Svjetski bežični sustav Nikole Tesle

U lipnju 1899. znanstvenik srpskog podrijetla, Nikola Tesla, započinje eksperimentalni rad u svom laboratoriju u Colorado Springsu (SAD). Teslin cilj u to vrijeme bilo je praktično proučavanje mogućnosti prijenosa električne energije kroz prirodni okoliš.

Teslin laboratorij podignut je na ogromnoj visoravni, koja se nalazi na nadmorskoj visini od dvije tisuće metara, a područje uokolo stotinama kilometara poznato je po prilično čestim olujama s jakom munjom.

Tesla je rekao da je uz pomoć fino podešenog uređaja uspio detektirati udare munje na udaljenosti od sedam ili osam stotina kilometara od njegovog laboratorija. Ponekad bi čekao gotovo sat vremena na grmljavinu sljedećeg pražnjenja munje, dok bi njegov uređaj točno određivao udaljenost do mjesta pražnjenja, kao i vrijeme nakon kojeg bi zvuk dospio u njegov laboratorij.

Želeći istražiti električne vibracije u kugli zemaljskoj, znanstvenik je prijemni transformator postavio tako da mu je primarni namot bio uzemljen s jednim priključkom, dok je drugi priključak bio spojen na vodljivi zračni priključak čija se visina mogla podešavati.

Sekundarni namot transformatora spojen je na osjetljivi samoregulirajući uređaj. Oscilacije u primarnom namotu uzrokovale su pojavu strujnih impulsa u sekundarnom namotu, koji je zauzvrat pokretao snimač.

Tesla je jednog dana promatrao udare munja grmljavinske oluje koja je bjesnila u radijusu manjem od 50 kilometara od njegovog laboratorija, a zatim je uz pomoć svog uređaja uspio zabilježiti oko 12 tisuća pražnjenja munje u samo dva sata!

Tijekom promatranja, znanstvenik je isprva bio iznenađen da munje koje su udarile dalje od njegovog laboratorija često imaju jači utjecaj na njegov uređaj za snimanje od onih koje su udarile bliže. Tesla je nedvojbeno utvrdio da razlika u jačini pražnjenja nije uzrok razlika. Ali što onda?

Trećeg srpnja Tesla je došao do svog otkrića. Promatrajući grmljavinsku oluju tog dana, znanstvenik je primijetio da su olujni oblaci koji su velikom brzinom jurili iz njegovog laboratorija generirali gotovo redovite (ponavljajući se u gotovo pravilnim intervalima) udare munja. Počeo je gledati svoj magnetofon.

Kako se grmljavinska oluja udaljavala od laboratorija, strujni impulsi u prijamnom transformatoru isprva su slabili, a zatim su se opet povećavali, dolazio je vrhunac, pa prošao i zamijenio ga je smanjenje intenziteta, ali onda je opet došao vrh, pa opet pad .

Uočio je ovaj jasan uzorak čak i kad se grmljavinska oluja već udaljila oko 300 kilometara od njegovog laboratorija, intenzitet nastalih poremećaja ostao je prilično značajan.

Znanstvenik nije nimalo sumnjao da se radi o valovima koji se šire od mjesta udara munje do tla, kao po običnoj žici, te je promatrao njihove vrhove i udubine upravo u trenucima kada ih je udaralo mjesto prihvatne zavojnice.

Tesla je tada krenuo u izradu uređaja koji bi generirao slične valove. To je morao biti strujni krug s vrlo visokim induktivitetom i što manjim otporom.

Odašiljač ove vrste može prenositi energiju (i informaciju), ali suštinski ne na isti način kao što je to implementirano u Hertz uređajima, odnosno ne putem elektromagnetska radijacija… Pretpostavlja se da su to stojni valovi koji se šire zemljom kao vodičem i kroz električki vodljivu atmosferu.

Kao što je zamislio znanstvenik, frekvencija u njegovom sustavu prijenosa energije mora se smanjiti do te mjere da minimizira emisiju (!) energije u obliku Elektromagnetski valovi.

Zatim, ako su ispunjeni uvjeti za rezonanciju, krug će moći akumulirati električnu energiju mnogih primarnih impulsa poput njihala. A učinak na prijemne stanice podešene na rezonanciju bile bi harmonijske oscilacije, čiji bi intenzitet u načelu mogao premašiti magnitudu fenomena prirodnog elektriciteta koji je Tesla promatrao tijekom grmljavinske oluje u Coloradu.

Kod takvog prijenosa, znanstvenik pretpostavlja da će koristiti svojstva vodljivosti prirodnog medija, za razliku od Hertzove metode sa zračenjem, gdje se puno energije jednostavno rasprši, a samo vrlo mali dio odaslane energije dospijeva do prijamnika.

Ako Teslin prijamnik sinkronizirate s njegovim odašiljačem, tada se može dobiti energija s učinkovitošću do 99,5% (Nikola Tesla, članci, str. 356), kao da se struja prenosi žicom malog otpora, iako u praksi prijenos struja se dobiva bežično. Zemlja djeluje kao jedini vodič u takvom sustavu. Tehnologija, smatra Tesla, omogućuje izgradnju svjetskog sustava za bežični prijenos električne energije.

Analogija koju je Tesla dao uspoređujući svoj sustav s Hertzovim sustavom u smislu učinkovitosti prijenosa energije (ili informacija) je sljedeća.

Zamislite da je planet Zemlja gumena lopta ispunjena vodom. Odašiljač je klipna pumpa koja radi u nekoj točki na površini lopte — voda se izvlači iz lopte i vraća u nju određenom frekvencijom, ali razdoblje mora biti dovoljno dugo da se lopta kao cjelina širi i skuplja na tu frekvenciju.

Tada će senzori pritiska na površini lopte (prijemnici) biti obaviješteni o pokretima, bez obzira na to koliko su udaljeni od pumpe, i to istim intenzitetom.Ako je frekvencija malo viša, ali ne jako visoka, tada će se oscilacije reflektirati sa suprotne strane kuglice i formirati čvorove i antinode, dok ako se rad obavlja u jednom od prijemnika, tada će se energija trošiti, ali njezina prijenos će se pokazati vrlo ekonomičnim...

U Hertzovom sustavu, ako nastavimo analogiju, pumpa se okreće enormnom frekvencijom, a otvor kroz koji se voda uvodi i vraća je vrlo malen. Kolosalan dio energije troši se u obliku infracrvenih toplinskih valova, a mali dio energije prenosi se na kuglu, tako da prijemnici mogu vrlo malo raditi.

U praksi, Tesla predlaže postizanje rezonantnih uvjeta u svjetskom bežičnom sustavu na sljedeći način. Odašiljač i prijamnik su okomito uzemljene zavojnice s više zavoja s visokom površinskom vodljivošću na stezaljkama pričvršćenim na njihove gornje vodove.

Odašiljač se napaja pomoću primarnog namota, koji sadrži znatno manje zavoja od sekundara, te je u snažnoj induktivnoj vezi s dnom uzemljene višezavojne sekundarne zavojnice.

Izmjenična struja u primarnom namotu dobiva se uz pomoć kondenzatora. Kondenzator se puni pomoću izvora i prazni kroz primarni namot transmitera. Frekvencija titranja tako formiranog primarnog titrajnog kruga jednaka je frekvenciji slobodnih oscilacija sekundarnog kruga, a duljina žice sekundarnog namota od mase do priključka jednaka je jednoj četvrtini valne duljine oscilacija koje se šire duž njega.

Pod uvjetom da gotovo sav vlastiti električni kapacitet sekundarnog kruga pada na stezaljku, tada se na stezaljci dobivaju antičvor (uvijek maksimalni zamah) napona i čvor (uvijek nula) struje, a na mjestu uzemljenja - antinod struje i čvor napona.Prijemnik ima sličan dizajn kao i odašiljač, s tom razlikom što je njegova glavna zavojnica višenavojna, a kratka na dnu je sekundarni.

Optimizirajući krug prijamnika, Tesla je došao do zaključka da se za njegov najučinkovitiji rad mora korigirati napon iz sekundarnog namota. Za to je znanstvenik razvio mehanički ispravljač, koji omogućuje ne samo ispravljanje napona, već i prijenos energije na opterećenje samo u onim trenucima kada je napon sekundarnog namota prijemnog kruga blizu vrijednosti amplitude.