne, jednakże podstawowa ich funkcja i istota działania nie zmieniła się od czasów starożytnych.

Zatem koło jest jednym z pierwszych wynalazków ludzkości, który wywarł znaczący wpływ na rozwój techniki i wytworów stosowanych w życiu codziennym, np. wózków dziecinnych, inwalidzkich, taczek i wielu innych. Jego twórcy z całą pewnością nie byli w stanie przewidzieć znaczenia swego wynalazku dla przyszłych cywilizacji i zakresu jego zastosowań.

Przykładem wynalazku, który zapoczątkował rozwój nowoczesnej, stosowanej w przemyśle techniki w dziedzinie spawalnictwa, był proces spawania i urządzenie do niego przeznaczone N. de Benardosa i S. Olszewskiego (pochodzenia polskiego) z 1885 r., w którym zastosowano bezpośrednie, ciągłe zasilanie prądem elektrycznym w celu wytworzenia łuku elektrycznego między elektrodą węglową i obrabianym metalem. Istotą tego wynalazku był odpowiedni uchwyt elektrody, który zapewniał możliwość przemieszczania jej na elemencie spawanym i zasilanie elektryczne (Rys. 1a ). W tamtym okresie było to rozwiązanie nowe, uprzednio niestosowane w przemyśle, o charakterze przełomowym, gdyż wcześniejsze metody (np. wg patentu A. de Méritens) były stosowane w laboratoriach, a metoda de Méritensa do spawania płyt z ołowiu miała sztywno zamocowaną elektrodę. Jednakże ich wynalazek był stosowany w praktyce stosunkowo krótko w latach 90. XIX w. i na początku XX w. z powodu wad połączeń powstających wskutek przechodzenia węgla z elektrody do stopionego metalu. De Benardos i Olszewski nie ulepszyli swojego wynalazku, ale kolejne wynalazki w zakresie metod spawania i urządzeń spawalniczych, dokonane pod koniec XIX w. i w latach 1900-1950 w Europie i USA w dużym zakresie rozwijały ich rozwiązanie (np. na Rys. 1b widoczny uchwyt elektrody ozn. 3,4 na fig. 1 podobny do uchwytu na Rys. 1a).

Monokryształy Czochralskiego

Innym przykładem wynalazku polskiego uczonego, który w latach 50. XX w. umożliwił rozwój urządzeń elektronicznych opartych na tranzystorach i układach scalonych, była metoda Jana Czochralskiego otrzymywania monokryształów, polegająca na wyciąganiu z ciekłego stopu monokrystalicznych prętów. Metoda ta była wynaleziona w 1916 r. (opublikowana w 1918 r.) i początkowo wykorzystywana do badań szybkości krystalizacji metali. Po stwierdzeniu przez badaczy możliwości otrzymywania tą metodą monokryształów metali i niemetali stosowano ją również do badania właściwości monokryształów.

Dopiero po II wojnie światowej metoda Czochralskiego znalazła zastosowanie w elektronice. Nastąpiło to po wynalezieniu tranzystorów, germanowego i krzemowego, pod koniec lat 40. XX w. w USA i pojawieniu się potrzeby wytwarzania monokryształów Ge i Si o właściwościach odpowiednich do zastosowań w tranzystorach. Okazało się, że spośród znanych ówcześnie metod otrzymywania monokryształów, np. Bridgmana czy Stockbargera, najbardziej odpowiednią do wytwarzania prętów monokrystalicznych germanu i krzemu była metoda Czochralskiego, głównie ze względu na małą ilość defektów kryształu i możliwość domieszkowania ciekłego stopu. Do tych celów nie stosowano jednak jego oryginalnej metody (Rys. 2a ), lecz wprowadzono wiele ulepszeń i modyfikacji. Najistotniejsze z nich to: umieszczenie zarodka kryształu na końcu pręta ulokowanego na powierzchni cieczy; ruch obrotowy wyciąganego monokryształu, co umożliwiało otrzymanie monokrystalicznego pręta o średnicy do ok. 20 cm; stosowanie atmosfer ochronnych; różne metody domieszkowania dodatkami zapewniającymi odpowiednie właściwości półprzewodników – przewodnictwo typu n lub p; pomiary i sterowanie parametrami procesu krystalizacji. (Przykład współcześnie stosowanego urządzenia do wytwarzania monokryształów metodą wyciągania z ciekłego stopu wg patentu EP1662024 przedstawiono na Rys. 2b ).

Pierwszymi, którzy twórczo zastosowali metodę Czochralskiego do wytwarzania monokryształów germanu i krzemu, byli badacze amerykańscy J.B. Little, G.K. Teal i E. Buehler (patenty US 2683676, US 2727840 i US 2768914), jednak nie powoływali się oni w opisie stanu techniki na metodę Czochralskiego, znaną już wtedy od ponad 30 lat. Mimo to już pod koniec lat 50. XX w. w opisach patentowych USA dotyczących ulepszeń i modyfikacji wytwarzania monokryształów materiałów półprzewodnikowych przywołuje się metodę lub proces Czochralskiego (np. patent US 2835614 z 20.05.1958 r.). W bazie danych Urzędu Patentów i Znaków Towarowych USA znajduje się 4207 opisów patentowych powołujących się na tę metodę, natomiast w bazie danych Europejskiego Urzędu Patentowego (ESPACENET) takich powołań jest 3878.

Jan Czochralski nie doczekał powszechnego zastosowania wynalezionej przez siebie metody wyciągania monokryształów (zmarł w kwietniu 1953 r. po rewizji UB w swoim domu w Kcyni).

Ta metoda to przykład wynalazku, który znalazł powszechne zastosowanie po przeszło 30 latach od ujawnienia go w pierwotnej postaci i to w dziedzinie techniki, która w tamtym czasie nie istniała, a jej twórca opracował ją do zupełnie innych zastosowań.

W roku 1924 w Niemczech i 1932 w Polsce Jan Czochralski opracował nowe stopy łożyskowe na osnowie ołowiu, niezawierające cyny, przeznaczone do stosowania na łożyska ślizgowe, zwłaszcza w kolejnictwie – tzw. metal „B” (patenty DE 433370 i PL 16254). Znalazły one w tamtym czasie szerokie zastosowanie i przyniosły wynalazcy wysokie dochody. Współcześnie nie są jednak już stosowane do wytwarzania łożysk. Paradoksalnie wynalazek, dzięki któremu badacz zyskał międzynarodową sławę, nie przyniósł mu korzyści finansowych, natomiast dzięki wynalazkowi metalu „B” stał się on człowiekiem bardzo zamożnym. Ale to jego osiągnięcie zostało zastąpione innymi, lepszymi stopami łożyskowymi, stosowanymi współcześnie.

Sendzimir i cynkowanie

W historii techniki znane są wartościowe wynalazki, które przez długi czas nie znajdowały praktycznego zastosowania i nie przynosiły ich twórcom korzyści. Często przyczyną tego był brak umiejętności sprzedania pomysłów poprzez nawiązanie kontaktów z firmami i przekonanie ich do wdrożenia wynalezionych rozwiązań. Przykładami opracowań, które z sukcesem były niemal natychmiast stosowane w przemyśle, są wynalazki polskiego inżyniera i przedsiębiorcy Tadeusza Sendzimira (do 1939 r. Sędzimira) w dziedzinie pokrywania metalami, np. cynkiem, elementów stalowych oraz walcowania stali. Dokonywał on swoich wynalazków dzięki wiedzy technicznej, studiom literatury technicznej i patentowej oraz znajomości praktyki przemysłowej, zwłaszcza w zakresie wdrażania nowych rozwiązań technologicznych.

Pierwszym jego przełomowym wynalazkiem, który zastosowano w praktyce w czasie jego pobytu w Chinach i w Polsce w latach 30. XX w., był sposób pokrywania na gorąco przedmiotów metalowych warstwą innego metalu lub metali (Patent PL 18733). W tamtym czasie problemem technicznym w procesach pokrywania elementów metalowych, np. cynkiem, było odpowiednie przygotowanie ich powierzchni, zapewniające dobre przyleganie nanoszonych warstw, co było istotne w dalszej obróbce elementów (brak łuszczenia się powłoki) i w eksploatacji ze względu na odporność na korozję. Istotą wynalazku T. Sendzimira z 1930 r. było podgrzewanie elementu metalowego przed zanurzeniem go w kąpieli pokrywającej, np. cynku z dodatkiem aluminium, w kąpieli pokrytej sproszkowanym materiałem lub w atmosferze nieutleniającej, np. zawierającej wodór, metan, i utrzymywanie go w tej atmosferze do miejsca zanurzenia w kąpieli pokrywającej. Sposób ten eliminował dotychczas stosowane kosztowne i szkodliwe dla zdrowia pracowników metody trawienia powierzchni kwasami, pokrywania solami itp., a dzięki wprowadzaniu do kąpieli przedmiotu o temperaturze wyższej od temperatury topnienia metalu pokrywającego eliminował konieczność ogrzewania kąpieli pokrywającej oraz usuwania z niej osadów i zwiększał trwałość zbiornika metalu pokrywającego. Dzięki tym zaletom sposób znalazł szerokie zastosowanie, zwłaszcza w procesach cynkowania blach i taśm stalowych w wielu krajach.

T. Sendzimir pracował nad ulepszeniem swojego wynalazku i w rezultacie tych prac w końcu lat 30. opatentował proces pokrywania metalami taśm lub blach metali, którego istota polegała na podgrzewaniu metalu w atmosferze utleniającej w celu wytworzenia bardzo cienkiej warstwy tlenków, następnie podgrzewaniu w redukującej atmosferze wodoru w celu usunięcia tlenków oraz doprowadzeniu go do kąpieli pokrywającej w tej atmosferze i ochłodzeniu do temperatury nieco wyższej od temperatury kąpieli pokrywającej, np. cynku. Sposób ten, znany w technice jako Sendzimir process (proces Sendzimira), jest stosowany do dzisiaj, np. w wytwarzaniu nadwozi samochodowych (cynkowanie blach). Przykładem stosowanego współcześnie sposobu cynkowania blach wykorzystującego wynalazek Sendzimira jest sposób według opisu patentowego EP 2010690 z 2010 r., w którym przed znanym utlenianiem i redukcją w temperaturach 700-900°C poddaje się metal ogrzewaniu w t~700°C w atmosferze redukującej.

Na zimno i na gorąco

Drugim obszarem działania T. Sendzimira było walcowanie stali na zimno i na gorąco. W latach 20. ubiegłego wieku problemem technicznym w dziedzinie walcowania stali na zimno było zmniejszenie średnicy walców roboczych w celu uzyskania po operacji walcowania blach i taśm stalowych o grubości rzędu kilku mikrometrów i jednocześnie zapewnienie przeniesienia przez elementy walcarki dużych obciążeń od sił wywieranych na walce robocze, aby uniknąć ich odkształceń. Opracowana przez T. Sendzimira walcarka Z-Mill (Z oznacza na zimno, ang. Mill oznacza walcarkę) stanowiła rozwinięcie wynalazku W. Rohna z 1930 r. (patent US 1903724), który w celu rozwiązania ww. problemu opracował konstrukcję mechanizmu walcarki z dwoma walcami roboczymi, z których każdy był podparty przez pięć walców o większych średnicach przenoszących obciążenia. Ta konstrukcja umożliwiała otrzymanie walcowanych przedmiotów o minimalnej grubości rzędu 10 mikrometrów. Walcarka Z-Mill, uruchomiona w Polsce na początku lat 30. XX w. oraz w USA (Rys. 4 , patent US 2169711 z 1939 r.), była wyposażona również w pięć walców podpierających każdy walec roboczy, przy czym trzy zewnętrzne były zamocowane ekscentrycznie na wałach, co umożliwiało regulację położenia walców roboczych. Były one umieszczone w obudowie w taki sposób, że zapewniały lepsze przenoszenie sił na obudowę oraz większą dokładność grubości przedmiotów po walcowaniu. Te zalety przyczyniły się do jej zastosowania w wielu krajach.

Sukces zapoczątkował dalszy rozwój konstrukcji walcarek i powstanie wielu ich typów, w których każdy walec roboczy jest podparty przez dziewięć walców o różnych średnicach (tzw. 20 High Cold Rolling Mill). Walcarki te umożliwiają walcowanie blach i taśm z różnych gatunków stali, stopów metali nieżelaznych, bimetali, o szerokości od 105 do 1675 mm i uzyskanie minimalnych grubości w zakresie 0,003 (ultra cienkie folie) – 0,15 mm. Walcarki typu ZR ze względu na swoje zalety – m.in. wyjątkowo wysoką dokładność grubości, wysoką jakość powierzchni, szeroki zakres szerokości blach, minimalną ilość przebiegów, redukcję lub wyeliminowanie wyżarzania między przebiegami, szybką i łatwą wymianę walców, możliwość zastosowania walców z węglika wolframu o dużej twardości – znalazły bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym na całym świecie i są współcześnie nadal stosowane.

W dziedzinie walcowania blach na gorąco Sendzimir dokonał przełomowego wynalazku walcarki planetarnej (Rys. 5b , patent US 2710550 z 1955 r.), chociaż główna idea tego wynalazku w postaci planetarnie umocowanych walców roboczych na obwodzie walca podporowego o dużej średnicy, co umożliwiało walcowanie i redukcję grubości elementów w jednym przejściu, była znana z wynalazku E.M. Pickena (Rys. 5a , patent GB 609706 z 1948 r.). Jednakże wynalazek Sendzimira rozwinął ten pomysł w taki sposób, że nadawał się on do stosowania w przemyśle do walcowania na gorąco elementów o grubości od ok. 13 do ok. 305 mm i o szerokości od kilkudziesięciu do 2500 mm. W rozwiązaniu opracowanym przez Sendzimira zastosowano walce planetarne toczące się po obwodzie napędzanych walców podporowych wskutek sił tarcia, a także regulowany odstęp między nimi, co umożliwiało dużą redukcję grubości elementów w jednym przejściu. Walcarka planetarna stanowiła duży postęp w dziedzinie walcowania na gorąco, ponieważ w tamtym czasie stosowano metody walcowania, w których redukowano grubość elementu w kilku-kilkunastu przejściach przez kolejne pary walców. Zastosowanie walcarki planetarnej spowodowało zwiększenie wydajności procesu oraz znaczne zmniejszenie kosztów.

Rzepy lecą w kosmos

Przykładem wynalazku, który znalazł szerokie zastosowanie po wielu latach od zgłoszenia go w celu uzyskania patentu, jest powszechnie stosowane obecnie zapięcie z haczyków i pętelek znane pod nazwą Velcro, a w Polsce – rzepy. Na pomysł tego rozwiązania wpadł, jak to się często zdarza, właściwie przez przypadek, szwajcarski inżynier Georges de Mestral w 1941 r. Nie zdecydował się na opatentowanie swojego pomysłu w formie projektu, gdyż uznał za konieczne przeprowadzenie prób i badań, aby otrzymać nadający się do użytku produkt. Głównym problemem było dobranie właściwego materiału, którym okazał się nylon oraz opracowanie technologii wytwarzania zapewniającej powtarzalne rezultaty.

Po pomyślnym zakończeniu prób de Mestral zgłosił swój wynalazek w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym w 1951 r. i prawie rok później w USA. Patent otrzymał w 1955 r. (patent US 2717437). Wynalazek ten był całkowicie nowym rozwiązaniem. W ówczesnym stanie techniki nie istniały podobne wynalazki, natomiast był on w pewnym stopniu imitacją występujących w przyrodzie rzepów. Szersze zastosowania znalazł wynalazek Velcro dopiero w latach 60. XX w. jako taśma mocująca w pojazdach kosmicznych Apollo, w lecznictwie szpitalnym, w samochodach i samolotach. W późniejszych latach zaczęto stosować ten typ zapięcia w butach sportowych.

Historia opisanych wynalazków pokazuje, jak różne były ich drogi od pomysłu do sukcesu w postaci użytecznego produktu stosowanego w technice i/lub w życiu codziennym. Nie zawsze oznaczało to korzyści materialne i prestiżowe dla wynalazców.

Niektórzy wynalazcy potrafili doprowadzić do wdrożenia swoich rozwiązań w przemyśle, dzisiaj mówimy: skomercjalizować je, natomiast inni sprzedawali swoje prawa patentowe przedsiębiorcom, którzy zajmowali się ich komercjalizacją.

Wynalazcą, który z sukcesami wdrażał swoje wynalazki w przemyśle i uzyskiwał duże dochody, był Tadeusz Sendzimir, zwłaszcza po osiedleniu się w USA. W okresie swojej pracy zawodowej założył on kilka spółek, które zajmowały się projektami nowych lub ulepszonych urządzeń oraz procesów technologicznych, które oferował firmom działającym w dziedzinie metalurgii, biorąc jednocześnie czynny udział w ich wdrażaniu do praktycznego stosowania. Jego sukcesy wynikały, jak się wydaje, z połączenia kreatywności, głębokiej wiedzy, pracowitości oraz praktyki przemysłowej, co pozwalało mu na tworzenie rozwiązań, które przedsiębiorcy chętnie stosowali w swoich firmach.

Zupełnie inaczej wyglądała komercjalizacja wynalazku zapięcia Velcro. De Mestral założył na początku lat 50. XX w. w Szwajcarii firmę VELCRO S.A., która wytwarzała taśmy według jego wynalazku, ale uzyskane dochody były bardzo małe. Postanowił zatem sprzedać prawa do wynalazku firmie założonej przez Amerykanina, co przyniosło mu dochód szacowany na miliony dolarów USA.

Wydaje się, że właśnie ta droga komercjalizacji wynalazków jest właściwa w czasach współczesnych, gdyż wprowadzenie wynalazku na rynek wymaga dużych nakładów kapitałowych, związanych z wytwarzaniem na skalę przemysłową, marketingiem i dystrybucją, a więc rzeczy, którymi wynalazcy się nie zajmują, ponieważ ich rola polega na tworzeniu nowych rozwiązań.