Беспроводное будущее и беспощадная физика
Интерес к беспроводной передаче электроэнергии растет уже полвека. В связи со взрывным ростом числа гаджетов, прозелитизмом «церкви возобновляемой энергетики» и планируемым всепланетным энергетическим переходом этот интерес имеет шансы запустить бум космической энергетики.
В 1891 году Никола Тесла разработал так называемую катушку Теслы (Tesla coil) — резонансный трансформатор, передающий электроэнергию на короткие расстояния без проводов. В основе этого устройства лежит физическое явление электростатической индукции, когда ток генерируется градиентом электрического поля или дифференциальной емкостью между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами. В лабораторном масштабе такие катушки может изготовить кто угодно.
Беспроводную сеть предполагалось строить как систему оборудованных резонансными приемопередатчиками башен или подвешенных воздушных шаров.
Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами, в 1894 году зажигал без проводов лабораторные лампы накаливания, а в 1901-м построил так называемую башню Ворденклиф — проект для демонстрации возможностей трансатлантической телефонии, радиовещания, беспроводной передачи высоковольтной электроэнергии.
Проект башни поддержал инвестициями финансист Джон Пирпонт Морган, вложивший $ 150 тыс. в лабораторию (более $ 3 млн в ценах 2009 года). Считается, что акционер первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов оценил проект на старте, но отказался от дальнейшего финансирования, якобы не желая обрушения многообещающего рынка электроэнергии. В 1906 году проект был закрыт, а десятилетием позднее башню снесли. Всемирная беспроводная система Теслы — система, совмещающая передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которая позволила бы объединить генерирующие мощности в глобальном масштабе, — не состоялась.
Однако 100 лет исследований и экспериментов показывают, что мечта Теслы жива. Не исключено, что гениальный изобретатель был на верном пути. Эксперименты продолжаются! Десятки компаний, от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod (имя же им легион), а также государственные организации разрабатывают различные методы беспроводной передачи энергии и выдвигают предложения по их внедрению в коммерческом масштабе. Некоторые системы уже проходят полевые испытания. Будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное решение для беспроводного электроснабжения.
Более того, некоторые способы беспроводной передачи электроэнергии давно вошли в повседневный быт. Пример — известный всем из школьной физики метод электромагнитной индукции. Он применяется в индукционной электроплите, нагревающей железосодержащую посуду индуцированными вихревыми токами, которые создает магнитное поле частотой 20−100 кГц. На основе принципа электромагнитной индукции выпускается множество беспроводных зарядных устройств для гаджетов. Резонансный способ передачи знаком всем, кто пользуется бесконтактными смарт-картами или имел дело с чипами RFID. Все эти технологии едины в том, что расстояние между «передатчиком» и «приемником» очень мало, да и передаваемая мощность невелика.
Не все знают, что электромобили заряжать дорого и долго, а зарядных станций с «быстрой зарядкой» мало. Американская компания Wave тестирует технологию зарядных систем, обеспечивающих беспроводную мощность до 1 МВт, — они устанавливаются под дорогами и на парковках. Проект американского университета Пурдью (штат Индиана) и немецкой компании Magment предлагает другой вариант беспроводной зарядки: дороги из намагниченного бетона смогут заряжать электромобили во время движения.
Сегодня ни один рассказ о технических диковинах не обходится без «японской беспроводной комнаты». Идея состоит в следующем: разнонаправленные широко распределенные токи на проводящих поверхностях, расположенных вокруг целевого объема — испытательной комнаты размером 3x3x2 метра, — генерируют несколько взаимно уникальных трехмерных магнитных полей, безопасных для людей. Эти поля охватывают всю комнату, включая углы. Такая «зарядная комната» подает в любую свою точку не менее 50 ватт мощности, которых достаточно для питания ламп, смартфонов и других устройств. Утверждается, что «беспроводную комнату» можно масштабировать, увеличив, например, до размеров больничной палаты или даже промышленного цеха. Описанная система беспроводной передачи энергии не создает помех работе электроники и не нагревает биологические ткани.
Одно время большие надежды возлагали на передачу энергии посредством направленного микроволнового излучения. Эксперименты по преобразованию такого излучения в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя ведутся давно. Опыты японских исследователей 1970-х годов показали максимальный КПД 84%, но выходная мощность была, видимо, довольно низкой. Недавнее сообщение из Китая гласит, что электроэнергию неведомой мощности передали с помощью микроволн на целых 10 метров и что подобная система теоретически позволяет передать 1 кВт на расстояние до 20 метров с КПД 25,5%. Шесть лет назад Японское агентство аэрокосмических исследований объявило об успешной передаче по беспроводной сети 1,8 кВт энергии на расстояние 50 метров в небольшой приемник, преобразовывая электричество в микроволны, а затем микроволны — обратно в электричество.
Уже упомянутая Emrod анонсировала на осень 2021 года демонстрацию коммерческой системы беспроводной передачи нескольких киловатт электроэнергии на расстояние в несколько километров. Компания собиралась показать свою разработку прошлой осенью, но намечавшемуся триумфу что-то помешало. Зато Emrod с радостью демонстрирует рабочий прототип устройства, состоящего из передающей антенны, серии реле и приемной выпрямляющей антенны (ректенны). Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%, а эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.
Сотни таких сообщений появляются в прессе чуть ли не еженедельно. За век, прошедший со времени эксперимента Теслы, разработано несколько методов беспроводной передачи энергии, возникли десятки стартапов, но бессердечная физика пока позволяет лишь проводить демонстрационные эксперименты, пригодные разве что для краудфандингового видео. Чаще всего эти эксперименты похожи на попытку наладить городское водоснабжение разбрызгиванием воды под давлением. Однако исследования не прекращаются: они ведутся повсюду, от «гаражных» лабораторий до государственных и корпоративных исследовательских центров, так как неудачи — а их было немало — не убили веру в возможность прорыва, который изменит мир радикальнее, чем когда-то изменил его переменный ток.
Разработка новозеландского стартапа Emrod для беспроводной арктической станции
Идеи Теслы в космосе
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.
Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика. Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.
В 1968 году американский инженер-исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)
Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель. Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.
Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.
Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.
В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.
Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.
ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.
О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии. Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.
Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?
Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.
Нужно две, пять или десяток.
Как тесла передавал электричество без проводов
Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния
Георгий Голованов 4 августа 2020 г., 12:30
Георгий Голованов 4 августа 2020 г., 12:30
Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в Новой Зеландии. Уже сейчас прототип способен работать в любых погодных условиях, направляя энергию между двумя антеннами, разделенными расстоянием в несколько километров. Полевые испытания технологии, повторяющей эксперименты Николы Теслы, начнутся осенью.
Самые интересные технологические и научные новости выходят в нашем телеграм-канале Хайтек+. Подпишитесь, чтобы быть в курсе.
Мечта о беспроводной передаче энергии далеко не нова — еще Никола Тесла когда-то доказал, что можно зажигать лампочки с помощь катушки, находящейся в паре километров от них. Правда, при этом он сжег динамо-машину на местной электростанции и погрузил весь Колорадо-Спрингс во тьму. Тесла мечтал построить повсюду вышки, которые обеспечивали бы всех беспроводной энергией. Но инвестор Джон П. Морган зарубил идею на корню одним вопросом: «А куда прикажете поставить счетчик?»
Прошло 120 лет и вот новозеландская компания Emrod убедила второго по величине поставщика энергии в стране концерн Powerco дать беспроводному электричеству шанс. Powerco поверила в технологию передачи энергии и вложила средства в Emrod, сообщает New Atlas.
Система состоит из передающей антенны, наборов реле и принимающей ректенны (антенны со встроенным выпрямителем, преобразующем микроволновую энергию в электричество). Для передачи используется безопасный радиодиапазон ISM, зарезервированный для промышленных, научных и медицинских целей.
В отличие от мечты Теслы, энергия передается напрямую между двумя антеннами, а лазерная система безопасности, защищающая периметр луча, тут же отключает его, если периметр пересекает птица, дрон или вертолет. Проблем с размещением счетчиков тоже быть не должно.
Система работает при любых погодных условиях — дождь, туман или пыль ей не помеха. Дистанция передачи ограничена только прямой видимостью, то есть в потенциале может быть сотни километров, а установка и эксплуатация не требуют серьезных вложений.
Пока у инженеров Emrod есть только работающий прототип, но к октябрю они планируют завершить создание устройства для инвестора и начать полевые испытания. Первые устройства будут работать с мощностью в несколько киловатт. Прототип способен передавать энергию на несколько километров, но его легко можно масштабировать. «Мы можем использовать точно такую же технологию для передачи в 100 раз больше энергии на много большее расстояние», — пообещал основатель Emrod Грег Кушнир.
Если полевые испытания технологии пройдут успешно, она сможет преобразить энергосети по всему миру. «Мы планируем использовать эту технологию для доставки электричества в отдаленные места или через районы с труднопроходимой местностью. Она также может быть использована для сохранения энергоподачи клиентам в случаях, когда мы проводим техническое обслуживание нашей существующей инфраструктуры», — рассказал о планах инженер по трансформации сети Powerco Николас Вессио.
Беспроводная передача энергии может стать ключевой технологией и для возобновляемой энергетики, которая, как правило, генерирует энергию далеко не там, где она необходима. А мощность существующих энергосетей не позволяет перебрасывать большие объемы такой энергии достаточно далеко от места генерации. Из-за этого, например, Германия, теряет часть оффшорной выработки ветропарков, так как в пиках не может перенаправить ее с севера в южные земли — не хватает ресурсов энергосети.
К середине августа компания Electreon Wireless запустит первый в Израиле участок трассы с возможностью беспроводной подзарядки электротранспорта на ходу. Она же начала работы по аналогичному проекту на шведском острове Готланд.
Военные США смогли передать без проводов 1,6 кВт мощности на один километр
Военно-морская исследовательская лаборатория США (NRL) провела два эксперимента по беспроводной передаче электроэнергии на дальность один километр. По словам исследователей, это был самый масштабный опыт подобного рода за последние 50 лет: с помощью микроволнового излучения по воздуху было передано 1,6 кВт мощности.
Передающая антенна. Источник изображения: NRL
Идее и опытам по передаче энергии без проводов свыше ста лет. Пионером этого направления, в частности, был Никола Тесла, который для масштабных экспериментов в 1901 году начал строить башню Ворденклиф, позже получившей неофициальное название «Башни Тесла». В то время считалось, что беспроводная передача электричества быстро приведёт к повсеместной и доступной электрификации, но законы физики оказались сложнее — КПД подобных установок оказался очень и очень низким для работы на больших дистанциях.
Для повышения эффективности беспроводных установок по передаче энергии учёные NRL выбрали рабочую частоту излучения на уровне 10 ГГц. Такая частота снижает уровень затухания микроволн даже в плохую погоду во время сильных осадков, что позволяет сохранять КПД на приличном уровне — потери не превышают 5 %. Также работа в диапазоне 10 ГГц разрешена как безопасная для живых организмов — животных и людей, что не требует создания систем прерывания передачи, если в зону луча попадает человек, птица или зверь.
Конкретный проект по беспроводной передаче энергии — Safe and Continuous Power bEaming — Microwave (SCOPE-M) — стартовал по заказу Министерства обороны США. Недавно одна из опытных установок — передатчик и приёмник — была развёрнута на исследовательском полигоне армии США в Блоссом-Пойнт, штат Мэриленд, а вторая — на передатчике Haystack Ultra Wideband Satellite Imaging Radar (HUSIR) в Массачусетском технологическом институте. Установка в Блоссом-Пойнт показала КПД 60 %. Опыт в MIT сопровождался меньшей пиковой эффективностью, но продемонстрировал более высокий средний уровень передаваемой мощности, поэтому в целом приёмником было получено больше энергии.
Приёмная антенна (ректенна). Источник изображения: NRL
Работа с установками военных подчёркивает первичную цель проекта — обеспечение питанием военных формирований на переднем крае, куда доставлять обычными путями топливо опасно. В перспективе подобные установки могут появиться на космических электростанциях на орбите Земли, чтобы оттуда снабжать электричеством земные объекты.
«Хотя SCOPE-M был наземным каналом передачи энергии, он стал хорошим доказательством концепции космического канала передачи энергии, — сказал Брайан Тирни (Brian Tierney), инженер-электроник SCOPE-M. — Главным преимуществом передачи энергии из космоса на Землю для Министерства обороны является уменьшение зависимости от поставок топлива для войск, которые могут быть уязвимы для атак».
Источник:
Н.Тесла и беспроводное электричество.
Никола Тесла – выдающийся мировой изобретатель. Перечислить все его заслуги и достижения вкратце очень сложно. Его патенты затрагивают почти все ветви науки, даже такие современные темы как компьютерная логика или аэродинамика.
В современном мире электричество привычно почти так же, как воздух и вода. Крупнейшие из сооруженных человеком механизмов и самые повседневные бытовые приборы работают на электрическом токе. Не будет преувеличением сказать, что современная цивилизация существует благодаря электричеству.
Сейчас мало кто вспоминает о том, что первые серьезные исследования этого явления начались всего два-три столетия назад. Многие великие ученые трудились над тем, чтобы постичь феномен заряженных частиц и обратить их на службу человеку, достаточно назвать имена Ампера, Фарадея, Максвелла, Герца. Среди этих великих имен особое место занимает сербский ученый Никола Тесла. Без его работ мир не был бы таким, каким он является сегодня.
Теслу, во многом опередившего свое время, называют «изобретателем ХХ века». Впрочем, существует мнение, что он «изобрел» и ХХI век. Его имя окутано ореолом тайны, и отделить истину от домыслов бывает трудно[1].
Тесла был гением во многих областях физики. Пожалуй, его можно назвать самым разносторонним изобретателем всех времен и народов. Его сфера деятельности – работа с рентгеновскими лучами, вакуумными трубами, радиационным и космическим излучением.
Разработки инженера, посвященные дистанционному управлению, робототехнике, радарным технологиям и лазерам, стали огромным вкладом в научно-технический прогресс. Последний известный патент Теслы, зарегистрированный в начале 1928 года, — самолет с вертикальным взлетом, еще одно свидетельство широты его инженерного мышления.
Опубликованные в 1931 году работы ученого предлагают систему извлечения энергии, добывая электричество при посредстве температурных колебаний в водах мирового океана.
Тесла широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике.
После демонстрации радио и победы в «Войне токов» (против постоянных токов Эдисона) Тесла получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электротехник и изобретатель. Ранние работы Тесла проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. В США по известности Тесла мог конкурировать с любым изобретателем или учёным в истории или популярной культуре [2].
2 Вымыслы и реальность
Существуют две основные точки зрения на творческую деятельность Николы Теслы «мистическая» и скептическая.
Сторонники первого направления полагают, что признаваемые официальной наукой заслуги Теслы в области электротехники лишь верхушка айсберга. Основных своих достижений исследователь будто бы добился во второй половине своей жизни, когда занялся глобальными исследованиями по извлечению электрической энергии из тела Земли и практическому использованию её в военной области для создания «непробиваемого щита», то есть электромагнитного поля большой мощности, способного закрывать границы государств от иностранного вторжения, а так же «лучей смерти», призванных наносить удары огромной силы по вражеским объектам.
Н.Тесла писал в 1927 г. «Более чем 25 лет назад мои усилия передать большое количество энергии через атмосферу привели к разработке многообещающего изобретения, которое с той поры получило название «Лучи смерти». Основополагающая идея заключалась в создании проводимости в воздухе приемлемым ионизирующим излучением и передачи токов с высоким потенциалом вдоль пути лучей… Эксперименты, проводимые в больших масштабах, показали, что с напряжением много миллионов вольт фактически неограниченное количество энергии может быть передано…»
Журнал «Time» писал 23 июля 1934г.: «На прошлой неделе доктор Тесла объявил комбинацию из четырех изобретений, которые сделают войну бессмысленной. Существом идеи являются смертоносные лучи – концентрированный пучек субмикронных частиц, перемещаемых со скоростью, близкой к скорости света. Пучек, по словам Тесла, будет поражать армию на маршруте полета, сбивая эскадрильи самолетов на дистанции 250 миль (400км). Тесла будет разряжать луч путем использования: прибора для сведения к нулю эффекта задержки частиц в атмосфере; метода создания высокого потенциала; процесс усиления этого потенциала до 50 миллионов вольт; создания гигантской электрической силы воздействия» [3], [8].
Тесла будто бы даже провел успешный эксперимент такого рода: так называемый Тунгусский метеорит, 30 июня 1908 года принесший в район реки Подкаменная Тунгуска огромные разрушения, якобы был делом его рук.
В последствии ученый, осознавая свою ответственность в случае, если столь смертоносное оружие окажется в руках беспринципных политиков, предпочел приостановить, а затем и вовсе уничтожить плоды своих работ. Тот факт, что его архив сразу после смерти оказался в руках ФБР и до сих пор недоступен для ученых, косвенно это подтверждает.
Существует еще множество историй, связанных с изобретениями Теслы. Одной из них стал электромобиль без внешнего источника электроэнергии. Другая – запуск управляемой ракеты на электрической тяге. Есть иные, неподтвержденные данные о причастности Тесла к работам в лаборатории Лос-Аламос (США) и конструировании НЛО, о использовании его проектов в «Филадельфийском эксперименте» и т.п. В интернете можно обнаружить множество сайтов, которые публикуют подобную информацию.
С точки зрения оппонентов, это ровным счетом ничего не доказывает. Имеющиеся в руках исследователей материалы свидетельствуют лишь о более или менее удачных футуристических предсказаниях Николы Теслы, но не более того. Никаких конструктивных текстов, которые бы доказывали, что он конкретно разработал, к примеру, принцип работы Интернета, не имеется. Есть лишь общие рассуждения такого рода. Однако, кроме Теслы, известны и другие люди, умевшие предвидеть будущие технические открытия, например, французский писатель Жюль Верн.
По всей видимости, в этом споре разумнее всего занять промежуточное положение. Из того, что современная наука не в состоянии воспроизвести опыты Теслы, еще не следует, что это не сумеет сделать наука будущего, что они в принципе не воспроизводимы. При этом слепо настаивать на том, что Тесла, не склонный различать мыслительный и реальный, физический, виды экспериментов, всегда и во всем прав, тоже неосмотрительно. Грань между истиной и самообманом в таких случаях очень тонка и опасна [5].
Таким образом, вопрос о наследии Николы Теслы остается открытым. Многие его замыслы еще ждут проверки и, возможно, реализации. Современные инженеры продолжают искать более эффективные способы получения энергии из солнечного света, ветра, морской воды и даже из открытого космоса: необходимость беречь ресурсы нашей планеты становится всё актуальнее.
Тесла подчеркивал необходимость быть экономным более ста лет назад, когда проблема истощения земной коры еще не стояла так остро. Возможно, бережное отношение связано с религиозными убеждениями ученого: он признавался в том, что в глубине души является очень верующим человеком. Известно, что помимо христианского богословия, Тесла много читал восточные учения, в частности Буддизм. Возможно, оттуда он вынес ощущение взаимосвязанности всех происходящих на земле процессов и хрупкости пронизывающей мир гармонии.
Знакомство с основными концепциями Николы Теслы входит в обязательную программу всех, кто изучает электротехнику на Западе. Многие ведущие университеты США например, Калифорнийский университет в Беркли и Массачусетский технологический институт – уделяют особое внимание наследию инженера. Его труды активно изучаются на родине – в Сербии и Хорватии [1].
В последнее время в России так же стали уделять внимание разработкам Теслы. Это стоит особо отметить. В последние десять лет в России опубликованы в переводе с английского все известные труды Николы Теслы. Его творчеству посвящены или его творчеством инспирированы десятки книг российских авторов. Учёному посвящены многочисленные научно-популярные программы на российском телевидении, его имя ставится в один ряд с именем В.И.Вернадского. Было бы вполне естественно, если бы российские учёные получили доступ к огромному массиву ещё не опубликованных и не изученных документов и материалов научного наследия Николы Теслы, объём которого в музее-архиве в шесть раз превышает всё то, что на сегодняшний день опубликовано во всём мире.
Предложение по созданию Российско-сербского общества (института) по изучению научного наследия Николы Теслы было высказано Велимиром Абрамовичем, доктором философии науки (физики и математики) из Белграда. «Я имел возможность познакомиться с некоторыми частями неопубликованного архива и был поражён, когда в одном из документов прочитал описание Теслой того, как остановить распад радиоактивных элементов радия и изотопов урана. Многие современные российские учёные-физики воспринимают идеи Теслы гораздо серьёзнее, чем где-либо в мире. Поэтому считаю, что настало время совместно с российскими коллегами осуществить систематическое изучение драгоценной научной документации Николы Теслы, что могло бы послужить исходной базой не только для новых чистых технологий, но и для ещё более важной цели – познания смысла самой науки»[4].
«…В связи со съёмками своих документальных фильмов о Николе Тесле мне довелось общаться в Белграде не только с учёными разных стран, изучающих наследие Теслы, и руководством Музея Н.Теслы, но и поработать в архиве этого музея. По единодушному мнению исследователей Сербии и других стран, а также хранителей архива, этот архив может подарить мировому сообществу большое число неизвестных идей и разработок Николы Теслы, в которых так нуждается современное человечество. При этом сербские друзья не раз подчёркивали, что в этом благородном и важном для всего человечества деле одна из главных надежд Сербии – на Россию, на её учёных и просто людей, неравнодушных к имени великого Николы Теслы, научное наследие которого целенаправленно замалчивалось в течение многих десятков лет.» — В.Правдивцев, сценарист, режиссёр, писатель, кандидат технических наук.
3 Беспроводная передача электроэнергии
В этом разделе приведены факты и последовательный ход мысли ученого, результатами которых действительно стал реальный коммерческий проект по передаче электроэнергии и радиоволн в любую точку планеты – «Мировая система». Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов. Эта проблема стала предметом внимания ученого в конце 1889 года.
Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн?
В 1889 году Тесла принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду (10 кГц). Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду [5].
Рисунок 3 – Генератор переменного тока 10кГц
Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы. Тесла создает свой резонансный трансформатор.
Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонансного трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований радиотехники.
В 1896 году невдалеке от Нью-Йорка Тесла построил небольшую радиостанцию и передавал сигналы на расстояние до 32 километров. К этому времени он увеличил частоту тока на своей отправительной станции (уменьшил длину волны), доведя его до 2 МГц — величины, ранее недостижимой. Сигналы его отправительной установки в Нью-Йорке принимали на судах, движущихся по Гудзону на расстоянии свыше 25 километров. Тесла занялся разработкой схемы передачи радиоволн для управления различными механизмами. В начале 1898 года Тесла создал первую конструкцию судна, управляемого радиосигналами на значительном расстоянии, и испытал его модель в лаборатории на Хьюстон-стрит. 1 июля 1898 года он подал заявку на патент. Примерно в этот же период Тесла получает патент на однопроводную передачу электричества, хотя первые демонстрации свечения ламп, подключенных к передающему проводу только одним контактом проходили еще в 1891г.
В сентябре 1898 года в Медисон-сквер-гардене (один из крупнейших залов Нью-Йорка) проходила ежегодная электрическая выставка. В центре зала был устроен большой бассейн. На одной из стенок его сделали причал, к которому пришвартовывался небольшой ковчег с длинным тонким металлическим стержнем посредине и металлическими трубками, заканчивающимися электрическими лампочками на корме и на носу. Тонкий стержень был приемной антенной, а сам ковчег — первым в мире управляемым по радио судном, одним из наиболее важных изобретений Николы Теслы.
Рисунок 4 – Радиоуправляемое судно
8 ноября 1898 года на это изобретение Николе Тесле был выдан патент в США, а затем и в других странах, в том числе и в России (30 июля 1905 года по заявке от 26 октября 1898 года). Описания опытов в Медисон-сквер-гардене и патента Теслы заполнили страницы газет и журналов. О них писали не только в США, но и в России, Франции, Англии. Снова Тесла стал в центре внимания всех электротехников мира. Таким образом, появилось новое изобретение и новая наука, для которой предложено и новое название — «телеавтоматика», что означает техника управления движениями и действиями автоматов, удаленных на расстояние». Тесла всесторонне разработал основные положения этой новой техники. Чтобы иметь возможность управлять различными автоматами или частями одного автомата, не вызывая действия других, необходима настройка их приемных устройств на разные частоты, посылаемые с одной центральной станции. Это показывает, что Тесла с замечательной прозорливостью понял значение радиоизбирательности, чего другие изобретатели в области радио тогда еще не оценили в должной мере.
Построенные Теслой суда, управляемые по радио, уплывали в открытое море на расстояние в 25 морских миль от управляющей станции, совершали все маневры, требуемые оператором, а затем благополучно возвращались в Нью-Йоркскую гавань [5].
Эти работы имели большое значение для развития той области науки и техники, которая только впоследствии приобрела огромное значение и стала широко известной под названием «инженерная кибернетика», возникшая под влиянием идей «телеавтоматики». Современные управляемые по радио сложные автоматы, ракеты, торпеды, подводные лодки, беспилотная авиация и множество других устройств подобного рода являются результатом продолжения работ Николы Теслы, привлекших внимание последующих изобретателей. И хотя имя Теслы, как одного из основоположников всей современной телеавтоматики и кибернетических машин, не всегда упоминается в литературе, историческая правда заключается в том, что именно ему более чем кому-либо мир обязан зарождением и прогрессом многих важнейших направлений современной техники.
В 1899 года, Тесла переехал в местечко Colorado Springs «Компания колорадских источников», где основал небольшую лабораторию для исследования грозовых разрядов.
Рисунок 5 – Лаборатория в Колорадо Спрингс
Наблюдения над грозами и сопровождавшими их изменениями потенциала Земли Тесла вел с помощью специально сконструированной им установки. Это был трансформатор, один конец первичной обмотки которого был заземлен, а второй, заканчивавшийся шаром, поднят на большую высоту. Так как емкость шара зависела от высоты его подъема над землей, вывод, на котором он был укреплен, сделали составным, позволяющим изменять высоту подъема. Во вторичную обмотку этого трансформатора было включено высокочувствительное самонастраивающееся устройство, соединенное с записывающим прибором.
Всякое изменение потенциала Земли вызывало в витках первичной обмотки импульсы тока, создававшие во вторичной обмотке вторичные токи, отмечаемые регистрирующим прибором. Наблюдение за этими приборами показало, что потенциал Земли непрерывно колеблется. Особенно значительны были эти колебания в период гроз и разрядов молнии. Приборы отмечали более сильные колебания потенциала Земли при отдаленных разрядах, чем при разрядах, происходивших вблизи от них. Наконец во время одной из гроз разгадка была найдена. Тесла так описал это открытие:
«Третьего июля — я никогда не забуду этой даты — я получил первое неопровержимое экспериментальное доказательство истины, имеющей огромное значение для прогресса человечества. Плотная масса сильно заряженных облаков скопилась на западе, и к вечеру разразилась страшная гроза. Растратив большую часть своей ярости в горах, она понеслась с невероятной скоростью над равнинами. Через почти регулярные интервалы времени возникали длительные грозовые разряды. Мои наблюдения теперь облегчились и стали более точными за счет приобретенного опыта. Я научился уже быстро оперировать своими приборами и приготовился к наблюдению. Регистрирующие приборы были соответствующим образом отрегулированы, и их показания становились все слабее по мере возрастания расстояния до грозы, пока совсем не исчезли. Как я и думал, немного погодя показания прибора появились вновь, становясь все сильнее и, пройдя через максимум, постепенно спадали и снова прекращались. То же самое повторялось много раз через регулярные интервалы времени, до тех пор пока гроза, которая, как следовало из простых подсчетов, двигалась с почти неизменной скоростью, не удалилась на расстояние примерно трех сотен километров. Однако и тогда эти странные явления не прекратились, а продолжались с неубывающей интенсивностью. Впоследствии аналогичные наблюдения были выполнены моим ассистентом Фрицем Ловенштейном, и вскоре собранные сведения позволили неопровержимо установить истинную природу этого чудесного явления. Не оставалось никаких сомнений — я наблюдал стоячие волны»[6].
Одна из важнейших задач, разрешить которую Тесла стремился в Колорадской лаборатории, заключалась в получении ясного ответа на вопрос: является ли Земля электрически заряженным телом или нет? Однако наблюдение явления стоячих волн в Земле ясно указывало и на наличие электрического заряда Земли и на возможность вызывать в ней стоячие волны искусственно.
Выяснение этого факта позволило Тесле осуществить эксперимент, имевший весьма важное значение для возможного осуществления его дальнейших планов. Можно ли создавать искусственно путем мощного разряда стоячие волны в Земле, вызывать в ней резонансные колебания и затем использовать их для различных целей?
В высоком деревянном здании лаборатории с раскрывающейся, как у астрономических обсерваторий, крышей был смонтирован усиливающий трансформатор. Он состоял из двух катушек: на огромное заборообразное основание были намотаны витки необычайной по своим размерам первичной катушки. Вторичная катушка этого «усиливающего передатчика» соединялась с мачтой, возвышавшейся на 50 метров над землей и заканчивавшейся медным шаром диаметром в 1 метр. Мачта состояла из отдельных секций и могла быть удлинена или укорочена. Благодаря тому, что крыша над зданием была раздвижной, вокруг вторичной катушки и мачты на значительном расстоянии не было никаких предметов.
Все обмотки этих катушек были рассчитаны так, что при пропускании через первичную катушку тока напряжением в несколько тысяч вольт и при стандартной частоте переменного тока (60 периодов в секунду) во вторичной катушке можно было получить ток весьма высокого напряжения и высокой частоты. При разрядке этой катушки на землю напряжение достигало несколько миллионов вольт при частоте до 150 тысяч периодов в секунду. Первое включение устройства Теслы вывело из строя генератор городской электростанции питавшей его лабораторию и не рассчитанный на такие большие токи. В итоге работ Тесла подтвердил возможность вызвать в Земле явление электрического резонанса и получить стоячие волны. Он предполагал, что распространение возникших в ней волн происходило от «Колорадских источников» по всем направлениям, все расширяющимися окружностями, по поверхности Земли. Они с возрастающей интенсивностью сходились затем в точке, диаметрально противоположной Колорадо, где-то около французских островов Новый Амстердам и Св. Павла, между южной оконечностью Африки и юго-западным углом Австралии. Возвращаясь обратно в «Колорадские источники», эхо волны вновь усиливалось осциллятором (усиливающим трансформатором) и отправлялось обратно к антиподам, к противоположной точке земного шара[5].
Деревянная изгородь вокруг катушек и сидящего в центре Н.Теслы – это первичная обмотка огромного резонансного трансформатора.
Рисунок 6 – Лаборатория в Колорадо Спрингс (внутренний интерьер)
В ходе проведений экспериментов в местных газетах был описан факт зажигания Н.Теслой под аплодисменты собравшейся публики, двух сотен лампочек и запуска электромоторов на расстоянии 42 км от лаборатории.
Продолжение экспериментов последовало уже в гораздо больших масштабах. В 1900г. на острове Лонг-Айленд Тесла основывает комплекс Уорденклиф. 20 акров пустыря были расчищены под здание лаборатории, на остальном участке предполагалось создать городок с населением не менее 2 тысяч человек, приглашенных на строительство сложных сооружений. Затем по мере завершения работ городок должны были заселить тысячи сотрудников лаборатории и самой мощной в мире радиостанции [5] . Подробное описание на английском языке [8]. Завод по производству электроэнергии должен был передавать электричество и радиосигналы беспроводным способом.
«Уорденклиф будет радиотехнической столицей мира», — думал Тесла, руководя развернувшимися работами по созданию мощной радиостанции, предназначенной не только для передачи на самых различных волнах любых сообщений, но и для многих, известных лишь в наше время применений радиотехники: телеуправления, локации и других. Вторую станцию для передачи во все точки земного шара электроэнергии для силовых нужд и освещения он намеревался построить у Ниагарского водопада. Едва ли кто-либо другой, кроме самого изобретателя, твердо верил в осуществимость этого грандиозного проекта. Фантастичность его мечтаний поражала всех, кто был с ними знаком.
Радиостанция Теслы должна была представлять деревянную каркасную башню высотой в 57-60 метров, на вершине которой помещался огромный медный шар. Техника того времени не знала случаев строительства подобных зданий из дерева. Когда же в 1902 году башня была закончена, Тесла переселился туда же в небольшой коттедж, где и жил в последующие несколько лет.
Рисунок 7 – Башня Н.Тесла в Уорденклиф (США) – «Мировая система»
Описывая свои открытия и изобретения, на которых основано действие «Мировой системы», Тесла называл свой резонансный трансформатор, осциллятор для получения токов высокой частоты, усиливающий трансформатор для возбуждения стоячих волн в земле и другие приборы и аппараты. Тесла считал одним из важнейших своих открытий, имеющих огромную практическую ценность, обнаружение стоячих волн во время опытов в Колорадо Спрингс. Изобретение избирательной передачи, то есть возможности одновременной передачи бесконечного множества различных сигналов без взаимных помех и воздействия их на различные приемные устройства или их части, должно было обеспечить развитие «телеавтоматики», значение которой не раз показывал Тесла в своих предыдущих статьях.
Все эти и многие другие его изобретения, описанные в брошюре о «Мировой системе», обеспечивали, по мнению Теслы, беспроводную передачу бесплатной электроэнергии в любых количествах в любую точку земного шара. Подробная конструкция, кажущегося фантастическим, проекта описана в патенте США №1119732 от 1 декабря 1914г. «Устройство для передачи электроэнергии»[7]. Отдельные составляющие части системы еще в 4-5 (или более) патентах.
Рисунок 8 – Пробный запуск башни в Уорденклиф
Пробный пуск невиданного сооружения состоялся в 1903 году и произвел потрясающий эффект. «Тесла зажег небо над океаном на тысячи миль», — писали газеты. С помощью катушки размером в 61 метр, полюс которой возглавляла большая медная сфера, возвышающаяся над его лабораторией, Тесла генерировал потенциалы, которые разряжались стрелами молний длинной до 40 метров. Гром от высвобождаемой энергии мог быть услышан за многие мили. Люди, идущие по улицам были поражены, наблюдая искры, скачущие между их ногами и землей, и электрические огни, выпрыгивающие из крана, когда его открывали. Вокруг экспериментальной башни пылал шар диаметром в 30 метров. Лошади в сбруе получили шоковые электроудары через их металлические подковы и металлические предметы привязи на стойлах. Даже насекомые были повреждены: бабочки стали наэлектризованными и беспомощно кружились кругами на своих крыльях, бьющих струями синих ореолов «Огней Святого Эльма» (The July 14th-17th 1903 reports from «The New York Sun»).
Рисунок 5 – Внутренний интерьер лаборатории Уорденклиф 1903г.
Однако строительство не было закончено. «Увы, — писал Тесла, — по сей день моя установка «беспроволочной передачи энергии» не построена; ее сооружение за последние два года продвигается слишком медленно. Та установка, которую я сейчас строю, представляет собой всего игрушку. Генератор с максимальной мощностью всего в 10 миллионов лошадиных сил может произвести лишь легкое сотрясение планеты знаком и словом — телеграфом и телефоном. Когда же я увижу завершенной эту первую установку, этот большой генератор, который я сейчас разрабатываю, установку, от которой ринется сквозь землю ток напряжением в сто миллионов вольт? Установка, которая даст энергию порядка одной тысячи миллионов лошадиных сил, равная мощности ста Ниагарских водопадов…»
От Моргана Тесла получил письмо с уведомлением о прекращении финансирования. Одна из версий следующая: против ученого ополчилась вся мировая энергетика, основанная на проводном способе передачи энергии. Если бы система Теслы победила, произошел бы всемирный крах уже сложившейся энергетики. Особенно были обеспокоены «энергетические короли» в самих США. На финансировавшего строительство «Мировой системы» Дж. П. Моргана было оказано политическое и финансовое давление, и работы были остановлены [4]. В начале Первой мировой войны уже построенную башню взорвали по причине, что ею могут воспользоваться немецкие шпионы для наведения на Нью-Йорк начиненных взрывчаткой радиоуправляемых самолетов.
Тесла всю жизнь оставался убежденным в том, что его предложение об использовании Земли в качестве среды для передачи электромагнитных волн дало бы такой же, а может быть, еще более важный для практических целей результат, как и осуществляемая в наши дни передача их через воздух.
В последние годы своей жизни Тесла часто говорил, что он, по-видимому, действительно слишком рано требовал от людей понимания его проектов и, представляя себе значение их для развития науки и техники, не представлял условий, при которых они могли бы получить полное развитие. Критически оценивая результаты своей работы в области передачи электроэнергии без проводов, он говорил: — «Пожалуй, я действительно зашел слишком далеко вперед. Без нее еще можно обходиться до тех пор, пока моя многофазная система удовлетворяет потребности мира. Но на тот случай, когда возникнет необходимость, система передачи электроэнергии без проводов уже готова».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] Никола Тесла / А.В. Жаркова// 100 человек, которые изменили ход истории. – 2009 №93.
[2] Википедия [Электронный ресурс].
[3] Стребков, Д.С. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Стребков Д.С., Некрасов А.И. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. – 352с.
[4] Дельфис [Электронный ресурс]. – www.delphis.ru/journal/article/nasledie-ntesly-prishlo-vremya-izuchat#anc0
[5] Ржонсницкий, Б. Н. Никола Тесла. / Ржонсницкий Б. Н. – М.: «Молодая гвардия», 1959. — 224 с
[6] Тесла, Н. Колорадо-Спрингс. Дневники. 1899-1900 / Тесла. Н – Самара: Издательский дом «Агни», 2008. – 460 с: ил.
[7] Тесла, Н. Патенты / Тесла. Н – Самара: Издательский дом «Агни», 2009. – 496с.
[8] The Wardenclyffe Laboratory & the World Wireless System – http://teslaresearch.jimdo.com/wardenclyffe-lab-1901-1906/
[9] Цифровые цветные фото – Rex Hebert http://www.magnetricity.com/Tesla/Tesla.php#Gallery
© 2024 TechnoAttic. All rights reserved. This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.