Teslas Türme: Pikes Peak, Wardenclyffe und drahtlose Energieübertragung
Auch ein Genie wie Tesla konnte sich den Marktregeln des Produkterfolgs nicht entziehen: Sei als Erster auf dem Markt, biete ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und übertreffe die Konkurrenz.
Nikola Tesla wurde unter anderem durch seine Erfindungen zur kabelgebundenen Stromverteilung berühmt. Er wusste, dass erfolgreiche Produkte als erste auf den Markt kamen, wirtschaftliche Dienstleistungen boten und eine angemessene Finanzierung für die Entwicklung benötigten. Er meisterte alle technischen Herausforderungen. Doch als er kurz davor war, ein drahtloses Stromversorgungssystem zu entwickeln, kamen Kräfte zusammen, die sowohl Teslas Turm als auch seinen Traum, die Welt mit reichlich Strom zu versorgen, zunichte machten.
Was entdeckte Tesla in seinem Labor auf dem Pikes Peak, Colorado, das ihn glauben ließ, dass seine bahnbrechende Technologie funktionieren würde? Sehen wir es uns an.
Ein Sendeturm
Der Wardenclyffe-Turm, der in Shoreham, New York, in der Nähe von James Wardens Ferienort Wardenclyffe-on-Sound gebaut wurde, war ursprünglich nicht für die drahtlose Energieübertragung gedacht. Ursprünglich wollte John Pierpont (J.P.) Morgan ihn als Teil einer Investition in ein drahtloses Kommunikationssystem nutzen.
Zu dieser Zeit übertrug Guglielmo Marconi die Ergebnisse von Segelregatten von Ozeandampfern aus. Morgan dachte, dass die Übertragung von Rennergebnissen und Nachrichten von Amerika nach London der nächste Schritt sein würde. Er wollte ein besseres System als das von Marconi – und Tesla war froh, die Unterstuetzung einer so einflussreichen Person zu haben.
Experimental Times
Im Jahr 1899 experimentierte Tesla in Colorado, waehrend Marconi aktiv drahtlosen Funk in England und Amerika demonstrierte. Die Zeitung New York Herald lud Marconi ein, über die internationale Segelregatta America’s Cup zu berichten, die in diesem Jahr in New York stattfand. In der Zwischenzeit hatte man Tesla Land und kostenlosen Strom für ein Versuchslabor in Pikes Peak, Colorado, versprochen.
Als Tesla nach Colorado umzog, war er bereits eine Berühmtheit. Er hatte erfolgreich mit George Westinghouse zusammengearbeitet, um das Versprechen von Wechselstrom (AC) zu zeigen, indem er Strom und Beleuchtung für die Weltausstellung 1893 in Chicago lieferte. Sie taten sich 1896 erneut zusammen, um ein Wasserkraftwerk an den Niagarafällen zu errichten.
Teslas mehrphasiger Wechselstrom ist de facto die Stromverteilung für die kabelgebundenen Stromsysteme, die wir heute als selbstverständlich ansehen. Tesla setzte sich bei der Stromverteilung im großen Maßstab gegen Thomas Edison und sein Gleichstromsystem durch, weil die Technologie effizienter war.
Auf der Grundlage von Teslas Patenten war Westinghouse in der Lage, Geräte, Züge und Städte mit reichlich Strom zu versorgen, und legte damit den Grundstein für einen Großteil unserer heutigen Strominfrastruktur.
Nicola Tesla in seinem Pikes Peak Iaboratory. Bild mit freundlicher Genehmigung der Wellcome Library
Tesla und die drahtlose Stromübertragung
Trotz des Erfolgs, den er mit Stromgeneratoren und Verteilungssystemen hatte, an deren Konstruktion er beteiligt war, interessierte sich Tesla für die drahtlose Stromübertragung. Dazu muss man wissen, dass Heinrich Hertz erst 11 Jahre zuvor, 1888, James Clerk Maxwells Theorien, die sogenannten Maxwellschen Gleichungen, bestätigt hatte.
Aufgrund seiner eigenen Experimente erfand Tesla 1891 einen elektrischen Resonanztransformator, der als Teslaspule bekannt wurde. Tesla ging davon aus, dass seine Transformatoren auch Strom liefern könnten. In seiner Patentanmeldung für einen elektrischen Transformator im Jahr 1897 gab Tesla an, dass es sich um ein Gerät zur „Übertragung von Energie über große Entfernungen“ handelte. Man beachte, dass, wenn Tesla mit seinen Bemühungen Erfolg gehabt hätte, die Stromverteilung in der Geschichte der Menschheit völlig revolutioniert worden wäre.
Auf dem Pikes Peak bot die Kombination aus Wetter (viele Gewitter), kostenlosem Strom von der El Paso Power Company in Colorado Springs und der Finanzierung durch John J. Astor bot Tesla die perfekte Laborumgebung, um sowohl natürliche Blitze zu beobachten als auch „seine eigenen“ mit Hilfe seiner Transformatoren zu erzeugen.
Tesla konnte beobachten, wie sich natürliche Blitze verhielten und wie sie sich in einigen Fällen über den Boden bewegten. Er bemerkte, wie die Luft danach aufgeladen blieb. Er experimentierte mit seinem Transformator, beobachtete die Lichtbögen und wie die Entladungen reflektiert wurden. Selbst Entladungen von einer kleinen Teslaspule wären am Pikes Peak faszinierend gewesen, und Tesla hat keine kleine Spule gebaut!
Teslas Labor in Colorado hatte eine der größten je gebauten Spulen. Die elektrischen Entladungen des Labors waren meilenweit zu sehen. Es wurde so viel über Teslas Experimente bekannt, dass J.P. Morgan, der Finanzier, der für die Fusion, aus der General Electric hervorging, verantwortlich war, in Teslas Unternehmen investierte und die Mittel bereitstellte, um Tesla zurück an die Ostküste zu holen und mit der Arbeit am Wardenclyffe Tower zu beginnen.
Als Folge dieses Schrittes hatte Morgan einen Anteil an einem Unternehmen für drahtlose Kommunikation. Dies würde alle anderen Branchen ergänzen, in die er zu dieser Zeit investiert war. Aufgrund von Teslas Ruf und dem, was Tesla präsentierte, waren beide Männer sicher, dass Teslas System das von Marconi übertreffen würde. Morgan unterzeichnete im März 1901 einen Vertrag mit Tesla über ein drahtloses Kommunikationssystem.
Ein Beispiel für ein modernes Tesla-Spulenexperiment
Wardenclyffe Tower and Marconi’s Accomplishments
Tesla begann sofort mit der Arbeit an dem System, erwarb Land und baute den Turm. Der Entwurf sah einen Turm vor, der 187 Fuß hoch war und 300 Fuß tief in der Erde steckte.
Im Dezember desselben Jahres überraschte Marconi die Welt mit der Übertragung des Morsebuchstabens „S“ über den Atlantik. Mit einer Ausrüstung, die viel einfacher war als der riesige Turm, den Tesla baute, übertrug Marconi Signale über den Ozean.
Da Marconi bereits revolutionäre Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation für sich beanspruchte, erkannte Tesla, dass künftige Investoren nicht an seinem drahtlosen Kommunikationssystem interessiert sein würden, wenn sie mit Marconis Technologie dasselbe erreichen könnten. Tesla vermutete auch, dass Marconi Ausrüstungen benutzte, auf die Tesla Patente besass, aber er hatte kein Geld, um der Sache nachzugehen.
Ohne Morgan zu konsultieren, vergrösserte Tesla den Entwurf des Turms und nahm die Stromverteilung in die Spezifikationen auf. Sein Ziel war, dass der Turm ein komplettes System werden sollte: ein integrierter Strom- und Kommunikationsknotenpunkt.
Morgan war nicht glücklich, als er erkannte, dass (1) das Kommunikationssystem, in das er investiert hatte, nicht gebaut wurde und (2) das neu entworfene System viel mehr kosten würde. In einem perfekten Sturm der Ungewissheit geriet Morgan in die wirtschaftliche Panik von 1901, als der Aktienmarkt im Mai zusammenbrach. Dann wurde Präsident McKinley im September desselben Jahres ermordet. Innerhalb weniger Monate nach Unterzeichnung von Teslas Vertrag hatte sich die gesamte Finanzlandschaft verändert. Morgan lehnte Teslas Bitte ab, mehr Geld zu investieren, und die Beziehung zwischen den beiden Männern wurde nicht freundschaftlich fortgesetzt.
Was auch immer die Beziehung zwischen Tesla und Marconi zuvor gewesen war, sie wurde strittig, als Marconi (zusammen mit Karl Ferdinand Braun) 1909 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Die Beziehung zwischen Tesla und Marconi entwickelte sich zu einem Streitgespräch, das von Patentstreitigkeiten und Gegenansprüchen geprägt war. Der verlassene Turm wurde schliesslich 1917 abgerissen und das Vermögen zur Begleichung von Teslas Schulden verwendet.
Aber was lernte Tesla in seinem Labor in Colorado, das ihn davon überzeugte, dass er Wardenclyffe drahtlos mit Strom versorgen konnte?
Lessons from Pikes Peak
In Colorado hatte Teslas Labor einen zentralen Mast – 42 Fuss hoch – mit einer Kupferkugel an der Spitze. Er war zwar ziemlich massiv, aber immer noch kleiner als der Wardenclyffe-Turm.
Der Transformatorteil hatte eine Wicklung mit einem Durchmesser von über 50 Fuß. Tesla konnte sowohl große elektrische Lichtbögen übertragen als auch den umliegenden Boden elektrisieren. Teslas Beobachtungen und Experimente führten ihn zu folgenden Schlussfolgerungen:
- Die Erde wirkt wie ein Leiter. Die Elektrifizierung der Erde bietet ein Mittel zur Übertragung elektrischer Energie. So konnte Tesla anscheinend Glühbirnen zum Leuchten bringen, die in einiger Entfernung vom Stromgenerator auf dem Boden standen.
- Es gibt stehende elektrische Wellen, die nach einem Blitzeinschlag zurückbleiben.
- Die Ionosphäre kann bestimmte elektrische Wellen reflektieren. Sie müssen nicht unbedingt die Ionosphäre durchqueren und sich weiter ausbreiten.
- Die Erdoberfläche und die Ionosphäre bilden einen Kanal, in dem sich sehr niederfrequente Radiowellen (im Bereich von 3 kHz bis 30 kHz) mit minimalem Verlust ausbreiten. Diese Wellen bewegen sich ständig um die Erde und werden zwischen der Erdoberfläche und der Ionosphäre hin und her reflektiert. Tesla vermutete, dass diese Schwingungen eine Eigenfrequenz von 8 Hz haben.
Es gab einen Hintergrund für Teslas Ideen. Im Jahr 1872 hatten sowohl Mahlon Loomis als auch William Henry Ward Patente angemeldet, in denen von atmosphärischer Elektrizität und einer elektrischen Schicht in der Atmosphäre die Rede war, die Signale übertragen könnte.
Mit diesem Wissen ist es leicht zu verstehen, wie Tesla sich ein riesiges elektrisches System vorstellen konnte, in dem die Erde und die Ionosphäre das Potenzial für Haushalte und Unternehmen boten, sich an ein universelles Stromnetz anzuschließen. Mit seinem Transformator, der riesige Mengen an Elektrizität liefert, und mit der Erde und der Ionosphäre, die als leitende Schicht fungieren, könnte jeder Wohnsitz oder jedes Gebäude mit geeigneten Empfängern und Erdung zu einem Zweig werden, der vom Netz gespeist wird.
Grafische Darstellung des Wardenclyffe Tower
Wie hat Tesla das gemacht?
In seinem Buch „Wireless Telegraphy“, dessen übersetzte Fassung 1915 veröffentlicht wurde, erörterte Dr. Jonathan Zenneck das Feld der elektromagnetischen Wellen an der Erdoberfläche. Zenneck interessierte sich für die Maxwellschen Gleichungen an Oberflächengrenzen und erwähnt in seinem Buch, dass die Erde leitfähig ist.
Der deutsche Physiker Winfried Otto Schumann sagte voraus, dass im Hohlraum zwischen der Erdoberfläche und der Ionosphäre elektromagnetische stehende Wellen existieren. Im Jahr 1954 wurde diese Theorie bestätigt. Es wurde festgestellt, dass diese „Schumann-Resonanz“ bei einer Grundfrequenz von 7,83 Hz auftritt. Heute sind Funkamateure auf die Reflexion der Ionosphäre angewiesen, um über große Entfernungen Kontakt aufzunehmen.
Alle diese Entdeckungen zeigen, dass Teslas Verständnis der Phänomene, die er in seinem Pikes-Peak-Labor beobachtete und erforschte, bestätigt wurde.
Wäre sein Turm seinen anderen Erfolgen gefolgt, wenn das Geld nicht ausgegangen wäre? Diese Frage wird immer noch debattiert. In einer Hinsicht war der Turm kein Fehlschlag. Teslas Aufzeichnungen über die Ergebnisse seiner Colorado-Experimente sind lückenhaft, da er sich eher auf sein Gedächtnis als auf schriftliche Aufzeichnungen verließ. Um den Pikes-Peak-Turm zu bauen, musste er jedoch seine Pläne, die benötigte Ausrüstung und die von ihm beantragten Patente dokumentieren und damit eine Spur für künftige Forscher hinterlassen.
Ob Tesla mit seinen Vorstellungen von einer Welt mit drahtloser Energieübertragung richtig lag, wird sich vielleicht erst noch zeigen. Derzeit laufen Crowdfunding-Bemühungen mit dem Ziel, Teslas Turm nachzubauen.
Zusammenfassung
Tesla hat das Wissen über Elektrizität und Energieverteilung in einer Weise weiterentwickelt, von der wir noch heute profitieren. Seine Experimente mit Induktionsmotoren, Leuchtstoffröhren und Wechselstrom bilden die Grundlage unserer technischen Landschaft.
Heute wird seine Vision der drahtlosen Energieversorgung nur zu einem kleinen Teil verwirklicht. Obwohl Teslas Turm nie das erreicht hat, was er sich erhoffte, können wir seine Vision einer Welt mit Energie im Überfluss sehen, weil er seine Pläne und Patente in Vorbereitung auf den Turm dokumentiert hat.