Tesla’s Towers: Pikes Peak, Wardenclyffe, and Wireless Power Transmission
Zelfs een genie als Tesla kon niet ontsnappen aan de marktregels van product succes: Wees als eerste op de markt, bied een goede prijs, en versla de concurrentie.
Nikola Tesla werd mede beroemd door zijn uitvindingen voor bekabelde stroomdistributie. Hij wist dat succesvolle producten als eerste op de markt kwamen, voordelige diensten aanboden en voldoende financiering voor ontwikkeling nodig hadden. Hij overwon alle technische uitdagingen. Toch, klaar om een draadloos energiesysteem te leveren, bundelden krachten zich om zowel Tesla’s Toren als zijn droom om de wereld te voorzien van overvloedige energie in puin te laten liggen.
Wat ontdekte Tesla in zijn laboratorium op Pikes Peak, Colorado dat hem deed denken dat zijn ontwrichtende technologie zou werken? Laten we eens kijken.
Een zendmast
De Wardenclyffe toren, gebouwd in Shoreham, New York in de buurt van James Warden’s resort, Wardenclyffe-on-Sound, was oorspronkelijk niet bedoeld om te worden gebruikt voor draadloze energieoverdracht. Aanvankelijk was John Pierpont (J.P.) Morgan van plan de toren te gebruiken als onderdeel van een investering in een draadloos communicatiesysteem.
In die tijd zond Guglielmo Marconi de resultaten van zeilraces vanaf oceaanschepen door. Morgan dacht dat het overbrengen van uitslagen en nieuws van Amerika naar Londen de volgende stap zou zijn. Hij wilde een beter systeem dan dat van Marconi, en Tesla was blij met de steun van zo’n invloedrijk persoon.
Experimental Times
In 1899 experimenteerde Tesla in Colorado, terwijl Marconi actief draadloze radio demonstreerde in Engeland en Amerika. De krant New York Herald nodigde Marconi uit om verslag te doen van de internationale zeilrace America’s Cup die dat jaar in New York werd gehouden. Intussen was Tesla land en gratis stroom beloofd voor een experimenteel laboratorium in Pikes Peak, Colorado.
Toen Tesla naar Colorado verhuisde, was hij al een beroemdheid. Hij had met succes samengewerkt met George Westinghouse om de belofte van wisselstroom (AC) aan te tonen door stroom en verlichting te leveren voor de Wereldtentoonstelling van 1893 in Chicago. Ze werkten in 1896 opnieuw samen om een waterkrachtcentrale bij de Niagara Falls te bouwen.
Tesla’s meerfasige wisselstroom is de de facto stroomverdeling voor de bekabelde stroomsystemen die we vandaag de dag als vanzelfsprekend beschouwen. Tesla versloeg Thomas Edison en zijn gelijkstroomsysteem voor grootschalige stroomdistributie omdat de technologie efficiënter was.
Gebaseerd op Tesla’s patenten kon Westinghouse overvloedige elektrische energie leveren voor apparatuur, treinen en steden, waarmee de basis werd gelegd voor veel van onze huidige energie-infrastructuur.
Nicola Tesla in zijn Pikes Peak-laboratorium. Image courtesy of the Wellcome Library
Tesla and Wireless Power Transmission
Ondanks het succes dat hij had met stroomgeneratoren en distributiesystemen die hij mede had ontworpen, was Tesla geïnteresseerd in draadloze transmissie van elektrische energie. Om dit in perspectief te plaatsen, was het slechts 11 jaar eerder, in 1888, dat Heinrich Hertz de theorieën van James Clerk Maxwell had bevestigd, bekend als de Vergelijkingen van Maxwell.
Door zijn eigen experimenten te doen, vond Tesla in 1891 een elektrische resonerende transformator uit, bekend als de Tesla-spoel, of Tesla’s spoel. Tesla verwachtte dat zijn transformatoren ook stroom zouden kunnen leveren. Tesla verklaarde in zijn octrooiaanvraag voor een elektrische transformator in 1897 dat het eigenlijk een apparaat was voor de “transmissie van energie over lange afstanden”. Merk op dat als Tesla in zijn opzet zou slagen, de energiedistributie in de geschiedenis van de mensheid een totale revolutie zou hebben ondergaan.
Op Pikes Peak bood de combinatie van het weer (veel bliksemstormen), gratis stroom van de El Paso Power Company uit Colorado Springs, en financiering door John J. Astor verschafte Tesla de perfecte laboratoriumomgeving om zowel natuurlijke bliksem te observeren als “zijn eigen” te creëren met behulp van zijn transformatoren.
Tesla was in staat om te observeren hoe natuurlijke bliksem zich gedroeg en hoe deze in sommige gevallen over de grond reisde. Hij merkte op hoe de lucht daarna geladen bleef. Hij experimenteerde met zijn transformator, observeerde de bogen en hoe de ontladingen werden weerkaatst. Zelfs ontladingen van een kleine Tesla-spoel zouden fascinerend zijn geweest op Pikes Peak en Tesla deed geen kleine!
Tesla’s Colorado lab had een van de grootste spoelen ooit gebouwd. Elektrische ontladingen uit het lab waren mijlenver te zien. Er werd genoeg geadverteerd over Tesla’s experimenten dat J.P. Morgan, de financier die verantwoordelijk was voor de fusie waaruit General Electric ontstond, in Tesla’s bedrijf investeerde en de fondsen verschafte om Tesla terug te halen naar de oostkust en te beginnen met het werk aan de Wardenclyffe Tower.
Morgan had vanaf deze zet een aandeel in een bedrijf voor draadloze communicatie. Dit zou een aanvulling zijn op alle andere industrieën waarin hij op dat moment geïnvesteerd was. Op basis van Tesla’s reputatie en wat Tesla presenteerde, waren beide mannen er zeker van dat Tesla’s systeem dat van Marconi zou overtreffen. Morgan tekende in maart 1901 een contract met Tesla voor een draadloos communicatiesysteem.
Een voorbeeld van een modern experiment met Tesla-spoelen
Wardenclyffe Tower and Marconi’s Accomplishments
Tesla begon onmiddellijk met het werk aan het systeem, met het verwerven van land en het bouwen van de toren. Het ontwerp voorzag in een toren van 187 voet hoog die 300 voet in de aarde was ingegraven.
Toen, in december van dat jaar, verraste Marconi de wereld door de Morse-code letter ‘S’ over de Atlantische Oceaan uit te zenden. Met apparatuur die veel eenvoudiger was dan de enorme toren die Tesla aan het bouwen was, zond Marconi signalen uit over de oceaan.
Toen Marconi al revolutionaire stappen in draadloze communicatie claimde, realiseerde Tesla zich dat toekomstige investeerders niet geïnteresseerd zouden zijn in zijn draadloze communicatiesysteem als ze dezelfde dingen konden bereiken met de technologie van Marconi. Tesla vermoedde ook dat Marconi apparatuur gebruikte waar Tesla patenten op had, maar hij had geen geld om de zaak verder te onderzoeken.
Zonder Morgan te raadplegen, vergrootte Tesla het ontwerp van de toren en nam hij de energiedistributie op in de specificaties. Zijn doel was dat de toren een compleet systeem zou worden: een geïntegreerd stroom- en communicatieknooppunt.
Morgan was niet blij toen hij zich realiseerde dat (1) het communicatiesysteem waarin hij had geïnvesteerd niet werd gebouwd en (2) het herontworpen systeem veel meer zou gaan kosten. In een perfecte storm van onzekerheid raakte Morgan verstrikt in de economische Paniek van 1901, toen de aandelenmarkt in mei instortte. Vervolgens werd president McKinley in september van dat jaar vermoord. Binnen enkele maanden na het tekenen van Tesla’s contract, was het hele financiële landschap veranderd. Morgan weigerde Tesla’s verzoek om meer geld te investeren en de relatie tussen de twee mannen bleef niet vriendschappelijk.
Wat de relatie tussen Tesla en Marconi voorheen ook was geweest, deze werd twistziek toen Marconi (samen met Karl Ferdinand Braun) in 1909 de Nobelprijs voor Natuurkunde kreeg toegekend. Hun relatie veranderde in een conflict, vol patentengevechten en tegenclaims. De verlaten toren werd uiteindelijk in 1917 afgebroken en de bezittingen werden gebruikt om Tesla’s schulden te betalen.
Maar wat leerde Tesla in zijn laboratorium in Colorado dat hem ervan overtuigde dat hij Wardenclyffe draadloos van stroom kon voorzien?
Lessen van Pikes Peak
In Colorado had Tesla’s laboratorium een middelste mast van 2,5 meter hoog met een koperen bol erbovenop. Hoewel tamelijk massief, was hij toch kleiner dan de Wardenclyffe Tower.
Het transformatorgedeelte had een wikkeling met een diameter van meer dan 50 voet. Tesla kon grote elektrische bogen overbrengen en ook de omringende grond elektrificeren. Tesla’s observaties en experimenten leidden hem tot de volgende conclusie:
- De aarde werkt als een geleider. Door de aarde te elektrificeren, kan elektrische energie worden overgebracht. Dit schijnt de manier te zijn waarop Tesla elektrische gloeilampen kon laten branden die op enige afstand van de stroomgenerator op de grond waren geplaatst.
- Er zijn staande elektrische golven die achterblijven in het kielzog van een blikseminslag.
- De ionosfeer kan bepaalde elektrische golven weerkaatsen. Ze reizen niet noodzakelijkerwijs door de ionosfeer en blijven zich voortplanten.
- Het aardoppervlak en de ionosfeer vormen een kanaal waarin radiogolven met een zeer lage frequentie (in het bereik van 3 kHz tot 30 kHz) zich met minimaal verlies verplaatsen. Deze golven reizen voortdurend rond de aarde en weerkaatsen heen en weer tussen het aardoppervlak en de ionosfeer. Tesla suggereerde dat er een natuurlijke frequentie van 8 Hz was voor deze oscillaties.
Er was enige achtergrond voor Tesla’s ideeën. In 1872 hadden zowel Mahlon Loomis als William Henry Ward patenten aangevraagd op atmosferische elektriciteit en een atmosferische elektrische laag die signalen kon overbrengen.
Met deze kennis is het gemakkelijk te zien hoe Tesla zich een enorm elektrisch systeem kon voorstellen waarin de aarde en de ionosfeer mogelijkheden boden om huizen en bedrijven aan te sluiten op een universeel elektriciteitsnet. Met behulp van zijn transformator om enorme hoeveelheden elektriciteit te leveren, en met de aarde en de ionosfeer die als een geleidende laag fungeert, kon elk huis of gebouw met geschikte receptoren en aarding een tak worden die door het net werd gevoed.
Grafische weergave van Wardenclyffe Tower
Hoe deed Tesla het?
In zijn boek, Wireless Telegraphy, de vertaalde versie gepubliceerd in 1915, besprak Dr. Jonathan Zenneck het veld van elektromagnetische golven aan het aardoppervlak. Zenneck was geïnteresseerd in de vergelijkingen van Maxwell aan de grenzen van het aardoppervlak en vermeldt in het boek dat de Aarde geleidend is.
De Duitse fysicus Winfried Otto Schumann voorspelde dat er elektromagnetische staande golven bestonden in de holte tussen het aardoppervlak en de ionosfeer. In 1954 werd deze theorie bevestigd. Deze “Schumann-resonantie” bleek op te treden bij een fundamentele frequentie van 7,83 Hz. Vandaag de dag zijn radioamateurs afhankelijk van de weerkaatsing van de ionosfeer om over lange afstanden contact te kunnen maken.
Al deze ontdekkingen tonen aan dat Tesla’s inzicht in de verschijnselen die hij in zijn Pikes Peak Lab zag en onderzocht, zijn gevalideerd.
Zou zijn Toren zijn andere successen hebben gevolgd als het geld niet op was? Over die vraag wordt nog steeds gedebatteerd. In één opzicht was de Toren geen mislukking. Tesla’s aantekeningen over de resultaten van zijn experimenten in Colorado zijn summier, omdat hij meer op zijn geheugen vertrouwde dan op geschreven verslagen. Echter, om de Pikes Peak toren te bouwen, moest hij zijn plannen, de benodigde apparatuur en de patenten die hij aanvroeg documenteren, waardoor hij een spoor voor toekomstige onderzoekers achterliet.
Over de vraag of Tesla correct was in wat hij zich voorstelde voor een wereld met draadloze energie-overdracht, is er misschien nog tijd om te vertellen. Er zijn crowdfunding-inspanningen aan de gang met als doel Tesla’s toren opnieuw te creëren.
Samenvatting
Tesla heeft de kennis van elektriciteit en energiedistributie bevorderd op manieren waar we vandaag de dag nog steeds van profiteren. Zijn experimenten met inductiemotoren, fluorescerende verlichting en wisselstroom vormen de basis van ons technische landschap.
Heden ten dage wordt zijn visie van draadloze stroom slechts in geringe mate gerealiseerd. Hoewel Tesla’s toren nooit heeft bereikt wat hij hoopte, omdat hij zijn plannen en patenten ter voorbereiding op de toren documenteerde, zijn we in staat om zijn visie van een wereld met overvloedige energie te zien.