Το παγκόσμιο ασύρματο σύστημα του Νίκολα Τέσλα
Τον Ιούνιο του 1899, ένας επιστήμονας σερβικής καταγωγής, Νίκολα Τέσλα, ξεκινά πειραματικές εργασίες στο εργαστήριό του στο Κολοράντο Σπρινγκς (ΗΠΑ). Ο στόχος του Tesla εκείνη την εποχή ήταν μια πρακτική μελέτη της δυνατότητας μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του φυσικού περιβάλλοντος.
Το εργαστήριο του Tesla είναι χτισμένο σε ένα τεράστιο οροπέδιο, το οποίο βρίσκεται σε υψόμετρο δύο χιλιάδων μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, και η περιοχή για εκατοντάδες χιλιόμετρα γύρω είναι γνωστή για αρκετά συχνές καταιγίδες με πολύ έντονους κεραυνούς.
Ο Τέσλα είπε ότι με τη βοήθεια μιας καλά συντονισμένης συσκευής μπόρεσε να ανιχνεύσει κεραυνούς που συμβαίνουν σε απόσταση επτακόσιων ή οκτακοσίων χιλιομέτρων από το εργαστήριό του. Μερικές φορές περίμενε σχεδόν μια ώρα για τον ήχο της βροντής από την επόμενη εκκένωση κεραυνού, ενώ η συσκευή του καθόριζε με ακρίβεια την απόσταση από το σημείο όπου είχε συμβεί η εκκένωση, καθώς και το χρόνο μετά τον οποίο ο ήχος θα έφτανε στο εργαστήριό του.
Θέλοντας να μελετήσει τους ηλεκτρικούς κραδασμούς στην υδρόγειο, ο επιστήμονας τοποθέτησε τον μετασχηματιστή λήψης έτσι ώστε η κύρια περιέλιξή του να γειωθεί με έναν από τους ακροδέκτες του, ενώ ο δεύτερος ακροδέκτης του συνδέθηκε με ένα αγώγιμο τερματικό αέρα, το ύψος του οποίου μπορούσε να ρυθμιστεί.
Η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή συνδέεται με μια ευαίσθητη αυτορυθμιζόμενη συσκευή. Οι ταλαντώσεις στο πρωτεύον τύλιγμα προκάλεσαν την εμφάνιση παλμών ρεύματος στο δευτερεύον τύλιγμα, το οποίο με τη σειρά του λειτουργούσε τη συσκευή εγγραφής.
Μια μέρα, ο Τέσλα παρατήρησε κεραυνούς από μια καταιγίδα που μαίνεται σε ακτίνα μικρότερη των 50 χιλιομέτρων από το εργαστήριό του και στη συνέχεια με τη βοήθεια της συσκευής του κατάφερε να καταγράψει περίπου 12.000 εκκενώσεις κεραυνών σε μόλις δύο ώρες!
Κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων, ο επιστήμονας αρχικά εξεπλάγη ότι οι κεραυνοί πιο μακριά από το εργαστήριό του είχαν συχνά ισχυρότερο αντίκτυπο στη συσκευή καταγραφής του από εκείνους που χτυπούσαν πιο κοντά. Ο Tesla διαπίστωσε κατηγορηματικά ότι η διαφορά στην ισχύ των εκκενώσεων δεν ήταν η αιτία των διαφορών. Αλλά τι μετά;
Στις τρεις Ιουλίου, ο Τέσλα έκανε την ανακάλυψή του. Παρατηρώντας μια καταιγίδα εκείνη την ημέρα, ο επιστήμονας παρατήρησε ότι τα σύννεφα καταιγίδας που ορμούσαν με μεγάλη ταχύτητα από το εργαστήριό του προκάλεσαν σχεδόν τακτικές (που επαναλαμβάνονται σε σχεδόν τακτά χρονικά διαστήματα) κεραυνούς. Άρχισε να παρακολουθεί το μαγνητόφωνό του.
Καθώς η καταιγίδα απομακρύνθηκε από το εργαστήριο, οι παλμοί ρεύματος στον μετασχηματιστή λήψης αρχικά εξασθενούσαν, αλλά στη συνέχεια αυξήθηκαν ξανά, ήρθε μια αιχμή, μετά πέρασε και αντικαταστάθηκε από μια μείωση της έντασης, αλλά στη συνέχεια ήρθε ξανά μια αιχμή και μετά ξανά μείωση .
Παρατήρησε αυτό το ξεχωριστό μοτίβο ακόμα και όταν η καταιγίδα είχε ήδη απομακρυνθεί περίπου 300 χιλιόμετρα από το εργαστήριό του, η ένταση των διαταραχών που προέκυψαν παρέμεινε αρκετά σημαντική.
Ο επιστήμονας δεν είχε καμία αμφιβολία ότι επρόκειτο για κύματα που εξαπλώνονταν από τα σημεία όπου ο κεραυνός χτύπησε στο έδαφος, σαν κατά μήκος ενός συνηθισμένου σύρματος, και παρατήρησε τις κορυφές και τις γούρνες τους ακριβώς τη στιγμή που τους χτύπησε η θέση του πηνίου υποδοχής.
Στη συνέχεια, ο Tesla ξεκίνησε να κατασκευάσει μια συσκευή που θα παρήγαγε παρόμοια κύματα. Έπρεπε να είναι ένα κύκλωμα με πολύ υψηλή αυτεπαγωγή και όσο το δυνατόν λιγότερη αντίσταση.
Ένας πομπός αυτού του είδους μπορεί να μεταδώσει ενέργεια (και πληροφορίες), αλλά ουσιαστικά όχι με τον ίδιο τρόπο που εφαρμόζεται στις συσκευές Hertz, δηλαδή όχι μέσω ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία… Αυτά υποτίθεται ότι είναι στάσιμα κύματα που διαδίδονται κατά μήκος της γης ως αγωγός και μέσω μιας ηλεκτρικά αγώγιμης ατμόσφαιρας.
Όπως αντιλήφθηκε ο επιστήμονας, η συχνότητα στο σύστημα μεταφοράς ενέργειας του πρέπει να μειωθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να ελαχιστοποιηθεί η εκπομπή (!) ενέργειας με τη μορφή Ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Στη συνέχεια, εάν πληρούνται οι προϋποθέσεις συντονισμού, το κύκλωμα θα μπορεί να συσσωρεύει την ηλεκτρική ενέργεια πολλών πρωταρχικών παλμών σαν ένα εκκρεμές. Και το αποτέλεσμα στους σταθμούς λήψης συντονισμένους σε συντονισμό θα ήταν αρμονικές ταλαντώσεις, η ένταση των οποίων θα μπορούσε κατ' αρχήν να υπερβαίνει σε μέγεθος τα φαινόμενα φυσικού ηλεκτρισμού που παρατήρησε ο Τέσλα κατά τη διάρκεια καταιγίδων στο Κολοράντο.
Με μια τέτοια μετάδοση, ο επιστήμονας υποθέτει ότι θα χρησιμοποιήσει τις ιδιότητες αγωγιμότητας του φυσικού μέσου, σε αντίθεση με τη μέθοδο του Hertz με την ακτινοβολία, όπου αρκετή ενέργεια απλώς διαχέεται και μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα της εκπεμπόμενης ενέργειας φτάνει στον δέκτη.
Εάν συγχρονίσετε τον δέκτη του Tesla με τον πομπό του, τότε μπορείτε να λάβετε ενέργεια με απόδοση έως και 99,5% (Nikola Tesla, άρθρα, σελ. 356), σαν να μεταφέρετε ρεύμα μέσω καλωδίου χαμηλής αντίστασης, αν και στην πράξη η μεταφορά η ισχύς λαμβάνεται ασύρματα. Η Γη λειτουργεί ως ο μόνος αγωγός σε ένα τέτοιο σύστημα. Η τεχνολογία, πιστεύει η Tesla, καθιστά δυνατή την κατασκευή ενός παγκόσμιου συστήματος ασύρματης μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας.
Η αναλογία που έδωσε ο Tesla αντιπαραβάλλοντας το σύστημά του με το σύστημα Hertzian όσον αφορά την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης ενέργειας (ή πληροφοριών) είναι αυτή.
Φανταστείτε ότι ο πλανήτης Γη είναι μια λαστιχένια μπάλα γεμάτη με νερό. Ο πομπός είναι μια παλινδρομική αντλία που λειτουργεί σε κάποιο σημείο στην επιφάνεια της μπάλας — το νερό αντλείται από τη σφαίρα και επιστρέφει σε αυτήν με μια ορισμένη συχνότητα, αλλά η περίοδος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε η μπάλα ως σύνολο να διαστέλλεται και να συστέλλεται σε αυτή η συχνότητα.
Στη συνέχεια οι αισθητήρες πίεσης στην επιφάνεια της μπάλας (δέκτες) θα ενημερώνονται για κινήσεις, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά από την αντλία βρίσκονται, και με την ίδια ένταση.Εάν η συχνότητα είναι ελαφρώς υψηλότερη, αλλά όχι πολύ υψηλή, τότε οι ταλαντώσεις θα αντανακλούν από την αντίθετη πλευρά της μπάλας και θα σχηματίσουν κόμβους και αντικόμβους, ενώ εάν γίνει εργασία σε έναν από τους δέκτες, τότε η ενέργεια θα καταναλωθεί, αλλά η μετάδοση θα αποδειχθεί πολύ οικονομική…
Στο σύστημα Hertzian, αν συνεχίσουμε την αναλογία, η αντλία περιστρέφεται με τεράστια συχνότητα και το άνοιγμα μέσω του οποίου εισάγεται και επιστρέφει το νερό είναι πολύ μικρό. Ένα κολοσσιαίο μέρος της ενέργειας δαπανάται με τη μορφή υπέρυθρων κυμάτων θερμότητας και ένα μικρό μέρος της ενέργειας μεταφέρεται στην μπάλα, έτσι οι δέκτες μπορούν να κάνουν πολύ λίγη δουλειά.
Στην πράξη, η Tesla προτείνει την επίτευξη συνθηκών συντονισμού στο παγκόσμιο ασύρματο σύστημα ως εξής. Ο πομπός και ο δέκτης είναι κάθετα γειωμένα πηνία πολλαπλών στροφών με υψηλή επιφανειακή αγωγιμότητα στους ακροδέκτες που είναι προσαρτημένοι στα επάνω καλώδια τους.
Ο πομπός τροφοδοτείται από ένα πρωτεύον τύλιγμα, το οποίο περιέχει σημαντικά λιγότερες στροφές από το δευτερεύον και είναι σε ισχυρή επαγωγική σύνδεση με το κάτω μέρος ενός γειωμένου δευτερεύοντος πηνίου πολλαπλών στροφών.
Το εναλλασσόμενο ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα λαμβάνεται με τη βοήθεια ενός πυκνωτή. Ο πυκνωτής φορτίζεται από την πηγή και εκφορτίζεται μέσω της κύριας περιέλιξης του πομπού. Η συχνότητα ταλάντωσης του πρωτεύοντος κυκλώματος ταλάντωσης που σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο είναι ίση με τη συχνότητα των ελεύθερων ταλαντώσεων του δευτερεύοντος κυκλώματος και το μήκος του σύρματος της δευτερεύουσας περιέλιξης από το έδαφος στον ακροδέκτη είναι ίσο με το ένα τέταρτο του μήκος κύματος των ταλαντώσεων που διαδίδονται κατά μήκος του.
Με την προϋπόθεση ότι σχεδόν όλη η αυτοηλεκτρική χωρητικότητα του δευτερεύοντος κυκλώματος πέφτει στον ακροδέκτη, τότε στον ακροδέκτη λαμβάνεται ο αντικόμβος (πάντα η μέγιστη ταλάντευση) της τάσης και ο κόμβος (πάντα μηδέν) του ρεύματος, και στο σημείο γείωσης - ο αντικόμβος του ρεύματος και ο κόμβος της τάσης Ο δέκτης έχει παρόμοια σχεδίαση με τον πομπό, με τη μόνη διαφορά ότι το κύριο πηνίο του είναι πολλαπλών στροφών και το κοντό στο κάτω μέρος είναι ένα δευτερεύων.
Βελτιστοποιώντας το κύκλωμα δέκτη, η Tesla κατέληξε στο συμπέρασμα ότι για την πιο αποτελεσματική λειτουργία του πρέπει να διορθωθεί η τάση από τη δευτερεύουσα περιέλιξη. Για αυτό, ο επιστήμονας ανέπτυξε έναν μηχανικό ανορθωτή, ο οποίος επιτρέπει όχι μόνο τη διόρθωση της τάσης, αλλά και τη μεταφορά ενέργειας στο φορτίο μόνο εκείνες τις στιγμές που η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης του κυκλώματος λήψης είναι κοντά στην τιμή πλάτους.