Turnurile lui Tesla: Pikes Peak, Wardenclyffe, and Wireless Power Transmission
Chiar și un geniu ca Tesla nu a putut scăpa de regulile de piață ale succesului unui produs: Să fii primul pe piață, să oferi o valoare bună și să fii cel mai bun concurent.
Nikola Tesla a devenit celebru în parte ca urmare a invențiilor sale pentru distribuția de energie prin cablu. El știa că produsele de succes erau primele pe piață, ofereau servicii economice și aveau nevoie de o finanțare adecvată pentru dezvoltare. El a cucerit toate provocările tehnice. Cu toate acestea, pe punctul de a livra un sistem de alimentare fără fir, forțele s-au combinat pentru a lăsa în ruină atât Turnul lui Tesla, cât și visul său de a aproviziona lumea cu energie din abundență.
Ce a descoperit Tesla în laboratorul său de la Pikes Peak, Colorado, care l-a făcut să creadă că tehnologia sa disruptivă va funcționa? Să aruncăm o privire.
Un turn de transmisie
Turnul Wardenclyffe, construit în Shoreham, New York, în apropiere de stațiunea lui James Warden, Wardenclyffe-on-Sound, nu a fost inițial menit să fie folosit pentru transferul de energie fără fir. Inițial, John Pierpont (J.P.) Morgan a intenționat să îl folosească ca parte a unei investiții într-un sistem de comunicații fără fir.
În acel moment, Guglielmo Marconi transmitea rezultatele curselor de yachting de pe pacheboturile oceanice. Morgan s-a gândit că transmiterea rezultatelor curselor și a știrilor din America către Londra ar fi următorul pas. El dorea un sistem mai bun decât cel al lui Marconi – și Tesla a fost fericit să aibă sprijinul unei persoane atât de influente.
Timpuri experimentale
În 1899, Tesla făcea experimente în Colorado, în timp ce Marconi făcea demonstrații active de radio fără fir în Anglia și America. Ziarul New York Herald l-a invitat pe Marconi să facă un reportaj despre cursa internațională de iahturi America’s Cup care se desfășura în acel an la New York. Între timp, lui Tesla i se promisese un teren și energie gratuită pentru un laborator experimental în Pikes Peak, Colorado.
Când Tesla s-a mutat în Colorado, era deja o celebritate. El colaborase cu succes cu George Westinghouse pentru a arăta promisiunea curentului alternativ (AC), furnizând energie și iluminat pentru Expoziția Columbiană Mondială din 1893 din Chicago. Ei au făcut din nou echipă în 1896 pentru a furniza o centrală hidroelectrică la Cascada Niagara.
Curentul alternativ polifazat al lui Tesla este distribuția de facto a energiei electrice pentru sistemele de alimentare prin cablu pe care le luăm de la sine înțeles astăzi. Tesla l-a devansat pe Thomas Edison și sistemul său de curent continuu (DC) pentru distribuția de energie la scară largă, deoarece tehnologia era mai eficientă.
Sprijinindu-se pe brevetele lui Tesla, Westinghouse a reușit să furnizeze energie electrică din abundență pentru echipamente, trenuri și orașe, punând bazele pentru o mare parte din infrastructura noastră energetică de astăzi.
Nicola Tesla în laboratorul său Pikes Peak Iaboratory. Pentru imagine, mulțumim Wellcome Library
Tesla și transmisia de energie electrică fără fir
În ciuda succesului pe care l-a avut cu generatoarele de energie și sistemele de distribuție la proiectarea cărora a contribuit, Tesla era interesat de transmisia de energie electrică fără fir. Punând acest lucru în perspectivă, cu doar 11 ani mai devreme, în 1888, Heinrich Hertz confirmase teoriile lui James Clerk Maxwell, cunoscute sub numele de Ecuațiile lui Maxwell.
Făcând propriile experimente, Tesla a inventat un transformator electric de rezonanță în 1891, cunoscut sub numele de bobina Tesla, sau bobina lui Tesla. Tesla se aștepta ca transformatoarele sale să poată furniza, de asemenea, energie electrică. Tesla a declarat în cererea sa de brevet pentru un transformator electric în 1897 că acesta era de fapt un dispozitiv pentru „transmiterea energiei pe distanțe mari”. Rețineți că, dacă Tesla reușea în efortul său, distribuția de energie ar fi fost total revoluționată în istoria omenirii.
La Pikes Peak, combinația dintre vreme (multe furtuni cu fulgere), energia gratuită de la El Paso Power Company din Colorado Springs și finanțarea de la John J. Astor i-au oferit lui Tesla un cadru de laborator perfect atât pentru a observa fulgerele naturale, cât și pentru a le crea pe „ale sale” folosind transformatoarele sale.
Tesla a putut observa cum acționează fulgerele naturale și cum se deplasează peste sol în unele cazuri. El a observat cum aerul a rămas încărcat după aceea. El a experimentat cu transformatorul său, observând arcurile electrice și modul în care descărcările erau reflectate. Chiar și descărcările de la o mică bobină Tesla ar fi fost fascinante la Pikes Peak și Tesla nu a făcut una mică!
Laboratorul lui Tesla din Colorado avea una dintre cele mai mari bobine construite vreodată. Descărcările electrice din laborator puteau fi văzute de la kilometri distanță. S-a făcut suficientă publicitate despre experimentele lui Tesla încât J.P. Morgan, finanțatorul responsabil de fuziunea care a format General Electric, a investit în compania lui Tesla, furnizând fondurile necesare pentru a-l aduce pe Tesla înapoi pe Coasta de Est și pentru a începe lucrările la Turnul Wardenclyffe.
De la această mișcare, Morgan avea o participație într-o companie de comunicații fără fir. Aceasta urma să completeze toate celelalte industrii în care investea la acel moment. Bazându-se pe reputația lui Tesla și pe ceea ce Tesla a prezentat, ambii bărbați erau siguri că sistemul lui Tesla va fi mai performant decât cel al lui Marconi. Morgan a semnat un contract cu Tesla în martie 1901 pentru un sistem de comunicații fără fir.
Un exemplu de experiment modern cu o bobină Tesla
Turnul Wardenclyffe și realizările lui Marconi
Tesla a început imediat să lucreze la sistem, achiziționând terenuri și construind turnul. Proiectul prevedea un turn care avea o înălțime de 187 de picioare și era înfipt în pământ la 300 de picioare.
Apoi, în luna decembrie a aceluiași an, Marconi a surprins lumea prin transmiterea literei „S” în cod Morse peste Oceanul Atlantic. Cu un echipament mult mai simplu decât uriașul turn pe care îl construia Tesla, Marconi transmitea semnale peste ocean.
Cum Marconi pretindea deja că a făcut progrese revoluționare în comunicațiile fără fir, Tesla și-a dat seama că viitorii investitori nu vor fi interesați de sistemul său de comunicații fără fir dacă vor putea realiza aceleași lucruri cu tehnologia lui Marconi. De asemenea, Tesla a suspectat că Marconi folosea echipamente pentru care Tesla deținea brevete, dar nu avea bani pentru a urmări această problemă.
Fără să se consulte cu Morgan, Tesla a mărit proiectul turnului și a inclus distribuția de energie în specificații. Scopul său era ca turnul să devină un sistem complet: un centru integrat de energie și comunicații.
Morgan nu a fost mulțumit când a realizat că (1) sistemul de comunicații în care a investit nu era construit și (2) sistemul reproiectat va costa mult mai mult. Într-o furtună perfectă de incertitudine, Morgan a fost prins în Panica economică din 1901, cu prăbușirea pieței bursiere în luna mai. Apoi, președintele McKinley a fost asasinat în luna septembrie a aceluiași an. La câteva luni de la semnarea contractului lui Tesla, întregul peisaj financiar s-a schimbat. Morgan a refuzat cererea lui Tesla de a investi mai mulți bani, iar relația dintre cei doi oameni nu a continuat pe cale amiabilă.
Cu toate că relațiile dintre Tesla și Marconi fuseseră anterior, acestea au devenit litigioase atunci când Marconi (împreună cu Karl Ferdinand Braun) a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1909. Relația lor s-a transformat apoi într-una de litigii, plină de bătălii pentru brevete și contrareclamații. Turnul abandonat a fost în cele din urmă dărâmat în 1917 și toate bunurile au fost folosite pentru a plăti datoriile lui Tesla.
Dar ce a învățat Tesla în laboratorul său din Colorado care l-a făcut să fie convins că poate furniza energie electrică fără fir la Wardenclyffe?
Lecții de la Pikes Peak
În Colorado, laboratorul lui Tesla avea un catarg central – înalt de 42 de picioare – cu o sferă de cupru în vârf. Deși era destul de masiv, era totuși mai mic decât Turnul Wardenclyffe.
Partea transformatorului avea o înfășurare descrisă ca având un diametru de peste 15 metri. Tesla putea să transmită arcuri electrice mari, precum și să electrizeze pământul din jur. Observațiile și experimentele lui Tesla l-au condus la următoarele concluzii:
- Pământul acționează ca un conductor. Electrificarea Pământului oferă un mijloc de transmitere a energiei electrice. Acesta pare să fie modul în care Tesla a reușit să aprindă becuri electrice plasate pe pământ la o anumită distanță de generatorul de energie.
- Există unde electrice staționare lăsate în urma unui fulger.
- Ionosfera poate reflecta anumite unde electrice. Acestea nu traversează neapărat ionosfera și nu continuă să se propage.
- Suprafața Pământului și ionosfera formează un canal prin care undele radio de frecvență foarte joasă (în intervalul 3 kHz – 30 kHz) călătoresc cu pierderi minime. Aceste unde se deplasează continuu în jurul Pământului, reflectându-se înainte și înapoi între suprafața Pământului și ionosferă. Tesla a sugerat că există o frecvență naturală de 8 Hz pentru aceste oscilații.
Existau unele antecedente pentru ideile lui Tesla. În 1872, atât Mahlon Loomis, cât și William Henry Ward au depus cereri de brevete care menționau electricitatea atmosferică și un strat electric atmosferic care ar putea transporta semnale.
Cu aceste cunoștințe, este ușor de înțeles cum Tesla a putut imagina un sistem electric uriaș în care Pământul și ionosfera ofereau potențial pentru ca locuințele și întreprinderile să se conecteze la o rețea universală de electricitate. Folosind transformatorul său pentru a furniza cantități masive de electricitate și cu Pământul și ionosfera acționând ca un strat conductor, orice reședință sau clădire cu receptori și împământare adecvată ar putea deveni o ramură alimentată de rețea.
Reprezentare grafică a Turnului Wardenclyffe
Cum s-a descurcat Tesla?
În cartea sa, Wireless Telegraphy, versiunea tradusă publicată în 1915, Dr. Jonathan Zenneck a discutat despre câmpul undelor electromagnetice la suprafața Pământului. Zenneck era interesat de ecuațiile lui Maxwell la limitele suprafeței și menționează în carte că Pământul este conductiv.
Fizicianul german Winfried Otto Schumann a prezis că în cavitatea dintre suprafața Pământului și ionosferă existau unde staționare electromagnetice. În 1954, această teorie a fost confirmată. S-a constatat că această „rezonanță Schumann” apare la o frecvență fundamentală de 7,83 Hz. Astăzi, operatorii de radioamatorism depind de reflexia ionosferei pentru a stabili contactul pe distanțe lungi.
Toate aceste descoperiri arată că înțelegerea lui Tesla a fenomenelor la care a fost martor și pe care le-a explorat în laboratorul său de la Pikes Peak au fost validate.
Ar fi urmat oare Turnul său celorlalte succese ale sale dacă nu s-ar fi terminat banii? Această întrebare este încă dezbătută. Într-un sens, Turnul nu a fost un eșec. Notele lui Tesla cu privire la rezultatele experimentelor sale din Colorado sunt sumare, deoarece s-a bazat mai degrabă pe memoria sa decât pe înregistrări scrise. Cu toate acestea, pentru a construi turnul de la Pikes Peak, el a trebuit să își documenteze planurile, echipamentele necesare și brevetele pe care le-a solicitat, lăsând o urmă pentru viitorii cercetători.
În ceea ce privește dacă Tesla a avut dreptate în ceea ce și-a imaginat pentru o lume care să încorporeze transferul de energie fără fir, s-ar putea să mai fie încă timp pentru a afla. Sunt în curs de desfășurare eforturi de crowdfunding cu scopul de a recrea Turnul lui Tesla.
Rezumat
Tesla a avansat cunoștințele despre electricitate și distribuția energiei în moduri de care beneficiem și astăzi. Experimentele sale cu motoarele cu inducție, iluminatul fluorescent și curentul alternativ formează baza peisajului nostru tehnic.
Astăzi, viziunea sa privind energia fără fir este realizată doar într-o mică măsură. Deși Turnul lui Tesla nu a realizat niciodată ceea ce a sperat, pentru că și-a documentat planurile și brevetele în pregătirea Turnului, suntem capabili să vedem viziunea sa despre o lume cu energie abundentă.
.