Teslas tårne: Tesla’s Towers: Pikes Peak, Wardenclyffe og trådløs kraftoverførsel
Selv et geni som Tesla kunne ikke undslippe markedets regler for produktsucces: Vær først på markedet, tilbyd god værdi og vær den bedste i forhold til konkurrenterne.
Nikola Tesla blev til dels berømt som følge af sine opfindelser inden for trådbaseret strømforsyning. Han vidste, at succesfulde produkter var først på markedet, leverede økonomiske tjenester og havde brug for tilstrækkelig finansiering til udvikling. Han overvandt alle tekniske udfordringer. Men da han var klar til at levere et trådløst elsystem, forenede kræfterne sig og lagde både Teslas tårn og hans drøm om at forsyne verden med rigelig strøm i ruiner.
Hvad opdagede Tesla i sit laboratorium på Pikes Peak i Colorado, som fik ham til at tro, at hans forstyrrende teknologi ville fungere? Lad os tage et kig.
Et transmissionstårn
The Wardenclyffe Tower, der blev bygget i Shoreham, New York nær James Wardens feriested, Wardenclyffe-on-Sound, var oprindeligt ikke beregnet til at blive brugt til trådløs strømoverførsel. Oprindeligt havde John Pierpont (J.P.) Morgan til hensigt at bruge det som en del af en investering i et trådløst kommunikationssystem.
På det tidspunkt transmitterede Guglielmo Marconi resultater fra sejladser fra oceangående linjeskibe. Morgan mente, at det ville være det næste skridt at få overført kapsejladsresultater og nyheder fra Amerika til London. Han ønskede et bedre system end Marconis – og Tesla var glad for at få opbakning fra en så indflydelsesrig person.
Experimental Times
I 1899 eksperimenterede Tesla i Colorado, mens Marconi aktivt demonstrerede trådløs radio i England og Amerika. Avisen New York Herald inviterede Marconi til at rapportere om den internationale sejlads America’s Cup, der blev afholdt i New York det år. I mellemtiden var Tesla blevet lovet jord og gratis strøm til et forsøgslaboratorium i Pikes Peak, Colorado.
Da Tesla flyttede til Colorado, var han allerede en berømthed. Han havde med succes samarbejdet med George Westinghouse om at vise vekselstrømmens (AC) løfteevne ved at levere strøm og belysning til World’s Columbian Exposition i Chicago i 1893. De arbejdede sammen igen i 1896 for at levere et vandkraftværk ved Niagaravandfaldene.
Teslas flerfasede vekselstrøm er de facto strømfordelingen for de kablede strømsystemer, som vi tager for givet i dag. Tesla slog Thomas Edison og hans jævnstrømsanlæg (DC) til distribution af strøm i stor skala, fordi teknologien var mere effektiv.
Med udgangspunkt i Teslas patenter var Westinghouse i stand til at levere rigelig elektrisk strøm til udstyr, tog og byer, hvilket lagde grunden til en stor del af vores elinfrastruktur i dag.
Nicola Tesla i sit Pikes Peak Iaboratory. Image courtesy of the Wellcome Library
Tesla and Wireless Power Transmission
Trods den succes, han havde fundet med elgeneratorer og distributionssystemer, som han havde været med til at designe, var Tesla interesseret i trådløs elektrisk kraftoverførsel. Hvis man sætter dette i perspektiv, var det kun 11 år tidligere, i 1888, at Heinrich Hertz havde bekræftet James Clerk Maxwells teorier kendt som Maxwells ligninger.
Igennem sine egne eksperimenter opfandt Tesla i 1891 en elektrisk resonanstransformator, kendt som Tesla-spolen eller Teslas spole. Tesla forventede, at hans transformatorer også kunne levere strøm. Tesla erklærede i sin patentansøgning på en elektrisk transformer i 1897, at det faktisk var en anordning til “overførsel af energi over lange afstande”. Bemærk, at hvis Tesla lykkedes med sit forehavende, ville strømforsyningen være blevet totalt revolutioneret i menneskehedens historie.
På Pikes Peak var kombinationen af vejret (masser af lynstorme), gratis strøm fra El Paso Power Company i Colorado Springs og finansiering fra John J. Astor gav Tesla de perfekte laboratorieforhold til både at observere naturlige lyn og skabe “sine egne” ved hjælp af sine transformatorer.
Tesla var i stand til at observere, hvordan naturlige lyn virkede, og hvordan de i nogle tilfælde bevægede sig over jorden. Han bemærkede, hvordan luften forblev ladet bagefter. Han eksperimenterede med sin transformer og observerede lysbuerne, og hvordan udladningerne blev reflekteret. Selv udladninger fra en lille Tesla-spole ville have været fascinerende på Pikes Peak, og Tesla lavede ikke en lille spole!
Teslas laboratorium i Colorado havde en af de største spoler, der nogensinde er bygget. Elektriske udladninger fra laboratoriet kunne ses i miles omkreds. Der blev reklameret nok om Teslas eksperimenter til, at J.P. Morgan, finansmanden, der var ansvarlig for den fusion, der dannede General Electric, investerede i Teslas firma og skaffede midlerne til at bringe Tesla tilbage til østkysten og påbegynde arbejdet med Wardenclyffe Tower.
Derpå dette tidspunkt havde Morgan en andel i et trådløst kommunikationsfirma. Dette ville supplere alle de andre industrier, som han på det tidspunkt var investeret i. Baseret på Teslas omdømme og det, som Tesla præsenterede, var begge mænd sikre på, at Teslas system ville overgå Marconis system. Morgan underskrev en kontrakt med Tesla i marts 1901 om et trådløst kommunikationssystem.
Eksempel på et moderne Tesla-spoleeksperiment
Wardenclyffe Tower og Marconis resultater
Tesla begyndte straks at arbejde på systemet, erhvervede jord og byggede tårnet. Designet krævede et tårn, der var 187 fod højt og jordede 300 fod ned i jorden.
Derpå overraskede Marconi i december samme år verden ved at sende morsekoden bogstavet “S” over Atlanterhavet. Med udstyr, der var meget enklere end det enorme tårn, som Tesla var ved at bygge, sendte Marconi signaler på tværs af havet.
Med Marconi, der allerede hævdede revolutionerende fremskridt inden for trådløs kommunikation, indså Tesla, at fremtidige investorer ikke ville være interesseret i hans trådløse kommunikationssystem, hvis de kunne opnå de samme ting med Marconis teknologi. Tesla havde også mistanke om, at Marconi brugte udstyr, som Tesla havde patenter på, men han havde ingen penge til at forfølge sagen.
Og uden at rådføre sig med Morgan opskalerede Tesla tårndesignet og inkluderede strømfordeling i specifikationerne. Hans mål var, at tårnet skulle blive et komplet system: et integreret kraft- og kommunikationscenter.
Morgan var ikke glad, da han indså, at (1) det kommunikationssystem, han havde investeret i, ikke blev bygget, og (2) at det omdesignede system ville koste meget mere. I en perfekt storm af usikkerhed blev Morgan fanget i den økonomiske panik i 1901, hvor aktiemarkedet styrtede sammen i maj. Derefter blev præsident McKinley myrdet i september samme år. Få måneder efter underskrivelsen af Teslas kontrakt havde hele det finansielle landskab ændret sig. Morgan afviste Teslas anmodning om at investere flere penge, og forholdet mellem de to mænd fortsatte ikke i mindelighed.
Hvad forholdet mellem Tesla og Marconi end havde været tidligere, blev det omstridt, da Marconi (sammen med Karl Ferdinand Braun) fik tildelt Nobelprisen i fysik i 1909. Deres forhold udviklede sig derefter til et forhold mellem retssager, fyldt med patentstridigheder og modkrav. Det forladte tårn blev til sidst revet ned i 1917, og eventuelle aktiver blev brugt til at betale Teslas gæld.
Men hvad lærte Tesla i sit laboratorium i Colorado, som fik ham til at overbevise ham om, at han kunne levere strøm trådløst i Wardenclyffe?
Lektioner fra Pikes Peak
I Colorado havde Teslas laboratorium en central mast – 142 fod høj – med en kobbersfære på toppen. Selv om den var ret massiv, var den stadig mindre end Wardenclyffe-tårnet.
Transformatordelen havde en vikling, der blev beskrevet som værende over 50 fod i diameter. Tesla kunne transmittere store elektriske buer samt elektrificere den omkringliggende jord. Teslas observationer og eksperimenter fik ham til at konkludere følgende:
- Jorden fungerer som en leder. Ved at elektrificere jorden får man et middel til at overføre elektrisk energi. Det synes at være sådan, at Tesla kunne tænde elektriske pærer, der var placeret på jorden i nogen afstand fra strømgeneratoren.
- Der er stående elektriske bølger, der efterlades i kølvandet på et lynnedslag.
- Ionosfæren kan reflektere visse elektriske bølger. De rejser ikke nødvendigvis gennem ionosfæren og fortsætter deres udbredelse.
- Jordoverfladen og ionosfæren danner en kanal, hvor meget lavfrekvente radiobølger (i intervallet 3 kHz til 30 kHz) bevæger sig med minimalt tab. Disse bølger bevæger sig kontinuerligt rundt om Jorden, idet de reflekteres frem og tilbage mellem Jordens overflade og ionosfæren. Tesla foreslog, at der var en naturlig frekvens på 8 Hz for disse svingninger.
Der var en vis baggrund for Teslas ideer. I 1872 havde både Mahlon Loomis og William Henry Ward ansøgt om patenter, der nævnte atmosfærisk elektricitet og et elektrisk lag i atmosfæren, der kunne overføre signaler.
Med denne viden er det let at se, hvordan Tesla kunne forestille sig et stort elektrisk system, hvor Jorden og ionosfæren gav mulighed for, at hjem og virksomheder kunne koble sig på et universelt elnet. Ved hjælp af hans transformer til at levere massive mængder elektricitet, og med Jorden og ionosfæren som et ledende lag, kunne enhver bolig eller bygning med passende receptorer og jordforbindelse blive en filial, der blev forsynet af nettet.
Grafisk gengivelse af Wardenclyffe Tower
Hvordan gjorde Tesla det?
I sin bog Wireless Telegraphy, den oversatte udgave, der blev udgivet i 1915, diskuterede Dr. Jonathan Zenneck feltet af elektromagnetiske bølger ved jordoverfladen. Zenneck var interesseret i Maxwells ligninger ved overfladegrænser og nævner i bogen, at Jorden er ledende.
Den tyske fysiker Winfried Otto Schumann forudsagde, at der eksisterede elektromagnetiske stående bølger i hulrummet mellem Jordens overflade og ionosfæren. I 1954 blev denne teori bekræftet. Man fandt ud af, at denne “Schumann-resonans” opstod ved en grundfrekvens på 7,83 Hz. I dag er radioamatører afhængige af ionosfærens refleksion for at få kontakt over store afstande.
Alle disse opdagelser viser, at Teslas forståelse af de fænomener, som han var vidne til og udforskede i sit Pikes Peak Lab, er blevet bekræftet.
Hvis hans tårn ville have fulgt hans andre succeser, hvis pengene ikke var løbet ud? Det spørgsmål er stadig til debat. På en måde var tårnet ikke en fiasko. Teslas notater om resultaterne af hans Coloradoeksperimenter er skitseagtige, fordi han stolede på sin hukommelse snarere end på skriftlige optegnelser. Men for at kunne bygge Pikes Peak-tårnet var han nødt til at dokumentere sine planer, det nødvendige udstyr og de patenter, han søgte om, hvilket efterlod et spor for fremtidige forskere.
Med hensyn til, om Tesla havde ret i det, han forestillede sig for en verden, der inkorporerede trådløs strømoverførsel, er der måske stadig tid til at afgøre det. Crowdfunding-indsatser er i gang med det formål at genskabe Teslas tårn.
Summarum
Tesla har udviklet kendskabet til elektricitet og strømfordeling på måder, som vi stadig har gavn af i dag. Hans eksperimenter med induktionsmotorer, lysstofrør og vekselstrøm danner grundlaget for vores tekniske landskab.
I dag er hans vision om trådløs strøm kun i ringe grad ved at blive realiseret. Selv om Teslas tårn aldrig opnåede det, han håbede på, kan vi, fordi han dokumenterede sine planer og patenter som forberedelse til tårnet, se hans vision om en verden med rigelig strøm.