Tesla’s Towers: Pikes Peak, Wardenclyffe, and Wireless Power Transmission
Nawet geniusz taki jak Tesla nie mógł uciec przed rynkowymi zasadami sukcesu produktu: Bądź pierwszy na rynku, oferuj dobrą wartość i bądź najlepszy od konkurencji.
Nikola Tesla stał się sławny częściowo dzięki swoim wynalazkom dotyczącym przewodowej dystrybucji energii. Wiedział, że udane produkty były pierwsze na rynku, świadczyły ekonomiczne usługi i potrzebowały odpowiednich funduszy na rozwój. Pokonał wszystkie techniczne wyzwania. Jednak siły połączone w celu dostarczenia bezprzewodowego systemu zasilania sprawiły, że zarówno Wieża Tesli, jak i jego marzenie o dostarczeniu światu dużej ilości energii legły w gruzach.
Co takiego odkrył Tesla w swoim laboratorium na Pikes Peak w Kolorado, że uznał, iż jego przełomowa technologia zadziała? Przyjrzyjmy się temu.
Wieża transmisyjna
Wieża Wardenclyffe, zbudowana w Shoreham w stanie Nowy Jork w pobliżu kurortu Jamesa Wardena, Wardenclyffe-on-Sound, nie była pierwotnie przeznaczona do bezprzewodowego przesyłania energii. Początkowo John Pierpont (J.P.) Morgan zamierzał wykorzystać ją jako część inwestycji w system komunikacji bezprzewodowej.
W tym czasie Guglielmo Marconi transmitował wyniki wyścigów jachtów z okrętów oceanicznych. Morgan uważał, że kolejnym krokiem będzie przesyłanie wyników wyścigów i wiadomości z Ameryki do Londynu. Chciał mieć lepszy system niż system Marconiego – a Tesla był szczęśliwy, że miał poparcie tak wpływowej osoby.
Czasy eksperymentów
W 1899 roku Tesla eksperymentował w Kolorado, podczas gdy Marconi aktywnie demonstrował radio bezprzewodowe w Anglii i Ameryce. Gazeta New York Herald zaprosiła Marconiego do relacjonowania międzynarodowych regat jachtowych America’s Cup, które odbywały się w tym roku w Nowym Jorku. Tymczasem Tesla otrzymał obietnicę ziemi i darmowej energii dla eksperymentalnego laboratorium w Pikes Peak, Colorado.
Kiedy Tesla przeniósł się do Colorado, był już sławny. Z powodzeniem współpracował z George’em Westinghouse’em, aby pokazać obietnicę prądu zmiennego (AC), zapewniając zasilanie i oświetlenie na Światową Wystawę Kolumbijską w Chicago w 1893 roku. Ponownie połączyli siły w 1896 roku, aby zapewnić elektrownię wodną nad wodospadem Niagara.
Prąd zmienny wielofazowy Tesli to de facto dystrybucja mocy dla przewodowych systemów zasilania, które dziś uznajemy za oczywiste. Tesla pokonał Thomasa Edisona i jego system prądu stałego (DC) w dystrybucji energii na dużą skalę, ponieważ technologia ta była bardziej wydajna.
Polegając na patentach Tesli, firma Westinghouse była w stanie dostarczyć dużą ilość energii elektrycznej do urządzeń, pociągów i miast, kładąc podwaliny pod większość naszej dzisiejszej infrastruktury energetycznej.
Nicola Tesla w swoim laboratorium w Pikes Peak. Image courtesy of the Wellcome Library
Tesla and Wireless Power Transmission
Mimo sukcesu, jaki odniósł z generatorami prądu i systemami dystrybucji, w których projektowaniu miał swój udział, Tesla był zainteresowany bezprzewodowym przesyłem energii elektrycznej. Patrząc na to z perspektywy czasu, zaledwie 11 lat wcześniej, w 1888 roku, Heinrich Hertz potwierdził teorie Jamesa Clerka Maxwella znane jako Równania Maxwella.
Prowadząc własne eksperymenty, Tesla wynalazł w 1891 roku elektryczny transformator rezonujący, znany jako cewka Tesli lub cewka Tesli. Tesla spodziewał się, że jego transformatory mogą również dostarczać prąd. W swoim wniosku patentowym dotyczącym transformatora elektrycznego z 1897 roku Tesla stwierdził, że jest to urządzenie do „przesyłania energii na duże odległości”. Zauważ, że gdyby Tesla odniósł sukces w swoich wysiłkach, dystrybucja energii elektrycznej zostałaby całkowicie zrewolucjonizowana w historii ludzkości.
Na Pikes Peak, połączenie pogody (dużo burz z piorunami), darmowa moc z El Paso Power Company z Colorado Springs i finansowanie od Johna J. Astora zapewniły Tesli doskonałe warunki laboratoryjne do obserwacji naturalnych błyskawic i tworzenia „własnych” przy użyciu transformatorów.
Tesla był w stanie zaobserwować, jak naturalne błyskawice działały i jak podróżowały nad ziemią w niektórych przypadkach. Zauważył, jak powietrze pozostało naładowane. Eksperymentował ze swoim transformatorem, obserwując łuki i sposób, w jaki wyładowania były odbijane. Nawet wyładowania z małej cewki Tesli byłyby fascynujące na Pikes Peak, a Tesla nie zrobił małej cewki!
Laboratorium Tesli w Kolorado miało jedną z największych cewek, jakie kiedykolwiek zbudowano. Wyładowania elektryczne z laboratorium można było zobaczyć na wiele mil. O eksperymentach Tesli zrobiło się na tyle głośno, że J.P. Morgan, finansista odpowiedzialny za fuzję, która utworzyła General Electric, zainwestował w firmę Tesli, zapewniając fundusze na sprowadzenie Tesli z powrotem na Wschodnie Wybrzeże i rozpoczęcie prac nad Wieżą Wardenclyffe.
Od tego momentu Morgan miał udziały w firmie zajmującej się komunikacją bezprzewodową. Uzupełniłoby to wszystkie inne branże, w które był wówczas zainwestowany. Na podstawie reputacji Tesli i tego, co Tesla zaprezentował, obaj panowie byli pewni, że system Tesli przewyższy system Marconiego. Morgan podpisał kontrakt z Teslą w marcu 1901 roku na system komunikacji bezprzewodowej.
Przykład nowoczesnego eksperymentu z cewką Tesli
Wieża Wardenclyffe i osiągnięcia Marconiego
Tesla natychmiast rozpoczął pracę nad systemem, nabywając ziemię i budując wieżę. Projekt przewidywał wieżę wysoką na 187 stóp i zagłębioną w ziemię na 300 stóp.
W grudniu tego samego roku Marconi zaskoczył świat, transmitując kodem Morse’a literę „S” przez Ocean Atlantycki. Za pomocą sprzętu znacznie prostszego niż ogromna wieża, którą budował Tesla, Marconi transmitował sygnały przez ocean.
Zważywszy, że Marconi twierdził już, że poczynił rewolucyjne postępy w komunikacji bezprzewodowej, Tesla zdawał sobie sprawę, że przyszli inwestorzy nie będą zainteresowani jego systemem komunikacji bezprzewodowej, jeśli będą mogli osiągnąć to samo za pomocą technologii Marconiego. Tesla podejrzewał również, że Marconi używa sprzętu, na który Tesla miał patenty, ale nie miał pieniędzy, aby zająć się tą sprawą.
Bez konsultacji z Morganem, Tesla zwiększył skalę projektu wieży i włączył dystrybucję energii do specyfikacji. Jego celem było, aby wieża stała się kompletnym systemem: zintegrowanym węzłem zasilania i komunikacji.
Morgan nie był zadowolony, gdy zdał sobie sprawę, że (1) system komunikacji, w który zainwestował, nie zostanie zbudowany i (2) przeprojektowany system będzie kosztował znacznie więcej. W doskonałej burzy niepewności Morgan został uwikłany w ekonomiczną panikę 1901 roku, kiedy to w maju nastąpił krach na giełdzie. We wrześniu tego samego roku prezydent McKinley został zamordowany. W ciągu kilku miesięcy od podpisania kontraktu z Teslą, cały krajobraz finansowy uległ zmianie. Morgan odrzucił prośbę Tesli o zainwestowanie większej ilości pieniędzy, a stosunki między tymi dwoma mężczyznami nie układały się dalej polubownie.
Cokolwiek łączyło Teslę i Marconiego wcześniej, stało się sporne, gdy Marconi (wraz z Karlem Ferdinandem Braunem) otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1909 roku. Ich relacje przekształciły się wówczas w spory sądowe, najeżone walkami patentowymi i wzajemnymi roszczeniami. Opuszczona Wieża została ostatecznie zburzona w 1917 roku, a wszelkie aktywa zostały wykorzystane do spłacenia długów Tesli.
Czego Tesla nauczył się w swoim laboratorium w Kolorado, co przekonało go do bezprzewodowego zasilania Wardenclyffe?
Lekcje z Pikes Peak
W Kolorado laboratorium Tesli miało centralny maszt – wysoki na 142 stopy – z miedzianą kulą na szczycie. Choć dość masywny, był on wciąż mniejszy od Wieży Wardenclyffe.
Część transformatorowa miała uzwojenie o średnicy ponad 50 stóp. Tesla mógł przesyłać duże łuki elektryczne, jak również elektryzować otaczający go grunt. Obserwacje i eksperymenty Tesli doprowadziły go do następujących wniosków:
- Ziemia działa jak przewodnik. Elektryzowanie Ziemi zapewnia środki do przesyłania energii elektrycznej. Wydaje się, że w ten sposób Tesla był w stanie zapalić żarówki elektryczne umieszczone na ziemi w pewnej odległości od generatora prądu.
- W następstwie uderzenia pioruna pozostają stojące fale elektryczne.
- Jonosfera może odbijać pewne fale elektryczne. Niekoniecznie przechodzą one przez jonosferę i dalej się rozchodzą.
- Powierzchnia Ziemi i jonosfera tworzą kanał, w którym fale radiowe o bardzo niskiej częstotliwości (w zakresie od 3 kHz do 30 kHz) przemieszczają się z minimalnymi stratami. Fale te stale podróżują wokół Ziemi, odbijając się tam i z powrotem pomiędzy powierzchnią Ziemi a jonosferą. Tesla zasugerował, że istnieje naturalna częstotliwość 8 Hz dla tych oscylacji.
Istniało pewne tło dla pomysłów Tesli. W 1872 roku zarówno Mahlon Loomis, jak i William Henry Ward złożyli wnioski patentowe, w których wspominali o elektryczności atmosferycznej i atmosferycznej warstwie elektrycznej, która mogłaby przenosić sygnały.
Posiadając tę wiedzę, łatwo zrozumieć, w jaki sposób Tesla mógł wyobrazić sobie ogromny system elektryczny, w którym Ziemia i jonosfera stanowiłyby potencjał dla domów i firm, aby podłączyć się do uniwersalnej sieci elektrycznej. Używając jego transformatora do dostarczania ogromnych ilości energii elektrycznej, a Ziemia i jonosfera działały jako warstwa przewodząca, każde miejsce zamieszkania lub budynek z odpowiednimi receptorami i uziemieniem mógł stać się odgałęzieniem zasilanym przez sieć.
Grafika wieży Wardenclyffe
Jak to zrobił Tesla?
W swojej książce Wireless Telegraphy (Telegrafia bezprzewodowa), której tłumaczenie ukazało się w 1915 r., dr Jonathan Zenneck omówił pole fal elektromagnetycznych na powierzchni Ziemi. Zenneck był zainteresowany Równania Maxwella na granicach powierzchni i wspomina w książce, że Ziemia jest conductive.
Niemiecki fizyk Winfried Otto Schumann przewidział, że elektromagnetyczne fale stojące istniały w jamie między powierzchnią Ziemi i jonosfery. W 1954 roku teoria ta została potwierdzona. Stwierdzono, że ten „rezonans Schumanna” występuje przy częstotliwości podstawowej 7,83 Hz. Dziś radioamatorzy polegają na odbiciu jonosfery, aby nawiązać kontakt na duże odległości.
Wszystkie te odkrycia pokazują, że rozumienie przez Teslę zjawisk, których był świadkiem i które badał w swoim laboratorium na Pikes Peak, zostało potwierdzone.
Czy gdyby nie zabrakło pieniędzy, jego Wieża podążyłaby za innymi sukcesami? To pytanie jest wciąż dyskutowane. W jednym sensie, Wieża nie była porażką. Notatki Tesli na temat wyników jego eksperymentów w Kolorado są pobieżne, ponieważ polegał on raczej na swojej pamięci niż na zapiskach. Jednakże, aby zbudować wieżę Pikes Peak, musiał udokumentować swoje plany, potrzebny sprzęt i patenty, o które się ubiegał, pozostawiając ślad dla przyszłych badaczy.
As to whether Tesla was correct in what he envisioned for a world incorporating wireless power transfer, there may still be time to tell. Obecnie trwają działania crowdfundingowe, których celem jest odtworzenie Wieży Tesli.
Podsumowanie
Tesla poszerzył wiedzę na temat elektryczności i dystrybucji energii w sposób, z którego korzystamy do dziś. Jego eksperymenty z silnikami indukcyjnymi, oświetleniem fluorescencyjnym i prądem zmiennym stanowią podstawę naszego krajobrazu technicznego.
Dzisiaj jego wizja bezprzewodowego zasilania jest realizowana tylko w niewielkim stopniu. Chociaż Wieża Tesli nigdy nie osiągnęła tego, na co liczył, dzięki temu, że udokumentował on swoje plany i patenty przygotowując Wieżę, jesteśmy w stanie zobaczyć jego wizję świata z dużą ilością energii.
.