Teslan tornit: Pikes Peak, Wardenclyffe ja langaton sähkönsiirto: Pikes Peak, Wardenclyffe ja langaton voimansiirto
Teslan kaltainenkaan nero ei voinut välttyä tuotteiden menestyksen markkinasäännöiltä: Ole ensimmäisenä markkinoilla, tarjoa hyvää vastinetta ja päihitä kilpailijat.
Nikola Tesla tuli kuuluisaksi osittain langallista sähkönjakelua koskevien keksintöjen ansiosta. Hän tiesi, että menestyvät tuotteet tulivat ensimmäisinä markkinoille, tarjosivat taloudellisia palveluja ja tarvitsivat riittävästi rahoitusta kehitystyöhön. Hän voitti kaikki tekniset haasteet. Silti valmiina toimittamaan langattoman sähköjärjestelmän, voimat yhdistyivät niin, että sekä Teslan torni että hänen unelmansa toimittaa maailmalle runsaasti sähköä jäivät raunioiksi.
Mitä Tesla löysi laboratoriossaan Coloradon Pikes Peakissa, mikä sai hänet uskomaan, että hänen mullistava tekniikkansa toimisi? Katsotaanpa.
Lähetystorni
New Yorkin Shorehamiin, lähelle James Wardenin lomakeskusta Wardenclyffe-on-Soundia, rakennettua Wardenclyffe-tornia ei alun perin ollut tarkoitus käyttää langattomaan sähkönsiirtoon. Alun perin John Pierpont (J.P.) Morgan aikoi käyttää sitä osana investointia langattomaan viestintäjärjestelmään.
Guglielmo Marconi välitti tuohon aikaan purjehduskilpailujen tuloksia valtamerialuksilta. Morgan ajatteli, että kilpailutulosten ja uutisten lähettäminen Amerikasta Lontooseen olisi seuraava askel. Hän halusi Marconin järjestelmää paremman järjestelmän – ja Tesla oli iloinen saadessaan tukea näin vaikutusvaltaiselta henkilöltä.
Experimental Times
Vuonna 1899 Tesla teki kokeita Coloradossa, kun Marconi esitteli aktiivisesti langatonta radiota Englannissa ja Amerikassa. New York Herald -sanomalehti kutsui Marconin raportoimaan tuona vuonna New Yorkissa järjestettävästä kansainvälisestä America’s Cup -purjehduskilpailusta. Samaan aikaan Teslalle oli luvattu maata ja ilmaista sähköä kokeilulaboratoriota varten Pikes Peakissa, Coloradossa.
Kun Tesla muutti Coloradoon, hän oli jo julkkis. Hän oli menestyksekkäästi tehnyt yhteistyötä George Westinghousen kanssa osoittaakseen vaihtovirran (AC) lupauksen tarjoamalla sähköä ja valaistusta vuoden 1893 Columbian maailmannäyttelyyn Chicagossa. He tekivät yhteistyötä uudelleen vuonna 1896 tarjotakseen vesivoimalaitoksen Niagaran putouksille.
Teslan vaihtovirran monivaihevirta on nykyään itsestäänselvyytenä pitämiemme langallisten sähköjärjestelmien tosiasiallinen sähkönjakelujärjestelmä. Tesla päihitti Thomas Edisonin ja hänen tasavirtajärjestelmänsä (DC) laajamittaisessa sähkönjakelussa, koska tekniikka oli tehokkaampaa.
Teslan patentteihin tukeutuen Westinghouse pystyi toimittamaan runsaasti sähkövoimaa laitteisiin, juniin ja kaupunkeihin, mikä loi perustan suurelle osalle nykyisestä sähköinfrastruktuuristamme.
Nicola Tesla Pikes Peak Iaboratoriossaan. Image courtesy of the Wellcome Library
Tesla ja langaton sähkönsiirto
Tesla oli kiinnostunut langattomasta sähkönsiirrosta huolimatta menestyksestä, jota hän oli saavuttanut sähkögeneraattoreilla ja jakelujärjestelmillä, joiden suunnittelussa hän oli ollut mukana. Asiaa suhteuttaa se, että vain 11 vuotta aiemmin, vuonna 1888, Heinrich Hertz oli vahvistanut James Clerk Maxwellin teoriat, jotka tunnetaan nimellä Maxwellin yhtälöt.
Tehdessään omia kokeilujaan Tesla keksi vuonna 1891 sähköisen resonoivan muuntajan, joka tunnetaan nimellä Teslan kela tai Teslan kela. Tesla odotti, että hänen muuntajansa voisivat tuottaa myös sähköä. Tesla totesi vuonna 1897 tekemässään sähkömuuntajan patenttihakemuksessa, että se oli itse asiassa laite ”energian siirtämiseen pitkiä matkoja pitkin”. Huomaa, että jos Tesla olisi onnistunut pyrkimyksissään, sähkönjakelu olisi mullistunut täysin ihmiskunnan historiassa.
Pikes Peakillä sääolosuhteiden (paljon ukkosmyrskyjä), Colorado Springsin El Paso Power Companyn tarjoaman ilmaisen sähkön ja John J. Astor tarjosi Teslalle täydelliset laboratorio-olosuhteet sekä luonnollisen salaman havainnointiin että ”omansa” luomiseen muuntajiensa avulla.
Tesla pystyi havainnoimaan, miten luonnollinen salama toimi ja miten se joissakin tapauksissa kulki maan yli. Hän huomasi, miten ilma pysyi sen jälkeen varautuneena. Hän kokeili muuntajallaan ja tarkkaili kaaria ja sitä, miten purkaukset heijastuivat. Jopa pienen Teslan kelan purkaukset olisivat olleet kiehtovia Pikes Peakillä, eikä Tesla tehnyt pientä käämiä!
Teslan Coloradon laboratoriossa oli yksi suurimmista koskaan rakennetuista keleistä. Laboratorion sähköpurkaukset näkyivät kilometrien päähän. Teslan kokeista mainostettiin niin paljon, että J.P. Morgan, rahoittaja, joka vastasi General Electricin muodostaneesta fuusiosta, sijoitti Teslan yritykseen ja hankki varat, joilla Tesla saatiin takaisin itärannikolle ja aloitettiin työt Wardenclyffe-tornin parissa.
Tästä siirrosta lähtien Morganilla oli osakkuus langattoman viestinnän yrityksessä. Tämä täydentäisi kaikkia muita toimialoja, joihin hän oli tuolloin sijoittanut. Teslan maineen ja Teslan esittelemän perusteella molemmat miehet olivat varmoja, että Teslan järjestelmä päihittäisi Marconin järjestelmän. Morgan allekirjoitti maaliskuussa 1901 Teslan kanssa sopimuksen langattomasta viestintäjärjestelmästä.
Esimerkki nykyaikaisesta Teslan käämikokeilusta
Wardenclyffe-torni ja Marconin saavutukset
Tesla aloitti välittömästi järjestelmän työstämisen, maa-alueiden hankinnan ja tornin rakentamisen. Suunnitelman mukaan tornin piti olla 187 jalkaa korkea ja 300 jalkaa maanpinnan alapuolella.
Silloin saman vuoden joulukuussa Marconi yllätti maailman lähettämällä morsekirjaimen ”S” Atlantin valtameren yli. Laitteilla, jotka olivat paljon yksinkertaisempia kuin Teslan rakentama valtava torni, Marconi lähetti signaaleja valtameren yli.
Marconin jo väittäessä vallankumouksellisia edistysaskeleita langattomassa viestinnässä Tesla tajusi, etteivät tulevat sijoittajat olisi kiinnostuneita hänen langattomasta viestintäjärjestelmästään, jos he pystyisivät saavuttamaan samoja asioita Marconin tekniikalla. Tesla epäili myös, että Marconi käytti laitteita, joihin Teslalla oli patentteja, mutta hänellä ei ollut rahaa jatkaa asian tutkimista.
Kuuntelematta Morgania Tesla suurensi tornin suunnittelua ja sisällytti tehonjakelun eritelmiin. Hänen tavoitteenaan oli, että tornista tulisi täydellinen järjestelmä: integroitu virta- ja viestintäkeskus.
Morgan ei ollut tyytyväinen, kun hän tajusi, että (1) viestintäjärjestelmää, johon hän oli sijoittanut, ei oltu rakentamassa ja (2) uudelleen suunniteltu järjestelmä tulisi maksamaan paljon enemmän. Epävarmuuden täydellisessä myrskyssä Morgan joutui vuoden 1901 talouspaniikkiin, jossa osakemarkkinat romahtivat toukokuussa. Sitten presidentti McKinley salamurhattiin saman vuoden syyskuussa. Muutaman kuukauden kuluessa Teslan sopimuksen allekirjoittamisesta koko taloudellinen tilanne oli muuttunut. Morgan kieltäytyi Teslan pyynnöstä sijoittaa lisää rahaa, eivätkä näiden kahden miehen väliset suhteet jatkuneet ystävällisesti.
Mitä tahansa Teslan ja Marconin väliset suhteet olivatkaan aiemmin olleet, niistä tuli riitaisat, kun Marconille (yhdessä Karl Ferdinand Braunin kanssa) myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1909. Sen jälkeen heidän suhteensa muuttui riitapukareiden suhteeksi, joka oli täynnä patenttitaisteluita ja vastakanteita. Hylätty torni purettiin lopulta vuonna 1917, ja kaikki varat käytettiin Teslan velkojen maksuun.
Mutta mitä Tesla oppi Coloradon laboratoriossaan, että hän oli vakuuttunut siitä, että hän voisi toimittaa sähköä langattomasti Wardenclyffessä?
Oppeja Pikes Peakiltä
Coloradossa Teslan laboratoriossa oli keskimmäinen masto – 142 jalkaa korkea – ja sen huipulla kuparinen pallo. Vaikka se oli melko massiivinen, se oli silti pienempi kuin Wardenclyffen torni.
Muuntajaosassa oli käämi, jonka halkaisijaksi kuvattiin yli 50 jalkaa. Tesla pystyi lähettämään suuria sähkökaaria sekä sähköistämään ympäröivän maan. Teslan havainnot ja kokeet saivat hänet päättelemään seuraavaa:
- Maa toimii johtimena. Maan sähköistäminen tarjoaa keinon siirtää sähköenergiaa. Näyttää siltä, että näin Tesla pystyi sytyttämään sähkölamput, jotka oli sijoitettu maahan jonkin matkan päähän sähkögeneraattorista.
- Salamaniskun jäljiltä jää pysyviä sähköaaltoja.
- Ionosfääri voi heijastaa tiettyjä sähköaaltoja. Ne eivät välttämättä kulje ionosfäärin läpi ja jatka etenemistään.
- Maailman pinta ja ionosfääri muodostavat kanavan, jossa hyvin matalataajuiset radioaallot (3 kHz:n ja 30 kHz:n välillä) kulkevat vähäisin häviöin. Nämä aallot kiertävät jatkuvasti maapalloa ja heijastuvat edestakaisin maan pinnan ja ionosfäärin välillä. Tesla ehdotti, että näillä värähtelyillä olisi 8 Hz:n luonnollinen taajuus.
Teslan ajatuksille oli jonkin verran taustaa. Vuonna 1872 sekä Mahlon Loomis että William Henry Ward olivat hakeneet patentteja, joissa mainittiin ilmakehän sähkö ja ilmakehän sähköinen kerros, joka voisi kuljettaa signaaleja.
Tämän tiedon avulla on helppo ymmärtää, miten Tesla saattoi visioida valtavan sähköjärjestelmän, jossa maapallo ja ionosfääri tarjosivat kodeille ja yrityksille potentiaalia liittyä yleiseen sähköverkkoon. Käyttämällä hänen muuntajaansa syöttämään valtavia määriä sähköä ja Maan ja ionosfäärin toimiessa johtavana kerroksena mistä tahansa asunnosta tai rakennuksesta, jossa oli sopivat reseptorit ja maadoitus, voisi tulla verkon syöttämä haara.
Grafinen esitys Wardenclyffe Towerista
Miten Tesla teki?
Tohtori Jonathan Zenneck käsitteli kirjassaan Wireless Telegraphy (Langaton telegrafia), jonka käännetty versio julkaistiin vuonna 1915, sähkömagneettisten aaltojen kenttää maan pinnalla. Zenneck oli kiinnostunut Maxwellin yhtälöistä pinnan rajoilla ja mainitsee kirjassaan, että maapallo on johtava.
Saksalainen fyysikko Winfried Otto Schumann ennusti, että maan pinnan ja ionosfäärin välisessä ontelossa oli sähkömagneettisia seisovia aaltoja. Vuonna 1954 tämä teoria vahvistettiin. Tämän ”Schumann-resonanssin” todettiin esiintyvän 7,83 Hz:n perustaajuudella. Nykyään radioamatöörit ovat riippuvaisia ionosfäärin heijastuksesta saadakseen yhteyden pitkien etäisyyksien yli.
Kaikki nämä löydöt osoittavat, että Teslan käsitys ilmiöistä, joita hän näki ja tutki Pikes Peak -laboratoriossaan, on saanut vahvistusta.
Olisiko hänen Torninsa seurannut hänen muita menestystarinoitaan, jos rahat eivät olisi loppuneet? Tästä kysymyksestä keskustellaan edelleen. Eräässä mielessä torni ei ollut epäonnistunut. Teslan muistiinpanot Coloradossa tekemiensä kokeiden tuloksista ovat summittaisia, koska hän luotti muistiinpanoihinsa pikemminkin kuin kirjallisiin tallenteisiin. Rakentaakseen Pikes Peakin tornin hänen oli kuitenkin dokumentoitava suunnitelmansa, tarvitsemansa laitteet ja hakemansa patentit jättäen jäljen tuleville tutkijoille.
Sitä, oliko Tesla oikeassa siinä, mitä hän visioi langatonta sähkönsiirtoa sisältävästä maailmasta, saatetaan vielä odottaa. Joukkorahoituspyrkimykset ovat käynnissä tavoitteena Teslan tornin uudelleen luominen.
Yhteenveto
Tesla edisti sähköä ja sähkönjakelua koskevaa tietämystä tavoilla, joista hyödymme vielä nykyäänkin. Hänen kokeilunsa induktiomoottoreilla, loisteputkivalaisimilla ja vaihtovirralla muodostavat teknisen maisemamme perustan.
Tänä päivänä hänen visionsa langattomasta sähköstä toteutuu vasta pieneltä osin. Vaikka Teslan torni ei koskaan saavuttanut sitä, mitä hän toivoi, koska hän dokumentoi suunnitelmansa ja patenttinsa tornia valmistellessaan, voimme nähdä hänen visionsa maailmasta, jossa on runsaasti sähköä.