Saagu valgus!
Maailm tähistab Fresneli optika leiutamise 200. juubeliaastat. Uudse optilise seadme esmakordne edukas katsetamine toimus 7.–8. septembril 1821. aastal Pariisis. Triumfikaare katusele paigaldatud lääts võimaldas valgusvihu projitseerimist 24 kilomeetri kaugusele, kinnitades selget eelist seni kasutatud reflektoritega valgustite ees.
Valgusel on olnud mereohutuse tagamisel oluline roll juba alates antiikajast. Proovides jälile jõuda selle füüsikalise fenomeni saladustele, on selle uurimisega tegelenud mitmed põlvkonnad teadlasi. Teadlased on välja arvutanud valguse tekke 14 miljardit aastat tagasi, täpsemalt 400 000 aastat peale Suurt Pauku, kui valgus väljus alguniversumi magmast ning levis maailmaruumi.[1] Vastavalt Einsteini relatiivsusteooriale on valguse kiirus vaakumis konstantne sõltumata valgusallika liikumise kiirusest[2], olles seega füüsikaline konstant, mille ümardatud väärtus on ligikaudu 300 000 000 m/s. Kui Inglise füüsik Newton[3] defineeris vaguse osakeste voona, siis juba sajand hiljem ei rahuldanud selline lahendus enam prantsuse teadlast Fresneli[4], kes oma uurimusega oli jõudnud veendumusele valguse lainelisest olemusest.
Augustin-Jean Fresnel oli prantsuse ehitusinsener ja füüsik, kelle optika-alased uuringud viisid valguse laineteooria üldise aktsepteerimiseni, asendades sellele eelnenud Newtoni valgusosakeste teooria. Oma uuringu avaldad ta 1818. aastal teoses «Uurimus valguse difraktsioonist». Fresneli teooria üheks oluliseks teeneks võib pidada selle praktilist rakendamist, mis viisid osadest kokkumonteeritud astmeliste läätse leiutamiseni 1821. aastal ning meresõidu ohutuse tagamiseks nn Fresneli läätse laialdase kasutusele võtmiseni.
Ill1. 1. Augustin-Jean Fresneli (1788 – 1827) portree, gravüür Ambroise Tardieu 1825. https://commons.wikimedia.org
Ill2. Üks esimene Fresneli läätse paneelidest aastast 1821, paneel mõõtmetega 81x78x6cm koosneb 70 klaasprismast. Foto: Ville de Paris / Bibl. Forney
Ill3. Gordouani tuletorni esimene Fresneli optikaga valgusaparaat 1823, paikneb praegu Ouessanti tuletornimuuseumis Musée des Phares et Balises. Foto: Indrek Laos
Algsetes tuletornides kasutati märgutulena ilmastikust sõltuvat lihtsat puude või söega köetavat lõket. Olukord paranes mõningal määral 18. sajandi teisel poolel, kui tule suunamiseks hakati kasutama õlilampidega katoptilisi reflektoreid. Võimaldades küll tule ühtlasemat suunamist, oli reflektorite töös hoidmine mitme valgusallika üheaegse kasutamise tõttu väga töömahukas ja valguskiirte osalise neeldumise tõttu ebaökonoomne.
Tuletornide valgusjõu suurendamiseks mõeldud optiliste lahendustega hakkas Fresnel tegelema juba 1820. aastal, konstrueerides esmakordselt mitmest klaasitükist kokku monteeritud astmelise läätse. Fresneli lääts on moodustatud üksteisele järgnevatest rõngakujulistest segmentidest, võimaldades selle taha paigaldatud valgusallika kiirte ühtlast koondamist. Seadme optiline võimsus on võrreldav sama kumerusega täisklaasist läätsega, kuid on sellest õhem, kasutades valguskiirte suunamiseks ainult selle astmeliselt kokku pandud ja vähendatud väliskumerust. Kaheksast klaasläätsest kokku pandud optilise seadme esmakordne edukas katsetamine toimus 7.–8. septembril 1821. aastal Pariisis, kui laterna poolt Triumfikaare katusel tekitatud valgusvihk oli nähtav 24 kilomeetri kaugusele, kinnitades selget eelist seni kasutatud reflektoritega valgustite ees.
Juba 1823. aastal paigaldati esimene Fresnel-tüüpi pöörleva optikaga latern Prantsusmaal Girondi jõe suudmes asuvasse Cordouani tuletorni. Eestimaa randadele jõudis Fresnel-tüüpi optika esmakordselt 1858. aastal seoses Keri tuletorni uuendamisega. Klaasprismadest kokkumonteeritud optika valmistamine nõudis täpset tööd spetsialiseerunud oskustöölisi. Üheks selliseks meistriks oli Keri tuletorni algse valgusaparaadi valmistaja, Pariis tegutsenud peenmehaanik ja kellassepp Henry-Lepaute, kelle ateljee tuntumate tööde hulgas on lisaks arvukatele tuletornide optikatele ja mehhaanilistele seadmetel ka tänaseni töötav Pariisi raekoja kell.
Ill4. Reflektori tööpõhimõte. Joonis: Indrek Laos
Ill5. Täisklaasist läätse tööpõhimõte
Ill6. Dioptrilise Fresneli läätse tööpõhimõte
Ill7. Katadioptrilise Fresneli läätse tööpõhimõte
Fresneli läätsel põhinevad valgusaparaadid on mereohutuse tagamiseks laialdaselt kasutusel kuni tänapäevani. Kui tuletornide valgusallikate osas on aegade jooksul toimunud murrangulised arengud algsetest õlilampidest ja erinevatest elektripirnidest kuni kaasaegsete LED valgustiteni, siis valgustite optilise aparaadi tööpõhimõte on jäänud endiseks. Vaatamata sellele, et suur osa tuletornide algsetest originaaloptikatest on erinevate sõdade tõttu hävinenud, on siiski ka meil Eestis säilinud mõned Prantsusmaal valmistatud ning kuni tänaseni kasutuses olevad originaalseid Fresnel-tüüpi optilised aparaadid.
Ühe haruldase eksemplarina on näiteks säilinud 1875. aastal valminud Tahkuna tuletorni latern firmalt Barbier & Fenestre. Latern ei paikne küll hetkel oma algsel asukohal, vaid asub osaliselt eksponeerituna Hiiumaal Kassari koduloomuuseumis ning osaliselt Tallinna Meremuuseumi arhiivis. Vaatamata demonteerimisele on latern osadena hästi säilinud ning oleks 1998. aastal demonteeritud originaalse kupli restaureerimise korral oma algses asukohas taastatav. Tänaseni jätkavad oma tööd resevtuledena, omaaegses tuletornide pealinnas Pariisis valminud, Tallinna alumise ja ülemise tuletorni laternad. Tallinna sadama liitsihi alumise tuletorni latern on valmistatud 1886. aastal Barbier & Fenestre’i ateljees, ülemise tuletorni latern 1896. aastal konkureerivas Sautter & Lemonnier’ töökojas.
Ill8. Tallinna liitsihi alumise tuletorni katadioptriline aparaat, Barbier & Fenestre constructeurs Paris 1886. Foto: Indrek Laos
Ill9. Tallinna liitsihi ülemise tuletorni II järgu katadioptriline aparaat, Sautter, Harle & Cie constructeurs Paris 1896. Foto: Indrek Laos
Ill10. Tahkuna tuletorni I järgu katadioptriline aparaat, Barbier & Fenestre 1875. Foto: Indrek Laos
Omaaegse tehnilise uuenduse näidetena võib veel esile tuua Pakri tuletorni hüper-radiaalse optika aastast 1888, millest tänaseks on kahjuks säilinud ainult tootjatehase sildiga varustatud metallist alusraam ning fotojäädvustus 1889. aasta Pariisi maailmanäituselt, kus laternat enne Pakrisse saatmist eksponeeriti. Tähelepanuväärne on ka kunagine Kõpu tuletorni 1900. aastal Sautter & Harle’i poolt valmistatud elavhõbedavannis pöörelnud optiline aparaat. See originaalne latern on hiljem asendatud uuema, kuid ikkagi Fresneli optika põhimõttel töötava valgustiga.
Tuletornide laternaid on aegade jooksul pidevalt kaasajastatud ja seda suurema autmatiseerimise eesmärgil. Sageli on sellele ohvriks toodud pöörlevate valgusvihkudega Fresnel-tüüpi optikate asendamine plinkivate LED-tuledega. Kuid on ka häid näiteid moderniseerimise suurepärastest võimalustest.
2020. aasta jaanuaris toimunud Kõpu tuletorni valgusaparaadi uuendamise käigus asendati selle vana valgusallikas uue LED-lambiga, säilitades selle Fresnel-tüüpi optika ja iseloomuliku pöörleva valgusvihu. Taaskord seisab Kõpu tuletorn tehnilise innovatsiooni esirinnas. Peale moderniseerimist on tule valgusjõud tõusnud 2 100 000 kandelani. Otsekui juubeliaasta tähistamiseks valgustab alates 1531. aastast püsivalt toimivat tuletorni üks eredamaid pöörleva Fresnel-optikaga varustatud valgusallikaid maailmas.
Ill11. Pakri tuletorni 2,66 m sisemise läbimõõduga hüperradiaalne katadioptiline aparaat F. Barbier & Cie Constructeurs, Paris 1888. Optika ekspositsioon 1889. a Pariisi maailmanäitusel. Latern hävitati 1941. a II MS ajal. Joonis: United States Lighthouse Society
Ill12. Kõpu tuletorni pöörleva Fresneli optikaga valgusvihk 2020. Foto: Veeteede amet
Indrek Laos, arhitektuuripärandi spetsialist, arhitekt
Artikkel ilmus esmakordselt ajakirjas «Meremees» nr 2 2021 (123)
[1] Gérard Mourou (sünd. 1944), prantsuse füüsik; Nobeli preemia laureaat 2018 elektrotehnika ja laserite alal.
[2] Albert Einstein (1879 – 1955) Saksamaalt pärit Ameerika füüsikateoreetik; Nobeli preemia laureaat 1921 teoreetilise füüsika alal, üldrelatiivsusteooria ja erirelatiivsusteooria sõnastaja.
[3] Isaac Newton (1642 – 1727), inglise füüsik, matemaatik, astronoom, teoloog ja alkeemik; lisaks mehaanika üldiste seaduste väljatöötamisele ja gravitatsiooniseaduse formuleerimisele tegi olulisi avastusi optikas, mille avaldas oma teadustöös «Optika» 1704. aastal.
[4] Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827), prantsuse ehitusinsener ja füüsik; valguse ristlainetuse avastaja, Fresneli optika looja 1821. aastal.