[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Nikola Tesla

– człowiek, wynalazca, wizjoner

październik-listopad 2007 43

Podstawowa wiedza o elektryczności, nabyta w szkole

realnej, oraz poznana z książek potęga wodospadu Niagara,

podsunęła młodemu gimnazjaliście ideę przetworzenia

energii tego gigantycznego wodospadu na elektryczność

i udostępnienia jej ludziom.

Studia techniczne N.Tesla podjął w 1875 r. na wydziale

Chemiczno-Technologicznym w Instytucie Politechnicznym

w Graz. Decydującym o jego dalszych losach był

udział w doświadczeniach z generatorem prądu stałego,

opartym na wynalazku Z.Gramme z 1871 r., prowadzonych

na uczelni na początku 1877 r. Obserwując doświadczenia

prowadzone z prądnicą zamienioną na silnik zasilany

z akumulatora, Tesla zwrócił uwagę na iskrzenie komutatora

i zapytał, czy nie można by wyeliminować tego

niewygodnego w eksploatacji urządzenia. Wykładowca

nazwał ten pomysł herezją. Tesla uległ wprawdzie autorytetowi

profesora, jednakże idea nie dawała mu spokoju.

Intuicja podpowiadała mu, że jego pomysł jest realny, tylko

wymaga gruntownego przemyślenia. Analizując fizyczne

procesy zachodzące w czasie pracy generatora prądu

przemiennego doszedł do wniosku, że dynamomaszyna

postawiona w reżym silnika prądu stałego jest w swojej

istocie niedoskonała, ponieważ pierwotny prąd przemienny

zamieniany jest w niej poprzez wprowadzenie komutatora

na prąd stały, który jest szczególnym przypadkiem prądu

uzyskiwanego na drodze indukcji elektromagnetycznej2).

W 1879 roku Nikola wyjechał do Pragi, gdzie studiował

na Wydziale Matematyczno-Fizycznym Uniwersytetu Praskiego

zwanym ówcześnie wydziałem filozofii. W swoich

notatkach Tesla zapisał, że w Pradze nadal intensywnie

pracował nad silnikiem bezkomutatorowym. Nie uzyskał

jednak dyplomu i opuścił Pragę w 1881 r. Dowiedział się,

że w Budapeszcie planuje się uruchomienie łączności

telefonicznej. Udał się tam i dzięki znajomościom jego

wujka uzyskał stanowisko inżyniera elektryka w spółce

telefonicznej. Wtedy też dokonał swojego pierwszego

wynalazku, który jednak z przyczyn technicznych nie został

opatentowany. Nie ustawał jednak w pracach nad silnikiem

bezkomutatorowym. Kiedyś w czasie spaceru z przyjacielem

po parku, cytując fragment z Fausta doznał olśnienia.

Nagle nastąpiło połączenie w spójną całość wielu przemyśleń,

naszkicował naprędce rysunek na piasku, oddający

ideę silnika indukcyjnego. Rysunek ten, odtworzony przez

przyjaciela, pojawiał się później w jego podstawowych patentach

od 1988 r.! Tak powstała pierwsza koncepcja Tesli

wirującego pola magnetycznego. Na marginesie – N. Tesla

znał na pamięć całą poezję Byrona!

W Budapeszcie Tesla nie miał warunków do urzeczywistnienia

swoich planów budowy silnika indukcyjnego.

W 1882 r. wyjechał do Paryża. Tam został przyjęty do

pracy w zakładach elektromechanicznych i skierowany ze

swoim przyjacielem A. Sigeti3) do ważnych dla firmy prac

w Strasburgu. W warsztatach kolejowych, realizujących

jego projekty, opracował i wykonał wspólnie z A. Sigeti

pierwszy model silnika indukcyjnego. Nie otrzymawszy

obiecanej nagrody za wykonanie pilnej i zakończonej

w ustalonym terminie pracy oraz nie znalazłszy zainteresowania

wśród francuskich przemysłowców silnikiem

indukcyjnym, postanowił szukać szczęścia w Stanach

Zjednoczonych, które były nadzieją wynalazców. Dostał

na drogę od swego poprzedniego zwierzchnika, Charlesa

Batchelora, znającego osobiście Edisona, „mocny” list

polecający do tego ostatniego. Zatrudniony w połowie roku

1884 w zakładach Edison Machine Works, wykonywał początkowo

proste prace techniczne, ale wkrótce powierzano

mu do rozwiązania najtrudniejsze problemy firmy, w tym

modernizację prądnic prądu stałego, w celu podwyższenia

ich sprawności energetycznej. Mimo zapewnień Edisona

o wypłacie Tesli wysokiej premii za usprawnienie systemu

wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej, obietnica ta

po zakończeniu z bardzo dobrym wynikiem zadania, nie

została dotrzymana, a cała sprawa została przez Edisona

grubiańsko potraktowana jako „żart”. Wobec tego faktu

i propozycji dalszego zatrudnienia Tesli w zakładach na

rażąco niekorzystnych warunkach, Tesla zerwał współpracę

z Edisonem i ich stosunki wzajemne pozostawały

do końca życia niezwykle napięte.

W 1886 r. Tesla założył firmę Tesla Electric Light &

Manufacturing, której był udziałowcem, jednakże wobec

sprzeciwu inwestorów w sprawie forsowanej przez niego

idei rozwijania prac nad silnikami prądu przemiennego,

odstąpił od pracy w tej firmie. Zmuszony do zdobywania

środków do życia, zatrudniony w charakterze zwykłego

pracownika, zdołał zgromadzić w latach 1886/87 środki

na zbudowanie pierwszego silnika indukcyjnego, który

zademonstrował z powodzeniem w 1888 r. w American

Institute of Electrical Engineers. W tym samym czasie

nawiązał kontakt z Georgem Westinghousem, którego

zainteresował pomysłem realizacji systemu wytwarzania

i przesyłania energii elektrycznej w postaci wielofazowego

prądu przemiennego. Zatrudnił się w laboratorium firmy

Westinghouse Electric & Manufacturing Company w Pittsburgu.

Efektem współpracy z Westinghouse było powstanie

elektrowni na Niagarze. W roku 1893 dotarła do USA wiadomość

z Niemiec o udanym eksperymencie z przesyłaniem

energii prądu przemiennego z małej hydroelektrowni na

odległość 175 km po transformacji z 55V na 15 kV. Stało

się to bodźcem do podjęcia decyzji o budowie elektrowni

na Niagarze. Budowa rozpoczęła się w 1893 r. a zakończyła

w 1896 r. i była realizowana z udziałem Westinghouse według

koncepcji Tesli. Moc elektrowni wynosiła 50000 KM,

a do transmisji energii zastosowano linię o napięciu 22 kV.

Warto wspomnieć o incydencie, jaki miał miejsce w czasie

uroczystości otwarcia elektrowni. Otóż Tesla miał wygłosić

przemówienie na uroczystości otwarcia, którego końcowa

część zawierała wizję powszechnego, nieodpłatnego dostępu

do energii elektrycznej. W momencie, kiedy Tesla miał

przystąpić do wygłaszania tej części, sponsor, który znał

treść wystąpienia, przeprosił go i oświadczył, że pod jakimś

zmyślonym pretekstem muszą przerwać przemówienie

i natychmiast przejść do dalszej części uroczystości4). Takie

pomysły Tesli, jak nieodpłatny dostęp do energii elektrycznej

i inne podobne, wynikające z jego bezinteresowności, 2) T. K. Cwierawa, „Nikola Tesla”, Izdatielstwo Nauka, 1974

3) Ten sam, który wykonał rysunki idei wirującego pola magnetycznego

w Budapeszcie i którego wspomnienia opublikowane 1961r. potwierdzają

wykonanie modelu silnika indukcyjnego w 1883 r. w Strasburgu

4) Tesla miał na myśli bezprzewodową transmisją energii

44

Eksperymenty Tesli z wykorzystaniem wielkich częstotliwości

wywołały wielkie zainteresowanie fizyków w wielu

krajach. Otrzymywał zaproszenia do wygłoszenia wykładów

w Europie od wielu znanych uczonych. Na początku

1892 roku udał się do Anglii, gdzie wystąpił w Instytucie Inżynierów-

Elektryków, a następnie w Instytucie Królewskim.

Jego wykłady wzbudziły sensację i odbiły się szerokim

echem w środowiskach technicznych i naukowych Europy.

Następnie Tesla przebywał około miesiąca w Paryżu, skąd

udał się do Budapesztu oraz do rodzinnej Smiljany, gdzie

był obecny przy śmierci matki. Przebywał jeszcze krótko

w Zagrzebiu i w Belgradzie, skąd przez Francję powrócił

do Stanów Zjednoczonych.

Po powrocie z Europy w lipcu 1892 r. bieżące sprawy,

takie jak przygotowania do wystawy w Chicago, konsultacje

w Zakładach Westinghouse, prace związane z budową

elektrowni na Niagarze nabrały już dla Tesli drugorzędnego

znaczenia. Głównym celem stało się dla niego rozwiązanie

problemu bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej.

Podbudowało go bardzo w tym postanowieniu

świeże wsparcie tej jego idei przez europejskich fizyków

oraz podziw, jaki wywołała jego demonstracja bezprzewodowego

wzbudzenia świecenia gazów w rurze szklanej

przy użyciu transformatora Tesli. Sam Tesla w 1893 r.

stwierdził w czasie wystąpienia w Instytucie Franklina, że

jego zdaniem podstawowym problemem do rozwiązania,

od którego zależy postęp, jest uzyskanie możliwości bezprzewodowego

przesyłania sygnałów, a także być może

znacznych ilości energii elektrycznej.

Zdawał sobie sprawę z tego, że wynaleziony przez

niego oscylator rezonansowy wielkiej częstotliwości

– transformator Tesli – jest warunkiem koniecznym, ale

nie wystarczającym dla realizacji tej idei. Niezbędne jest

znalezienie sposobu na wyemitowanie nagromadzonej

w oscylatorze energii w przestrzeń.

Urzeczywistnieniem tego stało się wynalezienie przez

Teslę i opatentowanie8) w 1896 r. sposobu przekazywania

impulsów wielkiej częstotliwości pomiędzy dwoma

oddalonymi obwodami rezonansowymi zestrojonymi na

tę samą częstotliwość, za pośrednictwem „pionowych

niesymetrycznych wibratorów”, sprzężonych obwodów

otwartych, które są w istocie niczym innym, jak antenami

radiowymi.

Natomiast w wyniku gruntownych studiów i głębokich

przemyśleń, doszedł do wniosku, że urzeczywistnienie

jego idei bezprzewodowej transmisji energii powinno być

realizowane przez wykorzystanie właściwości elektrycznych

ziemi. Również w tym przypadku zamierzał wykorzystać

właściwości rezonansowe Ziemi, z wykorzystaniem fal powierzchniowych

lub gruntowych, podobnych do fal Zennecka.

Zdawał sobie sprawę, że głównym problemem będzie

minimalizowanie strat, powstających w miejscach połączenia

urządzeń nadawczych i odbiorczych z gruntem.

Powyższe rozważania legły u podstaw prac prowadzonych

przez Teslę w Nowym Yorku na małą skalę

w pierwszym jego laboratorium na 5 Avenue, następnie po

pożarze, który strawił to laboratorium w 1895 r.9) na większą

już skalę w uruchomionym jesienią 1895 r. laboratorium na

Huston Street. Prowadzono tam m.in. prace nad przesyłaniem

energii z wykorzystaniem płyt żelaznych zakopanych

na 2,5 m pod ziemią. Uzyskano pewne przekazywanie

sygnałów na odległość do 32 km przy częstotliwościach

2 MHz pomiędzy obwodami synonicznymi10). Niestety, ze

względu na hałasy, wstrząsy i inne zakłócenia, wywoływane

w czasie eksperymentów, protesty mieszkańców

i interwencję policji, konieczne było poszukiwanie innych

lokalizacji dla prowadzenia dalszych prac.

Z pomocą przyjaciół i zainteresowanych wynikami prac

osób udało się wybudować około 1900 r. stację eksperymentalną

w pobliżu Pikes Peak koło Colorado Springs.

Stacja mieściła się w drewnianym budynku, nad którym

zbudowano drewnianą wieżę o wysokości ponad 20 m

z około 50-metrowym masztem metalowym, zakończonym

kulą miedzianą o średnicy 60cm. Stację wyposażono

w ogromny transformator Tesli. W czasie eksperymentów,

dookoła kuli miedzianej wytwarzane były iskry o długości

– wg Tesli około 30 m, a wg oceny prof. J. L. Jakubownie

były zgodne ze zdecydowanie odmiennymi poglądami

sponsorów jego wynalazków i w wielu przypadkach decydowały

o niepodejmowaniu lub zaprzestaniu finansowania

jego inicjatyw.

Osiągnięcia Tesli w dziedzinie maszyn prądu przemiennego

zostały udokumentowane licznymi patentami5). W tym

samym czasie, kiedy Tesla pracował dla Westinghouse,

wynalazł „transformator Tesli”, wykorzystujący zjawisko

rezonansu, składający się z dwu lub trzech sprzężonych

ze sobą obwodów6), wykonywany w wielu wariantach i stosowany

przez Teslę przy przeprowadzaniu wielu różnych

eksperymentów wymagających wysokich napięć, badaniach

związanych z wytwarzaniem wyładowań elektrycznych7),

fluorescencją, promieniowaniem X, elektroterapią,

bezprzewodową transmisją energii elektrycznej i innych.

Transformator Tesli w różnych odmianach był powszechnie

stosowany w pracach badawczych nowoczesnej fizyki

8) Patent USA nr 568 178 zgłoszony 20.07.1896 r. Wydany 22.09.1896 r.

9) Uległa wtedy zniszczeniu aparatura, dokumentacja i cenne notatki, co

bardzo wstrząsnęło Teslą

10) Przy wykorzystaniu rozwiązań ujętych w patentach nr 645 576 i 649

621 1897 r. (urządzenie do przesyłania energii elektrycznej)

5) mi patent US nr 390 414 z1988 r., wskazujący zdaniem Doliwo-Dobrowolskiego

na pierwszeństwo Tesli w dziedzinie indukcyjnych silników

wielofazowych

6) Przyjaciel Tesli, Mark Twain nazywał Teslę „Władcą Piorunów”

7) Piece metalurgiczne, wykorzystujace indukcyjny efekt elektrodynamiczny

październik-listopad 2007 45

skiego z PW, ok. 13 m, zaś w pobliskiej elektrowni El Paso

Electric Company uległa zniszczeniu prądnica i całe miasto

zostało pozbawione elektryczności! Nie wiadomo jednak

na pewno, czy rzeczywiście udało się Tesli przeprowadzić

z powodzeniem eksperyment z bezprzewodową transmisją

mocy w stacji Pikes Peak11). Jakkolwiek przez 9 miesięcy

eksperymenty te były prowadzone, to z pozostawionych

notatek rezultaty tych prac nie są jasne, mimo że jak z nich

wynika, energia transmitowana na odległość kilku mil była

wystarczająca do rozświetlenia rur z rozrzedzonym gazem

wetkniętych w ziemię. Tesla eksperymentował również

z transmisją sygnałów ultra niskiej częstotliwości poprzez

przestrzeń zawartą między powierzchnią ziemi a jonosferą.

Wyliczył, że częstotliwość rezonansowa dla tej przestrzeni

wynosi około 8 Hz, co zostało nota bene potwierdzone

pomiarami przeprowadzonymi w 1950 r.

Kolejnym etapem poszukiwania rozwiązania postawionych

zadań była budowa potężnych instalacji Wanderclyffe

Tower, wymagających ogromnych środków. Tesla

planował stworzyć tzw. System Światowy12), zapewniający

wielokanałową transmisję dla celów telekomunikacyjnych,

nawigacyjnych, precyzyjnej synchronizacji zegarów czasu,

jak również bezprzewodowego przesyłania energii

elektrycznej. Swoją koncepcję przesyłania energii, której

realizacja miała być eksperymentalnie badana w Wandercliffe13)

Tesla nazwał „Metodą pobudzania ładunku

ziemi i powietrza” (Disturbed charge of ground and air

method). Instalacja w Wanderclyffe miała również służyć

jako model krajowego, a w przyszłości światowego systemu

wież do transmisii energii elektrycznej do odbiorców,

w postaci prądów ziemskich (earth current – telluric

currents) i fal elektrohydrodynamicznych. Dla osiągnięcia

tego celu wieża miała być wyposażona w odpowiednie

urządzenia podziemne, natomiast urządzenia naziemne

miały zapewnić jonizację powietrza nad wieżą stwarzając

możliwość powstania „wysoko napięciowej plazmowej linii

transmisyjnej”. W ten sposób miał zostać stworzony obwód

zamknięty wykorzystujący zarówno oddziaływanie na ziemię

jak i na przestrzeń nad powierzchnią ziemi. Sposoby

realizacji bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej

zostały opisane w patentach Tesli14), a także w zachowanych

notatkach Tesli z 1901 r. dotyczących Wanderclyffe.

W komorze wieży Tesla przewidywał umieszczenie wielkiego

zbiornika ciekłego azotu. Prawdopodobnie przewidywał

wykorzystanie zjawisko nadprzewodnictwa.

Budowa Wanderclyffe Tower rozpoczęła się w 1901 r.

i była finansowana przez wielu wpływowych przemysłowców

i finansistów, z J. P. Morganem na czele. Była

to drewniana wieża o wysokości 57 m, o średnicy około

20 m, na której wierzchołku umieszczono 55 tonową

konstrukcję metalową w kształcie półkuli. Pod wieżą

w szybie o głębokości około 36 m zainstalowano wgłąb

na dalsze 95 m rury żelazne. W głównym budynku mieściły

się laboratorium, biblioteka, biuro, maszynownia,

warsztat, pracownia szklarska, pomieszczenia, w których

zgromadzono prądnice, transformatory Tesli, urządzenia

związane z pracami badawczymi Tesli, kable itp. W 1902 r.

działalność eksperymentalna Tesli została przeniesiona

z laboratorium na Huston Street do Wanderclyffe Tower.

Mniej więcej w tym czasie Tesla odkrył zasady pracy

radaru, ponad 30 lat przed uznawaną powszechnie datą

odkrycia oraz prowadził prace nad promieniami X i telesterowaniem.

Tymczasem koszty budowy i wyposażenia nowego

przedsięwzięcia szybko rosły, a gdy w roku 1903 nie widać

było nadal końca prac, inwestorzy zaprzestali ostatecznie

od 1904 r. dalszego ich finansowania.

Przerwanie prac wykończeniowych, wstrzymanie

...