Возможно ли передать энергию по воздуху без проводов?
Такая идея зародилась у истоков практической электротехники. Но если в передаче информационных, маломощных потоков энергии людьми достигнуты огромные успехи - трансляции радио и телевидения принимаются сегодня повсюду, то с передачей мощных потоков дело обстоит значительно хуже. Но не все так плачевно.
Советские энергетики работали над передачей электроэнергии по трубам. Волноводы, наполненные элегазом, считались намного перспективнее обычных ЛЭП и кабелей при передаче сверхмощных потоков электроэнергии. В Канаде в 1988 году была испытана модель самолета, отличающаяся тем, что на ее борту не было источника питания. Вся энергия, необходимая для вращения винта, передавалась с земли по микроволновому лучу.
Во Франции был разработан и испытан способ на основе электромагнитной индукции. Излучатель энергии состоял из катушки с магнитным сердечником, по которой протекает ток частотой в десятки килогерц. Приемное устройство — тоже катушка с магнитным сердечником — монтируется в любой электроприбор. Когда прибор находится неподалеку от излучателя, возникает электродвижущая сила и прибор начинает работать. Причем в пределах одного помещения можно подпитывать от одного излучателя сразу несколько бытовых приборов.
Однако, все это — лишь частности. До широкой практики — еще «как до Китая». Слишком велики потери энергии. Но, ведь можно воспользоваться рецептом столетней давности.
В 1893 году на съезде Ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе сербский изобретатель Никола Тесла, долгие годы работавший в США, продемонстрировал лампы, горевшие без проводов, электромотор, вращавшийся без подключения к электросети. Вот что Тесла тогда прокомментировал:
«...Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся нас всех. Я имею в виду передачу сигналов, а может быть, даже энергии на любое расстояние без проводов... Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться этой цели землей?..»
То, что это были не пустые слова, Никола Тесла доказал спустя несколько лет. Добившись ошеломительного успеха в создании крупнейшей в те годы Нагарской ГЭС, изобретатель стал увлеченно работать над проектом мировой энергетической системы. Он был абсолютно уверен в реальности проекта. Он заявил, что Всемирная выставка 1903 года в Париже будет освещена ниагарской электроэнергией, переданной без проводов. Уверенность придавали Тесле не только теоретические разработки, но и серия экспериментов, проведенных в уникальной лаборатории в Колорадо-Спрингсе в 1899—1900 годах.
Сведения о них приведены в книге Джона О'Нейпа «Электрический Прометей». «В Колорадо-Спрингсе,— говорится там,— Тесла не просто устраивал искусственные громы, а провел испытание системы беспроводной передачи энергии. Ему удавалось питать током, извлекаемым из земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных в 42 км от его лаборатории. Мощность каждой из них составляла 50 Вт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л. с. Тесла утверждал, что КПД передачи превышал 95%, и был убежден, что с помощью 300-сильного вибратора смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 электрических лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».
Что же это за аппарат, с помощью которого электроэнергию можно передавать на любое расстояние во всепланетном масштабе?
Сердцем вибратора был гигантский трансформатор системы Тесла. Он имел первичную обмотку из нескольких витков толстого провода на ограде диаметром 24,4 м и размещенную внутри ее с большим воздушным зазором многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур — преобразователь частоты. Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня, увенчанная на высоте 60 м большим медным шаром. Один конец выхода трансформатора соединялся с этим шаром, другой — заземлялся. Все это устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью в 300 л. с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 кГц (длина волны 2 тыс. м), при этом рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 тыс. В, а резонирующий потенциал в шаре достигал 100 млн. вольт.
Теперь, наверное, понятно, откуда появлялись искусственные молнии, описанные в книге. При столь высоком потенциале электрическая искра способна пробивать воздушный промежуток значительной величины. Но каким образом запитывались электролампы на расстоянии 42 км от работающего вибратора?
Известные способы беспроводной передачи энергии — скажем, по воздуху — не позволяют передавать с малыми потерями мощности, достаточные для питания электролампочек. Наибольшая величина мощности, принимаемая на таком расстоянии от радиопередатчика, составила бы на три порядка меньшую величину, чем требуется. Поэтому Тесла пошел другим путем. Вспомните, на съезде в Сант-Льюисе он говорил о применении в качестве проводника земли! Отсюда и давайте исходить. Использование земли в качестве второго проводника давно известно, скажем, в системах связи — для работы полевого телефона вполне достаточно одного провода. Так же работает и трамвай — ему в отличие от троллейбуса в качестве второго провода служат заземленные рельсы. Тесла смотрел еще дальше. Как говорится в книге «Электрический Прометей», изобретатель «накачивал» в землю и извлекал оттуда поток электронов: «Частота «накачки» и «откачки» составляла около 150 тысяч Гц, что соответствовало длине волны порядка 2000 м. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингса, волны затем сходились в диаметрально противоположной точке земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну». Если считать, что вслед за Теслой мы определим тот участок диапазона электромагнитных волн, в котором электрические колебания наилучшим образом распространяются в почве, и запустим их туда. Но как извлечь энергию из «электрической земли»? Тесла подумал и об этом. «Если привести всю землю в состояние электрической вибрации,— читаем в книге дальше,— то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами, наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только за-земленными и снабженными сравнительно небольшими антеннами, высотой с сельский коттедж».
Назначение колебательного контура и его устройство в принципе понятно. Но зачем антенна? Каким все-таки образом Тесла предполагал замкнуть разорванную электрическую цепь между источником энергии и ее потребителем? Первое, что приходит на ум — воспользоваться проводящими свойствами некоторых слоев атмосферы. Как известно, ионосфера может неплохо проводить электрический ток. Но до нее надо еще добраться, она находится на высоте десятков километров над планетой, а тут антенна высотой всего «с селький коттедж» Может, Тесла воспользовался каким-то другим способом?
Вероятно, речь идет об аккумулировании заряда у однополюсного источника. Его можно аккумулировать не только в ионизированном газе, но и в собственной емкости уединенного шара-проводника. Ключ к проблеме — в создании эффективных одно-полюсных источников тока. Работают такие источники следующим образом.
В обычном состоянии земля и воздух практически электронейтральны. Но вот заработал вибратор. Словно своеобразный насос, он начинает «накачивать» в землю носители электрического заряда — отрицательно заряженные электроны. Откуда он их берет? Из воздуха. Таким образом в атмосфере вокруг антенны скапливается все большее количество положительно заряженных частиц — ионов. Положительный заряд возрастает до тех пор, пока воздушная прослойка не перестает выполнять обязанности изолятора,— тогда в землю бьет искра искусственной молнии. Плюс замыкается на минус, среда нейтрализуется, и заряды можно накапливать снова.
"center">
Так работает генератор. Если же наша установка действует в режиме потребления энергии, то, получая из почвы отрицательные заряды, она накапливает их на антенне и в конце концов, замыкает сквозь воздух на положительно заряженную тучу.
Для простоты рассуждений мы рассматривали и генератор, и источник постоянного тока. Но в установке Теслы работал переменный ток, каждый полупериод меняющий свое направление! А это значительно упрощает дело, позволяет обойтись и без грозовых разрядов. Достаточно на конце антенны поставить металлический шар, который станет служить аккумулятором зарядов. Первый полупериод он накапливает, скажем, отрицательные заряды, второй же полупериод он отдает их, получая взамен положительные.
Тесла был настолько уверен в правильности расчетов, что в начале XX века с присущим ему размахом начал сооружать вблизи Нью-Йорка башню «Всемирного телеграфа».
«Недавно я задумал установку, которая передавала бы без проводов для начала десять тысяч лошадиных сил. Энергию можно будет получать любыми порциями в любом месте Земли,— писал он по этому поводу в начале 1905 года.— Проект можно завершить этой зимой, а если некоторые подготовительные работы удастся закончить в течение сезона, то машина заработает в полную силу к концу будущей осени».
Однако установка так и не заработала — ни «к началу будущей осени», ни когда-либо вообще. Гениальный изобретатель не отличался практичностью. Собственных денег было негусто, а финансовые тузы не решились раскошелиться. Почему? Да потому, что «энергию можно будет получать любыми порциями в любом месте Земли». А значит - бесплатно. С этим финансисты не захотели смириться: электроэнергия становилась ценным товаром. Напрасно пришедший в отчаяние изобретатель разразился знаменитой статьей «Передача электрической энергии без проводов как средство достижения мира».
«3 июля 1899 года я открыл земные стоячие волны,— писал он.— Тогда казалось, что потребуется не более года, чтобы опоясать планету моим беспроволочным обручем. Увы! Первая станция «мирового телеграфа» еще не достроена, ее сооружение хоть и продвигается, но за последние два года оно печально замедлилось. И та машина, которую я задумал,- игрушка, осциллятор, дающий всего тысячи лошадиных сил, но способный тем не менее потрясти мир, - когда же будет готов хотя бы он? Когда ток, более сильный, чем у сварочного аппарата, потечет сквозь всю Землю, когда энергия тысяч Ниагарских водопадов осветит Вселенную молниями - молниями, которые разбудят спящих электриков Марса и Венеры, если они только там есть?».
Однако, никто не собирался будить электриков Марса и Венеры. Никто не бросился отдавать центы и доллары, чтобы электрические Ниагары объединили весь мир в единое целое.
Планета стояла накануне первой мировой войны, многие страны лихорадочно готовились к ней. И снабжать будущего противника бесплатной электроэнергией было глупо. Строительство сначала остановили, а затем подрядчики вывезли уже поставленное оборудование. Башня недостроенного телеграфа осталась без применения. Спустя несколько лет ее снесли. Это надломило впечатлительного человека, много лет работавшего без отдыха. Тесла прожил еще долгую жизнь - он умер в возрасте 86 лет в 1943 году, но больше не предлагал грандиозных проектов. Вскоре он совсем перестал интересоваться электротехникой и изобретательством.
По материалам статьи Петрова В. (ЮТ 1-90)
Советские энергетики работали над передачей электроэнергии по трубам. Волноводы, наполненные элегазом, считались намного перспективнее обычных ЛЭП и кабелей при передаче сверхмощных потоков электроэнергии. В Канаде в 1988 году была испытана модель самолета, отличающаяся тем, что на ее борту не было источника питания. Вся энергия, необходимая для вращения винта, передавалась с земли по микроволновому лучу.Во Франции был разработан и испытан способ на основе электромагнитной индукции. Излучатель энергии состоял из катушки с магнитным сердечником, по которой протекает ток частотой в десятки килогерц. Приемное устройство — тоже катушка с магнитным сердечником — монтируется в любой электроприбор. Когда прибор находится неподалеку от излучателя, возникает электродвижущая сила и прибор начинает работать. Причем в пределах одного помещения можно подпитывать от одного излучателя сразу несколько бытовых приборов.
Однако, все это — лишь частности. До широкой практики — еще «как до Китая». Слишком велики потери энергии. Но, ведь можно воспользоваться рецептом столетней давности.
В 1893 году на съезде Ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе сербский изобретатель Никола Тесла, долгие годы работавший в США, продемонстрировал лампы, горевшие без проводов, электромотор, вращавшийся без подключения к электросети. Вот что Тесла тогда прокомментировал:
«...Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся нас всех. Я имею в виду передачу сигналов, а может быть, даже энергии на любое расстояние без проводов... Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться этой цели землей?..»
То, что это были не пустые слова, Никола Тесла доказал спустя несколько лет. Добившись ошеломительного успеха в создании крупнейшей в те годы Нагарской ГЭС, изобретатель стал увлеченно работать над проектом мировой энергетической системы. Он был абсолютно уверен в реальности проекта. Он заявил, что Всемирная выставка 1903 года в Париже будет освещена ниагарской электроэнергией, переданной без проводов. Уверенность придавали Тесле не только теоретические разработки, но и серия экспериментов, проведенных в уникальной лаборатории в Колорадо-Спрингсе в 1899—1900 годах.
Сведения о них приведены в книге Джона О'Нейпа «Электрический Прометей». «В Колорадо-Спрингсе,— говорится там,— Тесла не просто устраивал искусственные громы, а провел испытание системы беспроводной передачи энергии. Ему удавалось питать током, извлекаемым из земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных в 42 км от его лаборатории. Мощность каждой из них составляла 50 Вт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л. с. Тесла утверждал, что КПД передачи превышал 95%, и был убежден, что с помощью 300-сильного вибратора смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 электрических лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».
Что же это за аппарат, с помощью которого электроэнергию можно передавать на любое расстояние во всепланетном масштабе?
Сердцем вибратора был гигантский трансформатор системы Тесла. Он имел первичную обмотку из нескольких витков толстого провода на ограде диаметром 24,4 м и размещенную внутри ее с большим воздушным зазором многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур — преобразователь частоты. Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня, увенчанная на высоте 60 м большим медным шаром. Один конец выхода трансформатора соединялся с этим шаром, другой — заземлялся. Все это устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью в 300 л. с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 кГц (длина волны 2 тыс. м), при этом рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 тыс. В, а резонирующий потенциал в шаре достигал 100 млн. вольт.
Теперь, наверное, понятно, откуда появлялись искусственные молнии, описанные в книге. При столь высоком потенциале электрическая искра способна пробивать воздушный промежуток значительной величины. Но каким образом запитывались электролампы на расстоянии 42 км от работающего вибратора?
Известные способы беспроводной передачи энергии — скажем, по воздуху — не позволяют передавать с малыми потерями мощности, достаточные для питания электролампочек. Наибольшая величина мощности, принимаемая на таком расстоянии от радиопередатчика, составила бы на три порядка меньшую величину, чем требуется. Поэтому Тесла пошел другим путем. Вспомните, на съезде в Сант-Льюисе он говорил о применении в качестве проводника земли! Отсюда и давайте исходить. Использование земли в качестве второго проводника давно известно, скажем, в системах связи — для работы полевого телефона вполне достаточно одного провода. Так же работает и трамвай — ему в отличие от троллейбуса в качестве второго провода служат заземленные рельсы. Тесла смотрел еще дальше. Как говорится в книге «Электрический Прометей», изобретатель «накачивал» в землю и извлекал оттуда поток электронов: «Частота «накачки» и «откачки» составляла около 150 тысяч Гц, что соответствовало длине волны порядка 2000 м. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингса, волны затем сходились в диаметрально противоположной точке земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну». Если считать, что вслед за Теслой мы определим тот участок диапазона электромагнитных волн, в котором электрические колебания наилучшим образом распространяются в почве, и запустим их туда. Но как извлечь энергию из «электрической земли»? Тесла подумал и об этом. «Если привести всю землю в состояние электрической вибрации,— читаем в книге дальше,— то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами, наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только за-земленными и снабженными сравнительно небольшими антеннами, высотой с сельский коттедж».
Назначение колебательного контура и его устройство в принципе понятно. Но зачем антенна? Каким все-таки образом Тесла предполагал замкнуть разорванную электрическую цепь между источником энергии и ее потребителем? Первое, что приходит на ум — воспользоваться проводящими свойствами некоторых слоев атмосферы. Как известно, ионосфера может неплохо проводить электрический ток. Но до нее надо еще добраться, она находится на высоте десятков километров над планетой, а тут антенна высотой всего «с селький коттедж» Может, Тесла воспользовался каким-то другим способом?
Вероятно, речь идет об аккумулировании заряда у однополюсного источника. Его можно аккумулировать не только в ионизированном газе, но и в собственной емкости уединенного шара-проводника. Ключ к проблеме — в создании эффективных одно-полюсных источников тока. Работают такие источники следующим образом.
В обычном состоянии земля и воздух практически электронейтральны. Но вот заработал вибратор. Словно своеобразный насос, он начинает «накачивать» в землю носители электрического заряда — отрицательно заряженные электроны. Откуда он их берет? Из воздуха. Таким образом в атмосфере вокруг антенны скапливается все большее количество положительно заряженных частиц — ионов. Положительный заряд возрастает до тех пор, пока воздушная прослойка не перестает выполнять обязанности изолятора,— тогда в землю бьет искра искусственной молнии. Плюс замыкается на минус, среда нейтрализуется, и заряды можно накапливать снова.
"center">
Так работает генератор. Если же наша установка действует в режиме потребления энергии, то, получая из почвы отрицательные заряды, она накапливает их на антенне и в конце концов, замыкает сквозь воздух на положительно заряженную тучу.Для простоты рассуждений мы рассматривали и генератор, и источник постоянного тока. Но в установке Теслы работал переменный ток, каждый полупериод меняющий свое направление! А это значительно упрощает дело, позволяет обойтись и без грозовых разрядов. Достаточно на конце антенны поставить металлический шар, который станет служить аккумулятором зарядов. Первый полупериод он накапливает, скажем, отрицательные заряды, второй же полупериод он отдает их, получая взамен положительные.
Тесла был настолько уверен в правильности расчетов, что в начале XX века с присущим ему размахом начал сооружать вблизи Нью-Йорка башню «Всемирного телеграфа».
«Недавно я задумал установку, которая передавала бы без проводов для начала десять тысяч лошадиных сил. Энергию можно будет получать любыми порциями в любом месте Земли,— писал он по этому поводу в начале 1905 года.— Проект можно завершить этой зимой, а если некоторые подготовительные работы удастся закончить в течение сезона, то машина заработает в полную силу к концу будущей осени».
Однако установка так и не заработала — ни «к началу будущей осени», ни когда-либо вообще. Гениальный изобретатель не отличался практичностью. Собственных денег было негусто, а финансовые тузы не решились раскошелиться. Почему? Да потому, что «энергию можно будет получать любыми порциями в любом месте Земли». А значит - бесплатно. С этим финансисты не захотели смириться: электроэнергия становилась ценным товаром. Напрасно пришедший в отчаяние изобретатель разразился знаменитой статьей «Передача электрической энергии без проводов как средство достижения мира».
«3 июля 1899 года я открыл земные стоячие волны,— писал он.— Тогда казалось, что потребуется не более года, чтобы опоясать планету моим беспроволочным обручем. Увы! Первая станция «мирового телеграфа» еще не достроена, ее сооружение хоть и продвигается, но за последние два года оно печально замедлилось. И та машина, которую я задумал,- игрушка, осциллятор, дающий всего тысячи лошадиных сил, но способный тем не менее потрясти мир, - когда же будет готов хотя бы он? Когда ток, более сильный, чем у сварочного аппарата, потечет сквозь всю Землю, когда энергия тысяч Ниагарских водопадов осветит Вселенную молниями - молниями, которые разбудят спящих электриков Марса и Венеры, если они только там есть?».
Однако, никто не собирался будить электриков Марса и Венеры. Никто не бросился отдавать центы и доллары, чтобы электрические Ниагары объединили весь мир в единое целое.
Планета стояла накануне первой мировой войны, многие страны лихорадочно готовились к ней. И снабжать будущего противника бесплатной электроэнергией было глупо. Строительство сначала остановили, а затем подрядчики вывезли уже поставленное оборудование. Башня недостроенного телеграфа осталась без применения. Спустя несколько лет ее снесли. Это надломило впечатлительного человека, много лет работавшего без отдыха. Тесла прожил еще долгую жизнь - он умер в возрасте 86 лет в 1943 году, но больше не предлагал грандиозных проектов. Вскоре он совсем перестал интересоваться электротехникой и изобретательством.
По материалам статьи Петрова В. (ЮТ 1-90)
