Les tours de Tesla : Pikes Peak, Wardenclyffe, et la transmission d’énergie sans fil
Même un génie comme Tesla ne pouvait pas échapper aux règles du marché pour le succès d’un produit : Soyez le premier à commercialiser, offrez une bonne valeur et surpassez la concurrence.
Nikola Tesla est devenu célèbre en partie grâce à ses inventions pour la distribution d’énergie par câble. Il savait que les produits réussis étaient les premiers sur le marché, offraient des services économiques et avaient besoin d’un financement adéquat pour leur développement. Il a relevé tous les défis techniques. Pourtant, prêt à livrer un système d’alimentation sans fil, des forces se sont combinées pour laisser à la fois la tour de Tesla et son rêve de fournir au monde une énergie abondante en ruines.
Qu’a découvert Tesla dans son laboratoire de Pikes Peak, au Colorado, qui lui a fait penser que sa technologie perturbatrice fonctionnerait ? Jetons un coup d’œil.
Une tour de transmission
La tour Wardenclyffe, construite à Shoreham, dans l’État de New York, près de la station balnéaire de James Warden, Wardenclyffe-on-Sound, n’était pas initialement destinée à être utilisée pour le transfert d’énergie sans fil. Au départ, John Pierpont (J.P.) Morgan avait l’intention de l’utiliser dans le cadre d’un investissement dans un système de communication sans fil.
À l’époque, Guglielmo Marconi transmettait les résultats des courses de yachting depuis les paquebots. Morgan pensait qu’avoir des résultats de course et des nouvelles transmises d’Amérique à Londres serait l’étape suivante. Il voulait un meilleur système que celui de Marconi – et Tesla était heureux d’avoir le soutien d’une personne aussi influente.
Temps d’expérimentation
En 1899, Tesla faisait des expériences dans le Colorado tandis que Marconi faisait activement la démonstration de la radio sans fil en Angleterre et en Amérique. Le journal New York Herald invite Marconi à faire un reportage sur la course internationale de yachts America’s Cup qui se déroule à New York cette année-là. Pendant ce temps, Tesla s’était vu promettre un terrain et de l’énergie gratuite pour un laboratoire expérimental à Pikes Peak, dans le Colorado.
Lorsque Tesla s’est installé dans le Colorado, il était déjà une célébrité. Il avait collaboré avec succès avec George Westinghouse pour montrer la promesse du courant alternatif (CA) en fournissant de l’énergie et de l’éclairage pour l’Exposition universelle de 1893 à Chicago. Ils ont fait à nouveau équipe en 1896 pour fournir une centrale hydroélectrique aux chutes du Niagara.
Le courant alternatif polyphasé de Tesla est la distribution d’énergie de facto pour les systèmes d’alimentation câblés que nous prenons pour acquis aujourd’hui. Tesla a battu Thomas Edison et son système de courant continu (CC) pour la distribution d’énergie à grande échelle parce que la technologie était plus efficace.
En s’appuyant sur les brevets de Tesla, Westinghouse a pu fournir de l’énergie électrique en abondance pour les équipements, les trains et les villes, jetant les bases d’une grande partie de notre infrastructure électrique d’aujourd’hui.
Nicola Tesla dans son laboratoire Pikes Peak Iaboratory. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la Wellcome Library
Tesla et la transmission d’énergie sans fil
Malgré le succès qu’il avait trouvé avec les générateurs d’énergie et les systèmes de distribution qu’il a contribué à concevoir, Tesla s’est intéressé à la transmission d’énergie électrique sans fil. Pour mettre cela en perspective, ce n’est que 11 ans plus tôt, en 1888, que Heinrich Hertz avait confirmé les théories de James Clerk Maxwell connues sous le nom d’équations de Maxwell.
Faisant ses propres expériences, Tesla a inventé un transformateur électrique résonnant en 1891, connu sous le nom de bobine de Tesla, ou bobine de Tesla. Tesla s’attendait à ce que ses transformateurs puissent également fournir de l’énergie. Dans sa demande de brevet pour un transformateur électrique en 1897, Tesla a déclaré qu’il s’agissait en fait d’un dispositif pour la « transmission d’énergie sur de longues distances ». Notez que si Tesla réussissait dans son entreprise, la distribution d’énergie aurait été totalement révolutionnée dans l’histoire de l’humanité.
A Pikes Peak, la combinaison de la météo (beaucoup d’orages), de l’énergie gratuite de la compagnie El Paso Power de Colorado Springs, et du financement de John J. Astor a fourni à Tesla le cadre de laboratoire parfait pour à la fois observer la foudre naturelle et créer « la sienne » en utilisant ses transformateurs.
Tesla a pu observer comment la foudre naturelle agissait et comment elle se déplaçait sur le sol dans certains cas. Il a noté comment l’air restait chargé par la suite. Il a fait des expériences avec son transformateur, observant les arcs et la façon dont les décharges étaient réfléchies. Même les décharges d’une petite bobine Tesla auraient été fascinantes à Pikes Peak et Tesla n’en a pas fait une petite !
Le laboratoire de Tesla au Colorado avait l’une des plus grandes bobines jamais construites. Les décharges électriques du laboratoire pouvaient être vues à des kilomètres. On a fait suffisamment de publicité sur les expériences de Tesla pour que J.P. Morgan, le financier responsable de la fusion qui a formé General Electric, investisse dans la société de Tesla, fournissant les fonds pour ramener Tesla sur la côte Est et commencer à travailler sur la tour Wardenclyffe.
Dès ce déménagement, Morgan avait une participation dans une société de communication sans fil. Cela viendrait compléter toutes les autres industries dans lesquelles il était investi à l’époque. Sur la base de la réputation de Tesla et de ce que Tesla présentait, les deux hommes étaient sûrs que le système de Tesla surpasserait celui de Marconi. Morgan a signé un contrat avec Tesla en mars 1901 pour un système de communication sans fil.
Un exemple d’une expérience moderne de bobine Tesla
La tour de Wardenclyffe et les réalisations de Marconi
Tesla a immédiatement commencé à travailler sur le système, à acquérir des terrains et à construire la tour. La conception prévoyait une tour qui mesurait 187 pieds de haut et s’enfonçait dans la terre à 300 pieds.
Puis, en décembre de la même année, Marconi a surpris le monde en transmettant la lettre » S » en code Morse à travers l’océan Atlantique. Avec un équipement beaucoup plus simple que l’énorme tour que Tesla construisait, Marconi transmettait des signaux à travers l’océan.
Alors que Marconi revendiquait déjà des avancées révolutionnaires dans la communication sans fil, Tesla s’est rendu compte que les futurs investisseurs ne seraient pas intéressés par son système de communication sans fil s’ils pouvaient accomplir les mêmes choses avec la technologie de Marconi. Tesla soupçonnait également que Marconi utilisait des équipements dont Tesla détenait les brevets, mais il n’avait pas d’argent pour poursuivre l’affaire.
Sans consulter Morgan, Tesla a augmenté l’échelle de la conception de la tour et a inclus la distribution d’énergie dans les spécifications. Son objectif était que la tour devienne un système complet : un centre d’alimentation et de communication intégré.
Morgan n’était pas heureux quand il a réalisé que (1) le système de communication dans lequel il avait investi n’était pas construit et (2) que le système repensé coûterait beaucoup plus cher. Dans une tempête parfaite d’incertitude, Morgan a été pris dans la panique économique de 1901 avec le marché boursier s’effondrant en mai. Puis, le président McKinley a été assassiné en septembre de la même année. Quelques mois après la signature du contrat de Tesla, tout le paysage financier avait changé. Morgan a refusé la demande de Tesla d’investir plus d’argent et la relation entre les deux hommes n’a pas continué amicalement.
Quelle que soit la relation entre Tesla et Marconi auparavant, elle est devenue litigieuse lorsque Marconi (avec Karl Ferdinand Braun) a reçu le prix Nobel de physique en 1909. Leurs relations se transforment alors en litiges, avec des batailles de brevets et des demandes reconventionnelles. La tour abandonnée a finalement été démolie en 1917 et tous les actifs ont été utilisés pour payer les dettes de Tesla.
Mais qu’a appris Tesla dans son laboratoire du Colorado qui l’a convaincu qu’il pouvait fournir de l’énergie sans fil à Wardenclyffe ?
Les leçons de Pikes Peak
Dans le Colorado, le laboratoire de Tesla avait un mât central-142 pieds de haut-avec une sphère en cuivre au sommet. Bien qu’assez massif, il était encore plus petit que la tour Wardenclyffe.
La partie transformateur avait un enroulement décrit comme faisant plus de 50 pieds de diamètre. Tesla pouvait transmettre de grands arcs électriques ainsi qu’électrifier le sol environnant. Les observations et les expériences de Tesla l’ont amené à conclure ce qui suit :
- La Terre agit comme un conducteur. L’électrification de la Terre fournit un moyen de transmettre l’énergie électrique. Cela semble être la façon dont Tesla a pu allumer des ampoules électriques placées sur le sol à une certaine distance du générateur d’électricité.
- Il y a des ondes électriques stationnaires laissées dans le sillage d’un coup de foudre.
- L’ionosphère peut réfléchir certaines ondes électriques. Elles ne traversent pas nécessairement l’ionosphère et continuent à se propager.
- La surface de la Terre et l’ionosphère forment un canal où les ondes radio de très basse fréquence (dans la gamme de 3 kHz à 30 kHz) voyagent avec une perte minimale. Ces ondes voyagent continuellement autour de la Terre, se reflétant dans les deux sens entre la surface de la Terre et l’ionosphère. Tesla a suggéré qu’il y avait une fréquence naturelle de 8 Hz à ces oscillations.
Il y avait un certain contexte pour les idées de Tesla. En 1872, Mahlon Loomis et William Henry Ward avaient tous deux déposé des brevets mentionnant l’électricité atmosphérique et une couche électrique atmosphérique pouvant transporter des signaux.
Avec ces connaissances, il est facile de voir comment Tesla pouvait envisager un énorme système électrique où la Terre et l’ionosphère offraient un potentiel pour que les foyers et les entreprises puissent puiser dans un réseau universel d’électricité. En utilisant son transformateur pour fournir des quantités massives d’électricité, et avec la Terre et l’ionosphère agissant comme une couche conductrice, toute résidence ou bâtiment avec des récepteurs et une mise à la terre appropriés pourrait devenir une branche alimentée par le réseau.
Représentation graphique de la tour Wardenclyffe
Comment Tesla a-t-il fait ?
Dans son livre, Wireless Telegraphy, la version traduite publiée en 1915, le Dr Jonathan Zenneck a discuté du champ des ondes électromagnétiques à la surface de la Terre. Zenneck s’intéressait aux équations de Maxwell aux frontières de la surface et mentionne dans le livre que la Terre est conductrice.
Le physicien allemand Winfried Otto Schumann a prédit que des ondes stationnaires électromagnétiques existaient dans la cavité entre la surface de la Terre et l’ionosphère. En 1954, cette théorie a été confirmée. On a découvert que cette « résonance de Schumann » se produisait à une fréquence fondamentale de 7,83 Hz. Aujourd’hui, les opérateurs de radio amateur dépendent de la réflexion de l’ionosphère pour établir des contacts sur de longues distances.
Toutes ces découvertes montrent que la compréhension de Tesla des phénomènes dont il a été témoin et qu’il a explorés dans son laboratoire de Pikes Peak ont été validées.
Sa tour aurait-elle suivi ses autres succès si l’argent n’avait pas manqué ? Cette question fait encore l’objet de débats. Dans un sens, la Tour n’a pas été un échec. Les notes de Tesla sur les résultats de ses expériences au Colorado sont sommaires car il se fiait à sa mémoire plutôt qu’à des documents écrits. Cependant, pour construire la tour de Pikes Peak, il a dû documenter ses plans, l’équipement nécessaire et les brevets qu’il a demandés, laissant une trace pour les futurs chercheurs.
Sur la question de savoir si Tesla avait raison dans ce qu’il envisageait pour un monde intégrant le transfert d’énergie sans fil, il est peut-être encore temps de le dire. Des efforts de crowdfunding sont en cours dans le but de recréer la tour de Tesla.
Résumé
Tesla a fait progresser la connaissance de l’électricité et de la distribution d’énergie de manières dont nous bénéficions encore aujourd’hui. Ses expériences sur les moteurs à induction, l’éclairage fluorescent et l’alimentation en courant alternatif constituent la base de notre paysage technique.
Aujourd’hui, sa vision de l’alimentation sans fil n’est réalisée que de manière modeste. Bien que la Tour de Tesla n’ait jamais accompli ce qu’il espérait, parce qu’il a documenté ses plans et ses brevets en préparation de la Tour, nous sommes en mesure de voir sa vision d’un monde avec une énergie abondante.