Nikola Tesla
– człowiek, wynalazca, wizjoner
październik-listopad 2007 43
Podstawowa wiedza o elektryczności, nabyta w szkole
realnej, oraz poznana z książek potęga wodospadu Niagara,
podsunęła młodemu gimnazjaliście ideę przetworzenia
energii tego gigantycznego wodospadu na elektryczność
i udostępnienia jej ludziom.
Studia techniczne N.Tesla podjął w 1875 r. na wydziale
Chemiczno-Technologicznym w Instytucie Politechnicznym
w Graz. Decydującym o jego dalszych losach był
udział w doświadczeniach z generatorem prądu stałego,
opartym na wynalazku Z.Gramme z 1871 r., prowadzonych
na uczelni na początku 1877 r. Obserwując doświadczenia
prowadzone z prądnicą zamienioną na silnik zasilany
z akumulatora, Tesla zwrócił uwagę na iskrzenie komutatora
i zapytał, czy nie można by wyeliminować tego
niewygodnego w eksploatacji urządzenia. Wykładowca
nazwał ten pomysł herezją. Tesla uległ wprawdzie autorytetowi
profesora, jednakże idea nie dawała mu spokoju.
Intuicja podpowiadała mu, że jego pomysł jest realny, tylko
wymaga gruntownego przemyślenia. Analizując fizyczne
procesy zachodzące w czasie pracy generatora prądu
przemiennego doszedł do wniosku, że dynamomaszyna
postawiona w reżym silnika prądu stałego jest w swojej
istocie niedoskonała, ponieważ pierwotny prąd przemienny
zamieniany jest w niej poprzez wprowadzenie komutatora
na prąd stały, który jest szczególnym przypadkiem prądu
uzyskiwanego na drodze indukcji elektromagnetycznej2).
W 1879 roku Nikola wyjechał do Pragi, gdzie studiował
na Wydziale Matematyczno-Fizycznym Uniwersytetu Praskiego
zwanym ówcześnie wydziałem filozofii. W swoich
notatkach Tesla zapisał, że w Pradze nadal intensywnie
pracował nad silnikiem bezkomutatorowym. Nie uzyskał
jednak dyplomu i opuścił Pragę w 1881 r. Dowiedział się,
że w Budapeszcie planuje się uruchomienie łączności
telefonicznej. Udał się tam i dzięki znajomościom jego
wujka uzyskał stanowisko inżyniera elektryka w spółce
telefonicznej. Wtedy też dokonał swojego pierwszego
wynalazku, który jednak z przyczyn technicznych nie został
opatentowany. Nie ustawał jednak w pracach nad silnikiem
bezkomutatorowym. Kiedyś w czasie spaceru z przyjacielem
po parku, cytując fragment z Fausta doznał olśnienia.
Nagle nastąpiło połączenie w spójną całość wielu przemyśleń,
naszkicował naprędce rysunek na piasku, oddający
ideę silnika indukcyjnego. Rysunek ten, odtworzony przez
przyjaciela, pojawiał się później w jego podstawowych patentach
od 1988 r.! Tak powstała pierwsza koncepcja Tesli
wirującego pola magnetycznego. Na marginesie – N. Tesla
znał na pamięć całą poezję Byrona!
W Budapeszcie Tesla nie miał warunków do urzeczywistnienia
swoich planów budowy silnika indukcyjnego.
W 1882 r. wyjechał do Paryża. Tam został przyjęty do
pracy w zakładach elektromechanicznych i skierowany ze
swoim przyjacielem A. Sigeti3) do ważnych dla firmy prac
w Strasburgu. W warsztatach kolejowych, realizujących
jego projekty, opracował i wykonał wspólnie z A. Sigeti
pierwszy model silnika indukcyjnego. Nie otrzymawszy
obiecanej nagrody za wykonanie pilnej i zakończonej
w ustalonym terminie pracy oraz nie znalazłszy zainteresowania
wśród francuskich przemysłowców silnikiem
indukcyjnym, postanowił szukać szczęścia w Stanach
Zjednoczonych, które były nadzieją wynalazców. Dostał
na drogę od swego poprzedniego zwierzchnika, Charlesa
Batchelora, znającego osobiście Edisona, „mocny” list
polecający do tego ostatniego. Zatrudniony w połowie roku
1884 w zakładach Edison Machine Works, wykonywał początkowo
proste prace techniczne, ale wkrótce powierzano
mu do rozwiązania najtrudniejsze problemy firmy, w tym
modernizację prądnic prądu stałego, w celu podwyższenia
ich sprawności energetycznej. Mimo zapewnień Edisona
o wypłacie Tesli wysokiej premii za usprawnienie systemu
wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej, obietnica ta
po zakończeniu z bardzo dobrym wynikiem zadania, nie
została dotrzymana, a cała sprawa została przez Edisona
grubiańsko potraktowana jako „żart”. Wobec tego faktu
i propozycji dalszego zatrudnienia Tesli w zakładach na
rażąco niekorzystnych warunkach, Tesla zerwał współpracę
z Edisonem i ich stosunki wzajemne pozostawały
do końca życia niezwykle napięte.
W 1886 r. Tesla założył firmę Tesla Electric Light &
Manufacturing, której był udziałowcem, jednakże wobec
sprzeciwu inwestorów w sprawie forsowanej przez niego
idei rozwijania prac nad silnikami prądu przemiennego,
odstąpił od pracy w tej firmie. Zmuszony do zdobywania
środków do życia, zatrudniony w charakterze zwykłego
pracownika, zdołał zgromadzić w latach 1886/87 środki
na zbudowanie pierwszego silnika indukcyjnego, który
zademonstrował z powodzeniem w 1888 r. w American
Institute of Electrical Engineers. W tym samym czasie
nawiązał kontakt z Georgem Westinghousem, którego
zainteresował pomysłem realizacji systemu wytwarzania
i przesyłania energii elektrycznej w postaci wielofazowego
prądu przemiennego. Zatrudnił się w laboratorium firmy
Westinghouse Electric & Manufacturing Company w Pittsburgu.
Efektem współpracy z Westinghouse było powstanie
elektrowni na Niagarze. W roku 1893 dotarła do USA wiadomość
z Niemiec o udanym eksperymencie z przesyłaniem
energii prądu przemiennego z małej hydroelektrowni na
odległość 175 km po transformacji z 55V na 15 kV. Stało
się to bodźcem do podjęcia decyzji o budowie elektrowni
na Niagarze. Budowa rozpoczęła się w 1893 r. a zakończyła
w 1896 r. i była realizowana z udziałem Westinghouse według
koncepcji Tesli. Moc elektrowni wynosiła 50000 KM,
a do transmisji energii zastosowano linię o napięciu 22 kV.
Warto wspomnieć o incydencie, jaki miał miejsce w czasie
uroczystości otwarcia elektrowni. Otóż Tesla miał wygłosić
przemówienie na uroczystości otwarcia, którego końcowa
część zawierała wizję powszechnego, nieodpłatnego dostępu
do energii elektrycznej. W momencie, kiedy Tesla miał
przystąpić do wygłaszania tej części, sponsor, który znał
treść wystąpienia, przeprosił go i oświadczył, że pod jakimś
zmyślonym pretekstem muszą przerwać przemówienie
i natychmiast przejść do dalszej części uroczystości4). Takie
pomysły Tesli, jak nieodpłatny dostęp do energii elektrycznej
i inne podobne, wynikające z jego bezinteresowności, 2) T. K. Cwierawa, „Nikola Tesla”, Izdatielstwo Nauka, 1974
3) Ten sam, który wykonał rysunki idei wirującego pola magnetycznego
w Budapeszcie i którego wspomnienia opublikowane 1961r. potwierdzają
wykonanie modelu silnika indukcyjnego w 1883 r. w Strasburgu
4) Tesla miał na myśli bezprzewodową transmisją energii
44
Eksperymenty Tesli z wykorzystaniem wielkich częstotliwości
wywołały wielkie zainteresowanie fizyków w wielu
krajach. Otrzymywał zaproszenia do wygłoszenia wykładów
w Europie od wielu znanych uczonych. Na początku
1892 roku udał się do Anglii, gdzie wystąpił w Instytucie Inżynierów-
Elektryków, a następnie w Instytucie Królewskim.
Jego wykłady wzbudziły sensację i odbiły się szerokim
echem w środowiskach technicznych i naukowych Europy.
Następnie Tesla przebywał około miesiąca w Paryżu, skąd
udał się do Budapesztu oraz do rodzinnej Smiljany, gdzie
był obecny przy śmierci matki. Przebywał jeszcze krótko
w Zagrzebiu i w Belgradzie, skąd przez Francję powrócił
do Stanów Zjednoczonych.
Po powrocie z Europy w lipcu 1892 r. bieżące sprawy,
takie jak przygotowania do wystawy w Chicago, konsultacje
w Zakładach Westinghouse, prace związane z budową
elektrowni na Niagarze nabrały już dla Tesli drugorzędnego
znaczenia. Głównym celem stało się dla niego rozwiązanie
problemu bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej.
Podbudowało go bardzo w tym postanowieniu
świeże wsparcie tej jego idei przez europejskich fizyków
oraz podziw, jaki wywołała jego demonstracja bezprzewodowego
wzbudzenia świecenia gazów w rurze szklanej
przy użyciu transformatora Tesli. Sam Tesla w 1893 r.
stwierdził w czasie wystąpienia w Instytucie Franklina, że
jego zdaniem podstawowym problemem do rozwiązania,
od którego zależy postęp, jest uzyskanie możliwości bezprzewodowego
przesyłania sygnałów, a także być może
znacznych ilości energii elektrycznej.
Zdawał sobie sprawę z tego, że wynaleziony przez
niego oscylator rezonansowy wielkiej częstotliwości
– transformator Tesli – jest warunkiem koniecznym, ale
nie wystarczającym dla realizacji tej idei. Niezbędne jest
znalezienie sposobu na wyemitowanie nagromadzonej
w oscylatorze energii w przestrzeń.
Urzeczywistnieniem tego stało się wynalezienie przez
Teslę i opatentowanie8) w 1896 r. sposobu przekazywania
impulsów wielkiej częstotliwości pomiędzy dwoma
oddalonymi obwodami rezonansowymi zestrojonymi na
tę samą częstotliwość, za pośrednictwem „pionowych
niesymetrycznych wibratorów”, sprzężonych obwodów
otwartych, które są w istocie niczym innym, jak antenami
radiowymi.
Natomiast w wyniku gruntownych studiów i głębokich
przemyśleń, doszedł do wniosku, że urzeczywistnienie
jego idei bezprzewodowej transmisji energii powinno być
realizowane przez wykorzystanie właściwości elektrycznych
ziemi. Również w tym przypadku zamierzał wykorzystać
właściwości rezonansowe Ziemi, z wykorzystaniem fal powierzchniowych
lub gruntowych, podobnych do fal Zennecka.
Zdawał sobie sprawę, że głównym problemem będzie
minimalizowanie strat, powstających w miejscach połączenia
urządzeń nadawczych i odbiorczych z gruntem.
Powyższe rozważania legły u podstaw prac prowadzonych
przez Teslę w Nowym Yorku na małą skalę
w pierwszym jego laboratorium na 5 Avenue, następnie po
pożarze, który strawił to laboratorium w 1895 r.9) na większą
już skalę w uruchomionym jesienią 1895 r. laboratorium na
Huston Street. Prowadzono tam m.in. prace nad przesyłaniem
energii z wykorzystaniem płyt żelaznych zakopanych
na 2,5 m pod ziemią. Uzyskano pewne przekazywanie
sygnałów na odległość do 32 km przy częstotliwościach
2 MHz pomiędzy obwodami synonicznymi10). Niestety, ze
względu na hałasy, wstrząsy i inne zakłócenia, wywoływane
w czasie eksperymentów, protesty mieszkańców
i interwencję policji, konieczne było poszukiwanie innych
lokalizacji dla prowadzenia dalszych prac.
Z pomocą przyjaciół i zainteresowanych wynikami prac
osób udało się wybudować około 1900 r. stację eksperymentalną
w pobliżu Pikes Peak koło Colorado Springs.
Stacja mieściła się w drewnianym budynku, nad którym
zbudowano drewnianą wieżę o wysokości ponad 20 m
z około 50-metrowym masztem metalowym, zakończonym
kulą miedzianą o średnicy 60cm. Stację wyposażono
w ogromny transformator Tesli. W czasie eksperymentów,
dookoła kuli miedzianej wytwarzane były iskry o długości
– wg Tesli około 30 m, a wg oceny prof. J. L. Jakubownie
były zgodne ze zdecydowanie odmiennymi poglądami
sponsorów jego wynalazków i w wielu przypadkach decydowały
o niepodejmowaniu lub zaprzestaniu finansowania
jego inicjatyw.
Osiągnięcia Tesli w dziedzinie maszyn prądu przemiennego
zostały udokumentowane licznymi patentami5). W tym
samym czasie, kiedy Tesla pracował dla Westinghouse,
wynalazł „transformator Tesli”, wykorzystujący zjawisko
rezonansu, składający się z dwu lub trzech sprzężonych
ze sobą obwodów6), wykonywany w wielu wariantach i stosowany
przez Teslę przy przeprowadzaniu wielu różnych
eksperymentów wymagających wysokich napięć, badaniach
związanych z wytwarzaniem wyładowań elektrycznych7),
fluorescencją, promieniowaniem X, elektroterapią,
bezprzewodową transmisją energii elektrycznej i innych.
Transformator Tesli w różnych odmianach był powszechnie
stosowany w pracach badawczych nowoczesnej fizyki
8) Patent USA nr 568 178 zgłoszony 20.07.1896 r. Wydany 22.09.1896 r.
9) Uległa wtedy zniszczeniu aparatura, dokumentacja i cenne notatki, co
bardzo wstrząsnęło Teslą
10) Przy wykorzystaniu rozwiązań ujętych w patentach nr 645 576 i 649
621 1897 r. (urządzenie do przesyłania energii elektrycznej)
5) mi patent US nr 390 414 z1988 r., wskazujący zdaniem Doliwo-Dobrowolskiego
na pierwszeństwo Tesli w dziedzinie indukcyjnych silników
wielofazowych
6) Przyjaciel Tesli, Mark Twain nazywał Teslę „Władcą Piorunów”
7) Piece metalurgiczne, wykorzystujace indukcyjny efekt elektrodynamiczny
październik-listopad 2007 45
skiego z PW, ok. 13 m, zaś w pobliskiej elektrowni El Paso
Electric Company uległa zniszczeniu prądnica i całe miasto
zostało pozbawione elektryczności! Nie wiadomo jednak
na pewno, czy rzeczywiście udało się Tesli przeprowadzić
z powodzeniem eksperyment z bezprzewodową transmisją
mocy w stacji Pikes Peak11). Jakkolwiek przez 9 miesięcy
eksperymenty te były prowadzone, to z pozostawionych
notatek rezultaty tych prac nie są jasne, mimo że jak z nich
wynika, energia transmitowana na odległość kilku mil była
wystarczająca do rozświetlenia rur z rozrzedzonym gazem
wetkniętych w ziemię. Tesla eksperymentował również
z transmisją sygnałów ultra niskiej częstotliwości poprzez
przestrzeń zawartą między powierzchnią ziemi a jonosferą.
Wyliczył, że częstotliwość rezonansowa dla tej przestrzeni
wynosi około 8 Hz, co zostało nota bene potwierdzone
pomiarami przeprowadzonymi w 1950 r.
Kolejnym etapem poszukiwania rozwiązania postawionych
zadań była budowa potężnych instalacji Wanderclyffe
Tower, wymagających ogromnych środków. Tesla
planował stworzyć tzw. System Światowy12), zapewniający
wielokanałową transmisję dla celów telekomunikacyjnych,
nawigacyjnych, precyzyjnej synchronizacji zegarów czasu,
jak również bezprzewodowego przesyłania energii
elektrycznej. Swoją koncepcję przesyłania energii, której
realizacja miała być eksperymentalnie badana w Wandercliffe13)
Tesla nazwał „Metodą pobudzania ładunku
ziemi i powietrza” (Disturbed charge of ground and air
method). Instalacja w Wanderclyffe miała również służyć
jako model krajowego, a w przyszłości światowego systemu
wież do transmisii energii elektrycznej do odbiorców,
w postaci prądów ziemskich (earth current – telluric
currents) i fal elektrohydrodynamicznych. Dla osiągnięcia
tego celu wieża miała być wyposażona w odpowiednie
urządzenia podziemne, natomiast urządzenia naziemne
miały zapewnić jonizację powietrza nad wieżą stwarzając
możliwość powstania „wysoko napięciowej plazmowej linii
transmisyjnej”. W ten sposób miał zostać stworzony obwód
zamknięty wykorzystujący zarówno oddziaływanie na ziemię
jak i na przestrzeń nad powierzchnią ziemi. Sposoby
realizacji bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej
zostały opisane w patentach Tesli14), a także w zachowanych
notatkach Tesli z 1901 r. dotyczących Wanderclyffe.
W komorze wieży Tesla przewidywał umieszczenie wielkiego
zbiornika ciekłego azotu. Prawdopodobnie przewidywał
wykorzystanie zjawisko nadprzewodnictwa.
Budowa Wanderclyffe Tower rozpoczęła się w 1901 r.
i była finansowana przez wielu wpływowych przemysłowców
i finansistów, z J. P. Morganem na czele. Była
to drewniana wieża o wysokości 57 m, o średnicy około
20 m, na której wierzchołku umieszczono 55 tonową
konstrukcję metalową w kształcie półkuli. Pod wieżą
w szybie o głębokości około 36 m zainstalowano wgłąb
na dalsze 95 m rury żelazne. W głównym budynku mieściły
się laboratorium, biblioteka, biuro, maszynownia,
warsztat, pracownia szklarska, pomieszczenia, w których
zgromadzono prądnice, transformatory Tesli, urządzenia
związane z pracami badawczymi Tesli, kable itp. W 1902 r.
działalność eksperymentalna Tesli została przeniesiona
z laboratorium na Huston Street do Wanderclyffe Tower.
Mniej więcej w tym czasie Tesla odkrył zasady pracy
radaru, ponad 30 lat przed uznawaną powszechnie datą
odkrycia oraz prowadził prace nad promieniami X i telesterowaniem.
Tymczasem koszty budowy i wyposażenia nowego
przedsięwzięcia szybko rosły, a gdy w roku 1903 nie widać
było nadal końca prac, inwestorzy zaprzestali ostatecznie
od 1904 r. dalszego ich finansowania.
Przerwanie prac wykończeniowych, wstrzymanie
...
bladydzik