okl mt 03-2007 pomocnicze.qxd

sladami tesli k.qxd
2007-02-19
nowe
18:20
Page 24
technologie
W naszych mieszkaniach pojawia się coraz
więcej kabli do coraz większej liczby urządzeń
elektrycznych. Co paradoksalne, liczba tych
kabli rośnie nawet bardziej, jeśli ma się do czynienia z urządzeniami bezprzewodowymi. Jest
jednak nadzieja, że możemy zostać uwolnieni
od tej plątaniny dzięki pomysłowi pioniera
elektrotechniki, Nikoli Tesli. Pomysłowi, opracowanemu na współczesne potrzeby przez
innego naukowca chorwackiego pochodzenia.
dzi tu inne medium niż w przypadku dźwięków, jak
i znacznie wyższe częstotliwości).
Zazwyczaj systemy, w których wykorzystuje się
promieniowanie elektromagnetyczne, jak np. anteny
radiowe, nie są przystosowane do skutecznego przekazywania energii, ponieważ emitują ją we wszystkich kierunkach, marnotrawiąc ogromne moce. Aby
poradzić sobie z tym problemem, zespół prof. Soljacica podjął badania nad szczególnym rodzajem obiektów „niepromieniujących”, charakteryzujących się
tzw. długotrwałym rezonansem.
Gdy do takich obiektów dostarczyć energię, pozostanie ona z nimi związana, zamiast ulotnić się do
otoczenia. Jeśli zbliżyć przedmiot o takiej samej częstotliwości rezonansowej odpowiednio blisko do takiego „nadajnika”, okaże się,
że energia przepływa „tunelowo” (oryginalne określenie prof. Soljacicia) z jednego obiektu do drugiego.
W związku z tym prosta
miedziana antena opracowana tak, aby miała długotrwały rezonans, może
przenosić energię do laptopa, wyposażonego w antenę o takiej samej częstotliwości rezonansowej. Dzięki temu będzie można stworzyć naprawdę bezprzewodowy komputer.
Energia nieskierowana do żadnego urządzenia
zostanie po prostu zreabsorbowana. System opisany
przez zespół może przenosić energię na odległość
trzech do pięciu metrów. To może działać na przykład
w pokoju, lecz zaadaptowanie na potrzeby fabryki jest
jak najbardziej realne. Skalowanie tego rozwiązania
na skalę mikroskopową lub nanoskopową jest także
realne, co umożliwi bezprzewodowe napędzanie sond
i nanorobotów np. wewnątrz organizmu.
Niestety zaprezentowana metoda istnieje jak
dotąd tylko w teorii. Nie została ona jeszcze przetestowana na żadnym sprzęcie elektronicznym i w ogóle
na żadnym prototypie. Zespół prof. Soljacicia planuje
testy prototypów urządzenia w tym roku.
Śladami Tesli
Marek Utkin
TEKST
TRUDNY
24
aptop – teoretycznie bezprzewodowy – wymaga
własnego zasilacza (z kablem), telefon komórkowy
– następnego (jeśli w domu jest kilka modeli różnych firm, to o unifikacji nie ma mowy), odtwarzacz
MP3 i aparat cyfrowy – następnych... A gdyby prąd
do tych urządzeń dostarczać bezprzewodowo?
Pomysł zdalnego przesyłania energii liczy sobie
ponad wiek. Profesor Marin Soljacic z Laboratorium
Badawczego Elektroniki w Departamencie Fizyki MIT,
wraz ze swymi współpracownikami, wziął na warsztat zjawisko rezonansu, sprawiające, że obiekt wpada w drgania, jeśli dostarczy się mu energii. Jest to
powszechnie znane w przypadku układów mechanicznych, jak np. instrumenty muzyczne, lecz występuje
również i w obwodach elektrycznych.
Dwa obiekty zestrojone rezonansowo na tę samą częstotliwość mają tendencję do wytwarzania rodzaju połączenia i współbrzmienia. Gdy np. zagra się
na jednym instrumencie jakiś ton, a w pobliżu będzie
drugi instrument o takiej samej częstotliwości rezonansowej, podchwyci ten ton i zacznie silnie i w widoczny sposób wibrować, przy minimalnym nakładzie
energii. Jeśli w pomieszczeniu znajduje się np. wiele
mis metalowych różnych rozmiarów, śpiewak (lub instrument), który wyemituje dźwięk odpowiedniej
częstotliwości, uzyska sprzężenie z jedną z mis, która
zacznie silnie wibrować w rytm dźwięku wzbudzającego. Nastąpi sprzężenie z misą o odpowiedniej częstotliwości rezonansowej (średnica misy musi być pełną krotnością długości fali dźwiękowej, najlepiej, jeżeli krotność = 1). W pozostałych misach dźwięk będzie
się wygaszał. Pękanie kieliszków w czasie śpiewu artystów o mocnym głosie również jest wynikiem działania zjawiska sprzężenia rezonansowego.
Tego rodzaju zestrojenie jest możliwe również
w przypadku wszelkich fal elektromagnetycznych – od
fal radiowych, poprzez podczerwień, na promieniowaniu rentgenowskim kończąc (oczywiście w grę wcho-
L
DAWNA TECHNIKA
Zespół z MIT nie jest pierwszym, który proponuje bezprzewodowy transfer energii. Wynalazca,
uczony i inżynier pochodzenia chorwackiego, Nikola
Tesla (1856–1943), eksperymentował z bezprzewodowym przekazywaniem energii na duże dystanse, choć
jego największy eksperyment nie udał się m.in. z braku finansów.
Inne urządzenia stosowane do bezprzewodowego, kierunkowego zasilania urządzeń to lasery i nadajniki mikrofalowe. Jednak wymagają one niezakłóconego „widoku” pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem oraz nie są zbyt bezpieczne.
Brytyjska firma Splashpower opracowała urządzenie stanowiące substytut prawdziwego zasilania
bezprzewodowego – niewielki panel, na którym można położyć telefon lub odtwarzacz MP3. Urządzenie to
ma wbudowaną pętlę magnetyczną i działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, podobnie jak ładowarki do szczoteczek elektrycznych.
sladami tesli k.qxd
2007-02-19
18:20
Page 25
Schemat działania systemu zasilania bezprzewodowego
– Prąd płynie z gniazdka do anteny (miedzianej)
– Antena pracuje z częstotliwością rezonansową 6,4 MHz, emitując fale elektromagnetyczne
– Prąd jest przechwytywany przez antenę laptopa, o częstotliwości rezonansowej 6,4 MHz. Energia służy do ładowania urządzenia
– Energia nieprzechwycona jest reabsorbowana przez nadajnik. Ludzie ani inne obiekty nie podlegają wpływowi transmisji.
NIKOLA TESLA
Tesla był jednym z najwybitniejszych i jednocześnie najbardziej kontrowersyjnych wynalazców
przełomu XIX i XX w. Przypisuje mu się setki rozmaitych wynalazków, które miały bezpośredni wpływ na
postęp ówczesnego przemysłu, jak i mniej znanych
bądź nawet utajnionych przez rząd USA.
Urodzony na wsi w Chorwacji (w owym czasie
Cesarstwo Austro-Węgierskie), od najmłodszych lat
przejawiał nieprzeciętne zdolności, zapewne odziedziczone po matce, która chociaż nie umiała pisać, to
znała na pamięć wiele tomów wierszy i sama wymyślała i budowała narzędzia potrzebne do pracy przy
warsztacie tkackim i w gospodarstwie domowym.
Ojciec chciał, aby Nikola został popem, lecz sprzeciwił
się temu miejscowy nauczyciel, który rozpoznał zdolności młodego człowieka i wystarał o stypendium.
W rezultacie Tesla studiował inżynierię na politechnice w Grazu, po czym podjął pracę w urzędzie
telegraficznym w Budapeszcie, gdzie firma Bell & Co.
instalowała swoje urządzenia. Tam też Tesla wpadł
na pomysł rotacyjnego silnika prądu przemiennego,
który mógł również pełnić rolę prądnicy.
Projekt wynalazku przesłał do Thomasa A. Edisona, który natychmiast zainteresował się pomysłem
i zaprosił Teslę do swojego słynnego laboratorium.
Edison zaproponował mu współpracę: Tesla miał doprowadzić do poprawy wydajności generowania prądu w jego elektrowniach. Obiecał, że jeśli uda mu się
zwiększyć wydajność elektrowni o 50%, Tesla otrzyma
50 000 dolarów nagrody. Zajęło to Tesli około roku, po
czym zaproponował Thomasowi Edisonowi przejście
w jego elektrowniach na prąd przemienny (działały
one wtedy na prąd stały).
Edison dostał szału i wyrzucił Teslę, nie płacąc mu ani centa (Edison nie lubił prądu przemiennego, prawdopodobnie dlatego, że jako „naturszczyk” nie rozumiał rachunku liczb zespolonych, potrzebnego do zrozumienia teorii budowy prądnicy
prądu przemiennego). Za Teslą ujęli się jednak inni
właściciele Edison Electric Light Company, zwłaszcza John P. Morgan, i finansowali go, aby mógł rozwijać swoje pomysły w ramach firmy Tesla Electric
Light Company.
Wkrótce patenty Tesli kupił Westinghouse, co
wywołalo wojnę handlową pomiędzy Westinghouse’em a Thomasem Edisonem.
Aby zdyskredytować prąd zmienny, Edison zainstalował w Sing-Singu krzesło elektryczne (zwane
wśród więźniów „Old Sparky”, Stary Iskrzyciel), zasilane właśnie prądem przemiennym.
25
sladami tesli k.qxd
nowe
2007-02-19
18:20
Page 26
technologie
W końcu systemy prądu zmiennego wygrały,
a Tesla odniósł największy tryumf, gdy uruchomiono
elektrownię wodną Niagara Falls, gdzie pracowały
maszyny noszące jego nazwisko.
Co ciekawe, pomimo swych osiągnięć, Tesla
miał własne teorie dotyczące elektryczności. Nie mówił o elektronach i falach elektromagnetycznych, lecz
o fluidach, wibracjach i harmonicznych w systemie,
który sam doskonale rozumiał, lecz inni mieli z tym
problemy.
Pomimo to Tesla miał osiągnięcia. Fascynowały
go prądy o wysokich częstotliwościach, lecz generatory mechaniczne nie były w stanie osiągnąć odpowiednio dużych obrotów, bo rozpadały się w wyniku działania siły odśrodkowej. Tak więc opracował on liczne
urządzenia umożliwiające uzyskanie wysokich częstotliwości bez potrzeby stosowania części ruchomych.
Najbardziej znanym z nich jest cewka Tesli, czyli rezonansowa cewka wysokonapięciowa, spotykana na
licznych imprezach z okazji Dni Nauki oraz w szklanych kulach z pełzającymi wewnątrz wyładowaniami.
Ten transformator wysokiego napięcia jest znany
wszystkim, którzy widzieli stary film o Frankensteinie,
gdzie stosowano go do wytwarzania łuków elektrycznych, które są niezbędne w każdej pracowni szanującego się szalonego naukowca.
Cewka Tesli generuje również pole elektryczne,
pozwalające na zaświecanie lamp fluorescencyjnych
na odległość.
RADIO
26
Zainteresowanie Tesli wysokimi częstotliwościami sprawiło, że stworzył on wiele obwodów, wykorzystanych następnie w budowie nadajników i odbiorników. Jego patenty wyprzedziły o wiele lat patenty
Marconiego i ostatecznie w 1943 r. Sąd Najwyższy USA
przyznał mu pierwszeństwo – niestety pośmiertnie.
Kolejnym polem, na którym Tesla był pierwszy,
była „teleautomatyka”, czyli zdalne kierowanie.
W 1898 r. w Nowym Jorku, na stawie w Central Parku
Tesla zaprezentował niewielki statek, którym sterował
na odległość za pomocą niewielkiego pudełka. Obecnie, gdy za 50 PLN można kupić w sklepie z zabawkami motorówkę kierowaną radiem, nie wydaje się to niczym szczególnym. Jednak wtedy mały statek, który
na rozkaz ruszał, zatrzymywał się, skręcał i włączał
światła, stanowił sensację. Dodatkowo statki Tesli były zaopatrzone w obwody chroniące przed przechwyceniem przez silniejszy nadajnik. Wynalazca stworzył
całą grupę zdalnie sterowanych urządzeń – maszynę
kroczącą, maszynę latającą i maszynę pływającą, którymi mógł sterować zdalnie za pomocą nadajnika. Kolejnym pomysłem było wymontowanie urządzeń sterujących z nadajnika i zainstalowanie w maszynie kroczącej, zaopatrzenie jej w czujniki i wypuszczenie,
aby sama podejmowała decyzje o swych ruchach.
W wyniku tego eksperymentu powstał pierwszy na
świecie robot. Obwody tam zastosowane były niezwykle podobne do współczesnych nam bramek logicznych, co sprawiło, że późniejsi wynalazcy nie mogli
ich opatentować.
Kolejnym wynalazkiem była turbina Tesli – bezłopatkowa, talerzowa, o sporej wydajności, wykorzystująca efekt lepkość gazu i powierzchniowy. Nie miała
ona jednak 97% sprawności, a połowę tego i nie nadawała się do aż tak szerokich zastosowań, jak spodziewał się wynalazca.
W latach 90. XIX stulecia Tesla przepuszczał
prąd przez rury z rozrzedzonym gazem. Inni naukowcy, pracując nad tym zjawiskiem, stworzyli neony oraz
podstawy do fizyki plazmowej, lecz Tesla zajął się
przesyłaniem energii na odległość. Powinno to według niego pozwolić na bezprzewodowe zasilanie
wszystkiego, od latarki ręcznej po samolot.
Niektóre z jego eksperymentów doprowadziły
do wysadzenia generatora w elektrowni (który naprawił na własny koszt) oraz do porażenia kilku koni
przez podkowy (w odległości paru kilometrów od jego
laboratorium), niestety w wyniku zwykłego przewodnictwa gruntu, a nie działania niezbadanych fluidów
elektrycznych.
Jednak nie jest do końca pewne, czy Tesli nie udało się przesyłać energii na duże odległości – w 1931 r.
zaprezentował on samochód, zmodyfikowany PierceArrow, wyposażony w silnik elektryczny zamiast spalinowego. Jak twierdzą niektórzy świadkowie, pobierał
on energię z otoczenia za pomocą dwóch krótkich prętów i zespołu lamp radiowych. Inna, bardziej prawdopodobna opinia głosi jednak, że samochód był napędzany akumulatorem, którego elektrody cynkowe wynurzały się okresowo z kwasu, co oczyszczało je z tworzących się bąbli gazu i zapewniało niezmienną efektywność przez cały czas działania.
Niestety wiele projektów Tesli zostało zarzuconych (lub nie zostało w ogóle zrealizowanych), gdyż
entuzjastyczni początkowo inwestorzy wycofali się,
woląc przedsięwzięcia może mniej nowatorskie, lecz
pewniejsze, a co ważniejsze – przynoszące stałe dochody.
Ostatnie lata swego życia (od 1934 r.) Tesla
spędził w hotelu New Yorker, w pokoju nr 3327, z zamocowaną na drzwiach na stałe wywieszką „nie przeszkadzać”. Numer pokoju był bardzo ważny, gdyż Tesla wymagał, aby był podzielny przez 3...
7 stycznia 1943 r. Tesla zmarł. Natychmiast po
jego śmierci, do apartamentów, które zajmował, wkroczyli agenci OSS, FBI oraz OAP (Office of Alien Property, Biuro Własności Zagranicznej, o kosmitach nie ma
tu mowy) i zabezpieczyli wszystkie urządzenia oraz
notatki – ostatecznie był to czas wojny, a Tesla, pomimo swych dziwactw pod koniec życia, był genialnym
wynalazcą. Przepisu na promienie śmierci nie znaleziono.
Gdy agenci skończyli swą pracę, Hugo Gernsback, wydawca pism „Modern Electrics”, „Electric
Experimenter”, „Science & Invention” oraz „Radio
News”, w których wielokrotnie pisano o Tesli, zamówił maskę pośmiertną wynalazcy. Odlana w brązie,
zdobiła jego gabinet przez wiele lat. Trzeba dodać,
że Gernsback był autorem terminu science fiction oraz
wydawcą „Amazing Stories” i kilku tuzinów innych
tytułów fantastycznonaukowych. Wydaje się, że działalność Tesli w ostatnich latach jego życia była bliższa
„Astounding” lub „Amazing Stories” niż „Science &
Invention”.
Co do tego, co znaleźli agenci rządowi w pokoju nr 3327, po dziś dzień krążą rozmaite spekulacje,
ustępujące ilością jedynie tym dotyczącym historii
Atlantydy.