Teslas torn: Pikes Peak, Wardenclyffe och trådlös kraftöverföring
Även ett geni som Tesla kunde inte undgå marknadens regler för produktframgång: Var först på marknaden, erbjud ett bra pris och var bäst på konkurrenterna.
Nikola Tesla blev berömd delvis som ett resultat av sina uppfinningar för trådbunden kraftdistribution. Han visste att framgångsrika produkter var först på marknaden, tillhandahöll ekonomiska tjänster och behövde tillräcklig finansiering för utveckling. Han övervann alla tekniska utmaningar. Men när han var redo att leverera ett trådlöst kraftsystem samverkade krafter för att lämna både Teslas torn och hans dröm om att förse världen med riklig kraft i ruiner.
Vad upptäckte Tesla i sitt laboratorium vid Pikes Peak i Colorado som fick honom att tro att hans omvälvande teknik skulle fungera? Låt oss ta en titt.
Ett transmissionstorn
The Wardenclyffe Tower, som byggdes i Shoreham, New York nära James Wardens semesterort, Wardenclyffe-on-Sound, var ursprungligen inte tänkt att användas för trådlös kraftöverföring. Ursprungligen hade John Pierpont (J.P.) Morgan för avsikt att använda det som en del av en investering i ett trådlöst kommunikationssystem.
På den tiden överförde Guglielmo Marconi resultat från segeltävlingar från oceanliners. Morgan ansåg att nästa steg skulle vara att överföra tävlingsresultat och nyheter från Amerika till London. Han ville ha ett bättre system än Marconis – och Tesla var glad över att få stöd av en så inflytelserik person.
Experimentella tider
Under 1899 experimenterade Tesla i Colorado medan Marconi aktivt demonstrerade trådlös radio i England och Amerika. Tidningen New York Herald bjöd in Marconi för att rapportera om den internationella jakttävlingen America’s Cup som hölls i New York det året. Under tiden hade Tesla blivit lovad mark och gratis ström för ett experimentlaboratorium i Pikes Peak, Colorado.
När Tesla flyttade till Colorado var han redan en kändis. Han hade framgångsrikt samarbetat med George Westinghouse för att visa vad växelström (AC) lovade genom att tillhandahålla kraft och belysning till 1893 års världsutställning World’s Columbian Exposition i Chicago. De samarbetade igen 1896 för att tillhandahålla ett vattenkraftverk vid Niagarafallen.
Teslas flerfasiga växelström är den de facto kraftdistributionen för de trådbundna kraftsystem som vi tar för givet idag. Tesla slog ut Thomas Edison och hans likströmsystem (DC) för storskalig kraftdistribution eftersom tekniken var effektivare.
Med hjälp av Teslas patent kunde Westinghouse leverera rikligt med elkraft till utrustning, tåg och städer, vilket lade grunden för en stor del av vår kraftinfrastruktur i dag.
Nicola Tesla i sitt Pikes Peak Iaboratory. Image courtesy of the Wellcome Library
Tesla och trådlös kraftöverföring
Trots de framgångar han hade haft med kraftgeneratorer och distributionssystem som han var med och konstruerade var Tesla intresserad av trådlös elektrisk kraftöverföring. För att sätta detta i perspektiv var det bara 11 år tidigare, 1888, som Heinrich Hertz hade bekräftat James Clerk Maxwells teorier kända som Maxwells ekvationer.
I samband med egna experiment uppfann Tesla 1891 en elektrisk resonanstransformator, känd som Teslas spole, eller Teslas spole. Tesla förväntade sig att hans transformatorer även skulle kunna leverera ström. Tesla uppgav i sin patentansökan för en elektrisk transformator 1897 att den egentligen var en anordning för ”överföring av energi över långa avstånd”. Observera att om Tesla lyckades med sitt försök skulle eldistributionen ha revolutionerats totalt i mänsklighetens historia.
På Pikes Peak var kombinationen av vädret (många åskväder), gratis el från El Paso Power Company i Colorado Springs och finansiering från John J. Astor gav Tesla den perfekta laboratoriemiljön för att både observera naturliga blixtar och skapa ”sina egna” med hjälp av sina transformatorer.
Tesla kunde observera hur naturliga blixtar agerade och hur de i vissa fall färdades över marken. Han noterade hur luften förblev laddad efteråt. Han experimenterade med sin transformator och observerade bågarna och hur urladdningarna reflekterades. Även urladdningar från en liten Teslaspole skulle ha varit fascinerande på Pikes Peak och Tesla gjorde inte en liten sådan!
Teslas labb i Colorado hade en av de största spolarna som någonsin byggts. Elektriska urladdningar från labbet kunde ses på flera mils avstånd. Man annonserade tillräckligt mycket om Teslas experiment för att J.P. Morgan, finansmannen som var ansvarig för fusionen som bildade General Electric, investerade i Teslas företag och tillhandahöll medel för att få Tesla tillbaka till östkusten och påbörja arbetet med Wardenclyffe Tower.
I samband med denna åtgärd hade Morgan en andel i ett företag för trådlös kommunikation. Detta skulle komplettera alla de andra branscher han investerade i vid denna tidpunkt. Baserat på Teslas rykte och vad Tesla presenterade var båda männen säkra på att Teslas system skulle överträffa Marconis. Morgan undertecknade ett kontrakt med Tesla i mars 1901 om ett trådlöst kommunikationssystem.
Ett exempel på ett modernt Tesla-spolexperiment
Wardenclyffe Tower and Marconi’s Accomplishments
Tesla påbörjade omedelbart arbetet med systemet, förvärvade mark och byggde tornet. Enligt planerna skulle tornet vara 187 fot högt och jordat 300 fot ner i jorden.
Då, i december samma år, överraskade Marconi världen genom att sända morsealfabetet ”S” över Atlanten. Med utrustning som var mycket enklare än det enorma torn som Tesla höll på att bygga, sände Marconi signaler över havet.
Med tanke på att Marconi redan hävdade revolutionerande framsteg inom trådlös kommunikation, insåg Tesla att framtida investerare inte skulle vara intresserade av hans trådlösa kommunikationssystem om de kunde åstadkomma samma saker med Marconis teknik. Tesla misstänkte också att Marconi använde utrustning som Tesla hade patent på, men han hade inga pengar för att gå vidare med saken.
Och utan att rådgöra med Morgan skalade Tesla upp tornkonstruktionen och inkluderade kraftdistribution i specifikationerna. Hans mål var att tornet skulle bli ett komplett system: en integrerad kraft- och kommunikationshubb.
Morgan blev inte glad när han insåg att (1) det kommunikationssystem han investerat i inte skulle byggas och (2) att det omkonstruerade systemet skulle kosta mycket mer. I en perfekt storm av osäkerhet hamnade Morgan i den ekonomiska paniken 1901 då aktiemarknaden kraschade i maj. Sedan mördades president McKinley i september samma år. Inom några månader efter det att Tesla hade undertecknat kontraktet hade hela det finansiella landskapet förändrats. Morgan avvisade Teslas begäran om att investera mer pengar och relationen mellan de två männen fortsatte inte i godo.
Hur relationen mellan Tesla och Marconi än hade varit tidigare blev den omstridd när Marconi (tillsammans med Karl Ferdinand Braun) tilldelades Nobelpriset i fysik 1909. Deras förhållande utvecklades då till ett förhållande mellan processande parter, fyllt av patentstrider och motkrav. Det övergivna tornet revs slutligen 1917 och alla tillgångar användes för att betala Teslas skulder.
Men vad lärde sig Tesla i sitt laboratorium i Colorado som fick honom att bli övertygad om att han kunde leverera ström trådlöst till Wardenclyffe?
Lärdomar från Pikes Peak
I Colorado hade Teslas laboratorium en central mast – 142 fot hög – med en kopparsfär på toppen. Även om den var ganska massiv var den fortfarande mindre än Wardenclyffe-tornet.
Transformatordelen hade en lindning som beskrevs som över 15 meter i diameter. Tesla kunde överföra stora elektriska bågar samt elektrifiera den omgivande marken. Teslas observationer och experiment fick honom att dra följande slutsatser:
- Jorden fungerar som en ledare. Att elektrifiera jorden ger ett sätt att överföra elektrisk energi. Det verkar vara på detta sätt som Tesla kunde tända glödlampor som var placerade på marken på ett visst avstånd från kraftgeneratorn.
- Det finns stående elektriska vågor som lämnas kvar i kölvattnet efter ett blixtnedslag.
- Ionosfären kan reflektera vissa elektriska vågor. De behöver inte nödvändigtvis resa genom jonosfären och fortsätta att sprida sig.
- Jordytan och jonosfären bildar en kanal där mycket lågfrekventa radiovågor (i intervallet 3 kHz till 30 kHz) färdas med minimal förlust. Dessa vågor färdas kontinuerligt runt jorden och reflekteras fram och tillbaka mellan jordytan och jonosfären. Tesla föreslog att det fanns en naturlig frekvens på 8 Hz för dessa svängningar.
Det fanns en viss bakgrund till Teslas idéer. År 1872 hade både Mahlon Loomis och William Henry Ward ansökt om patent som nämnde atmosfärisk elektricitet och ett elektriskt lager i atmosfären som kunde bära signaler.
Med denna kunskap är det lätt att förstå hur Tesla kunde föreställa sig ett enormt elektriskt system där jorden och jonosfären erbjöd potential för hem och företag att koppla sig till ett universellt nät för elektricitet. Genom att använda sin transformator för att leverera enorma mängder elektricitet, och med jorden och jonosfären som ett ledande skikt, kunde alla bostäder och byggnader med lämpliga mottagare och jordning bli en filial som matades av nätet.
Grafisk representation av Wardenclyffe Tower
Hur gjorde Tesla?
I sin bok Wireless Telegraphy, den översatta versionen som publicerades 1915, diskuterade Dr. Jonathan Zenneck fältet av elektromagnetiska vågor vid jordytan. Zenneck var intresserad av Maxwells ekvationer vid ytgränser och nämner i boken att jorden är ledande.
Den tyske fysikern Winfried Otto Schumann förutspådde att det fanns elektromagnetiska stående vågor i hålrummet mellan jordytan och jonosfären. År 1954 bekräftades denna teori. Denna ”Schumann-resonans” visade sig uppstå vid en grundfrekvens på 7,83 Hz. Idag är radioamatörer beroende av jonosfärens reflektion för att få kontakt över långa avstånd.
Alla dessa upptäckter visar att Teslas förståelse av de fenomen som han bevittnade och utforskade i sitt Pikes Peak Lab har bekräftats.
Hade hans Tower följt hans andra framgångar om pengarna inte hade tagit slut? Den frågan diskuteras fortfarande. På ett sätt var tornet inte ett misslyckande. Teslas anteckningar om resultaten av sina Coloradoexperiment är skissartade eftersom han förlitade sig på sitt minne snarare än på skriftliga dokument. Men för att bygga Pikes Peak-tornet var han tvungen att dokumentera sina planer, den utrustning som behövdes och de patent han ansökte om, vilket lämnade ett spår för framtida forskare.
Om Tesla hade rätt i vad han föreställde sig för en värld som införlivar trådlös kraftöverföring, finns det kanske fortfarande tid att avgöra. Crowdfunding-insatser pågår med målet att återskapa Teslas torn.
Sammanfattning
Tesla utvecklade kunskapen om elektricitet och kraftdistribution på ett sätt som vi fortfarande drar nytta av idag. Hans experiment med induktionsmotorer, lysrörsbelysning och växelström utgör grunden för vårt tekniska landskap.
I dag förverkligas hans vision om trådlös ström endast i liten utsträckning. Även om Teslas torn aldrig uppnådde vad han hoppades på, kan vi tack vare att han dokumenterade sina planer och patent inför tornet se hans vision om en värld med rikligt med ström.