Tesla és az üzemanyag nélküli motor
/A Janus Pannonius Tudományegyetemen a Fizikus Napok keretében 1999 április 20-án elhangzott előadás./
A váltóáram atyja.
Nikola Teslában a háromfázisú villamos-energia rendszer feltalálóját és megvalósítóját tiszteljük kétségkívül a második ipari forradalom egyik legzseniálisabb alakja volt.
1856-ban született Horvátországban egy szerb ortodox pap fiaként. Ausztriában és Csehországban tanult, de éppen Budapesten tartózkodott, amikor a forgó mágneses mező és az indukciós motor ideája megfogalmazódott benne. Párizsban az Edison társaságnak dolgozott, majd 1884-ben 28 éves korában áthajózott Amerikába. Amikor megérkezett 4 cent, néhány saját vers és egy repülő szerkezet terve volt a zsebében.
A következő évben a Westinghouse cég feje megvásárolta Tesla háromfázisú dinamójának, transzformátorának és motorjának a szabadalmi jogát, és ezzel kezdetét vette a küzdelem Edison egyenáramú és Tesla-Westinghouse váltóáramú rendszere között.
Ma már nehéz megérteni, hogyan védelmezhette egy olyan technikai zseni, mint Edison az egyenáramú rendszert a váltóáramúval szemben. Nyilvánvalónak látszik ugyanis, hogy a feszültség és az áram transzformálásának a lehetősége olyan előnye a váltóáramnak, amellyel szemben az egyenáramnak esélye sem lehet. De a dolgok valóságos menete ritkán olyan, mint ahogy utólag logikusan elképzeljük. A technika-történészek határozottan állítják, hogy ha beleilleszkedünk a kor műszaki ismeretkörébe és gondolkodásmódjába, Edison álláspontját nagyon is megalapozottnak kell tartanunk. A feszültség transzformálhatóságának a jelentőségével a veszteségek csökkentése érdekében ő is pontosan tisztában volt, de úgy gondolta, hogy ezt az egyenáramú rendszerben is meg lehet oldani. Azokban az évtizedekben ugyanis nagy reményeket fűztek az akkumulátorokhoz. Arra számítottak, hogy jelentős mennyiségű villamos energiát lehet majd tárolni bennük. Az akkumulátorok segítségével a feszültség transzformációját is meg lehetett oldani a feltöltéskor párhuzamosan kapcsolták őket, de amikor az energiát nagy távolságra kellett továbbítani, soros kapcsolásra tértek át. Ekkor azonos teljesítmény mellett csökken az áram, és négyzetesen csökken a hőveszteség.
Az akkumulátoroknak más előnyei is voltak. Az erőmű működését például nem kellett a változó fogyasztáshoz igazítani, mert amikor a fogyasztás csökkent, a termelt energiát az akkumulátorok feltöltésére fordíthatták. Ugyancsak előny, hogy az egyenáram közvetlenül használható elektrolízist igénylő eljárásokban. Az egyenáramú motoroknak is vannak előnyei a váltóáramúakkal szemben például nem eshetnek ki a szinkronból.
Csak utólag lehetünk egészen biztosak benne, hogy mindezen szempontok ellenére a váltóáramú rendszer előnyei lényegesen nagyobb súllyal esnek a latba. Tesla fellépése idején azonban a kérdés még nyitva volt, és Tesla technikai zsenialitását nem is értékelhetnénk méltóképpen, ha erről megfeledkeznénk.
A Westinghouse cég gondoskodott az 1893-as chicago-i expo kivilágításáról, és nagy sikert aratott vele. Ez a siker jelentős szerepet játszott abban, hogy a Westinghouse nyerte meg az első Niagara erőműre kiírt pályázatot, amely Tesla szabadalmai alapján készült el és az ő nevét viselte. Az erőmű 1896-tól látta el Buffalo-t árammal.
A fantaszta.
Ezek a sikerek azonban nem elégítették ki Tesla száguldó fantáziáját. Sokkal ambiciózusabb álmot dédelgetett magában az üzemanyag nélküli motor tervét, ami fölöslegessé tett volna erőművet, hálózatot egyaránt.
Tudomásom szerint ilyen motort Tesla sohasem mutatott be a nyilvánosság előtt. De sokszor nyilatkozta a sajtóban, hogy a feladatot lényegében megoldotta. A sajtónyilatkozataiból, a magánleveleiből és főleg a szabadalmaiból kell kihámoznunk, milyen megoldásra célzott.
Ezekből a dokumentumokból mindenekelőtt kiderül, hogy az "üzemanyag nélküli motor" elnevezés, ami magától Teslától származik, ebben a formájában félrevezető. Kizárólag az indokolja, hogy egy újságcikk címében röviden és provokatívan kellett megnevezni a szerkezetet, amit megálmodott. Valójában olyan motorra gondolt, amelyik képes üzemanyagként hasznosítani az anyagnak azokat a formáit, amelyek a közönséges földi körülmények között mindenütt jelen vannak. Elég ezt a tényt figyelembe venni és máris látjuk, hogy Tesla motorjának nem kell szükségképpen megsértenie a termodinamika egyik főtételét sem. Gondolatkísérletként ugyanis nyugodtan elképzelhetünk egy olyan Földet, ahol mondjuk, a levegő viszonylag jelentős mennyiségű uránt tartalmaz. Ma már pontosan tudjuk, hogy lehetséges olyan szerkezetet készíteni, amelyik szeparálja az urán hasadóképes izotópját, és láncreakció segítségével több energiát termel, mint amennyi a szerkezet működtetéséhez szükséges. Elvi akadálya egy ilyen szerkezetnek nyilván nincs, és a megvalósítását csupán az a gyakorlati probléma akadályozza, hogy a Föld légköre szerencsére, nem tartalmaz uránt.
Ebből a példából világosan megérthetjük, hogy Teslának két feladatot kellett megoldania ahhoz, hogy "üzemanyag nélkül" működő gépet csinálhasson:
Be kellett bizonyítania, hogy a Földön mindenütt van olyan könnyen hozzáférhető közeg, amelyből lehetséges energiát kinyerni, és ki kellett dolgoznia az energia kinyerését lehetővé tevő eszközt.
Tesla elgondolását valójában csak második pontra vonatkozóan ismerjük több-kevesebb részletességgel, az első felől csak találgathatunk. Ezért először a szerkezetet ismertetjük, és csak ezután térünk rá az üzemanyag kérdésére. Egy közönséges motornál természetesen a fordított sorrend lenne logikus de Tesla motorja minden, csak nem "közönséges".
A technikai elgondolás az öngerjesztés elvén alapult. A generátor tekercseiben a Lorentz-erő következtében jön létre az áram, amikor a tekercs mágneses mezőben forog. De a létrejövő áram ha egyszer megindult, maga táplálhatja azt az elektromágnest, amelyik az őt generáló mágneses teret hozza létre. Ha kiderülne, hogy ehhez a folyamathoz, plusz még a tekercsek forgatásához kevesebb energia is elég, mint amennyi termelődik, akkor előttünk áll az üzemanyag nélküli motor.
Tesla Faraday egyik találmányához, a Faraday-koronghoz nyúlt vissza (lásd az 1. ábrát
1. ábra. A Faraday korong.
Ebben az egyszerű szerkezetben az öngerjesztés elvét úgy használhatjuk ki, hogy az állandó mágnest tekerccsel helyettesítjük (lásd a 2. ábrát
2. ábra. Öngerjesztés Faraday koronggal.
Az öngerjesztés elve mint tudjuk, nem Tesla találmánya. Ezt akkor már nagyon jól ismerték. Tesla fő célkitűzése az volt, hogy az öngerjesztés hatékonyságát jelentősen megjavítsa.
A javulásnak abban kellett megmutatkoznia, hogy ha külső erővel forgásba hozzuk a motort, majd abbahagyjuk a forgatást, milyen hosszú ideig fog tovább forogni önmagától. A szerkezet akkor válik üzemanyag nélküli motorrá, ha a forgás sohasem áll le (vagyis végez legalább annyi munkát, amennyi a súrlódási veszteségeket kompenzálja). Minden jel arra mutat, hogy Tesla ezt a célt elérhetőnek vélte.
A The Electric Engineer egyik 1891 évi számában Tesla mélyenszántó analízist publikált Faraday korong-generátoráról, amelyben megjelölte a tökéletesítés konkrét útját. Egyebek között olyan nagy keresztmetszetű mágnest alkalmazott, amely nagyobb átmérőjű volt, mint a korong, és teljesen lefedte. De a leglényegesebb újítása az volt, hogy ha jól értem, a rézkorongot szigetelőanyagból készített koronggal helyettesítette, viszont egészen speciális geometriájú tekercseléssel látta el, amelynek "negatív önindukciója" volt. Mint tudjuk, a szokásos tekercsekben az indukált feszültség a gerjesztő feszültség ellen hat. Tesla tekercselése azonban fordított irányban működött, és ő ezt kísérletileg igazolta is. A cikkben még azt is megjegyzi, hogy ezeknek az elveknek az alapján több olyan gépet is készített, amelyekben "az áram, ha egyszer elindult, nemcsak fenntartotta magát, hanem még növekedett is."
Dióhéjban ezek azok a leglényegesebb információk, amelyek magától Teslától származnak motorjának a felépítéséről és bizonyos tulajdonságairól. Kritikai értékelésükre azonban több okból sem vállalkozhatunk még ha ezzel csalódást okozunk is. De addig, amíg fogalmunk sincs róla, miféle üzemanyagot kell a motornak hasznosítania, és ezt milyen módon valósítja meg, a technikai elgondolás értékelése a levegőben lógna. Ezért most az üzemanyag kérdésére kell áttérnünk.
Tesla tisztában volt vele, hogy üzemanyag nélkül még a legtökéletesebb visszacsatolt Faraday-korong sem képes működni, azonban a lehetséges üzemanyagra vonatkozó elképzelései az anyagnak és az elektromosságnak olyan felfogásán alapultak, amelyek mára már tökéletesen elavultak. Érteni sem igazán tudjuk őket, mert a fogalmakat, amelyekkel körülírhatók, nem "érezzük". Tesla előbb említett cikke 1891-ből származik, amikor az atomfizika, a kvantumelmélet, a szilárdtest-fizika még egyáltalán nem létezett. A Maxwell-féle elektrodinamika természetesen ismert volt, ezért tudta Tesla kidolgozni a probléma bizonyos szerkezeti-technikai oldalát. Az üzemanyag-kérdés azonban az anyagszerkezet körébe tartozó probléma, amelyről Maxwell elektrodinamikája lényegében semmit sem mond, de olyat biztosan nem, amit ma igaznak fogadhatunk el.
Ez a magyarázata annak, hogy az üzemanyag kérdésében Teslának meg kellett maradnia a metafora szintjén. Több helyen is elmondta, hogy szerinte mihez hasonlatos (de csak hasonlatos!) az a folyamat, amely az üzemanyag nélküli motorjában lejátszódik. Ezt az elképzelést lényegében szó szerint fogom felolvasni Tesla egy 1900-ban keletkezett írásából:
"...Képzeljük el, hogy egy tartályt helyezünk el egy tó fenekén és kiszivattyúzzuk belőle a vizet. Tudjuk, hogy amikor engedjük, hogy a víz újra megtöltse a tartályt, elvben munkavégzés történhet, de egy szemernyivel sem több, mint amennyit a kiszivattyúzásra fordítottunk...";
De most emlékezzünk rá, hogy a víz és a tartály csupán hasonlat, igazából a tökéletesített Faraday-dinamó lebegett a szeme előtt. Így folytatja:
"... A hő például a folyadékhoz hasonlóan bizonyos általános mechanikai törvényeknek engedelmeskedik, de nem egészen pontosan olyan, mint a folyadék energia, amely átalakítható az energia más formáivá, amikor egy magas szintről alacsonyabbra esik le... Tegyük fel, hogy a víz is, amikor bejut a tartályba, átalakul valami mássá, amit nagyon kis energia ráfordítással el lehet távolítani belőle. Például átalakulhat oxigénné és hidrogénné..."
Tudomásom szerint Tesla azt már sehol sem részletezte, hogy konkréten a tökéletesített Faraday-dinamó hogyan realizálja ezt az elgondolást. Minden bizonnyal volt elképzelése erről is, de nem tudjuk, milyen. Azonban bizonyos, hogy az elképzelése nem alapulhatott máson, mint a kor fizikai világképén, amiről ma már tudjuk, hogy éppen a Tesla szempontjából leglényegesebb ponton bizonyult tévesnek. Ezt bátran kijelenthetjük anélkül, hogy ezzel azt állítanánk, hogy a mi jelenlegi világképünk végleges és támadhatatlan.
Nagyon valószínű ugyanis, hogy Tesla gondolatvilágában a példabeli víz szerepét az elektromágneses éter töltötte be, ahogy azt akkoriban, a relativitás-elmélet létrejötte előtt elképzelték. A szerkezet funkciója az volt, hogy a beáramlott étert "felritkítsa", és ezáltal lehetővé tegye, hogy a beáramlás során munkavégzés történjen az elgondolás szerint nagyobb, mint amennyit a "felritkítás" követel. Ez az elképzelés nem különbözik lényegesen attól, ahogy a robbanómotor hasznosítja a szénhidrogének belső energiáját. Ha helyesen rekonstruáljuk Tesla elképzeléseit, akkor azt mondhatjuk, hogy Tesla "étermotort"; akart létrehozni, de fogalmunk sincs róla, miből gondolta azt, hogy a technikailag tökéletesített öngerjesztéssel működő korong-dinamó étermotor (és miért jobb étermotor, mint az akkor már magas fejlettségi szintet elért forgótekercses motorok, amelyeknek a Faraday-korong még nagyon tökéletlen elődje).
A felfedezők, akik olyan tájakra merészkednek, ahol előttük még senki se járt, joggal vívják ki a csodálatunkat és a rokonszenvünket lényegében függetlenül attól, hogy mit hoznak haza a hátizsákjukban. Tesla is ilyen ember volt. De ennek a ténynek nem szabad elhomályosítania a tisztánlátásunkat. Tesla az üzemanyag nélküli motor tervét olyan spekulatív elképzelésekre alapozta, amelyeket a fizika fejlődése nem igazolt. Mai ismereteink szerint éter nem létezik, az elektrodinamikai jelenségek beleértve ide a Faraday-dinamót is, vákuumban történnek. Ezért kizárható, hogy miközben a dinamó működik, olyan energiahordozó áramlik folyamatosan és automatikusan a szerkezet felé, amely külső ráfordítás nélkül is képes fenntartani a stacionér működést. A motor csak azt az energiát tudja munkává alakítani, amit mi magunk közlünk vele. Ha a dinamó forgatását abbahagyjuk (lekapcsoljuk minden energiaforrásról), bizonyosan leáll. Legfeljebb az lehet a kérdés, hogy milyen gyorsan. Semmi jel sem utal arra, hogy Tesla birtokában lett volna olyan "titoknak", ami sarkaiból fordítaná ki a ma általánosan elfogadott fizikai világképet. De ettől még éppen elég zseniális fickó volt.
Mindezzel azonban egyáltalán nem akarom azt állítani, hogy a vákuumból ami az éter helyébe lépett, bizonyosan lehetetlen energiát kinyerni. A modern fizika ugyanis elvben nem zárja ki, hogy többfajta vákuum létezhet különböző fizikai tulajdonságokkal, és minket esetleg nem a legalacsonyabb energiájú vákuum "vesz körül". Valahogy úgy lehet elképzelni (ez is metafora, de a kvantumelmélettel összhangban az állítást matematikailag is meg lehet pontosan fogalmazni), hogy a mi vákuumunk a túlhűtött víz analogonja. Mint tudjuk, ha a túlhűtött folyadék egy pontjában megindul a kristályképződés, az egész folyadék egy szempillantás alatt megszilárdul. Ez a szilárd fázis a másik, alacsonyabb energiájú vákuum megfelelője. Emlékszem rá, hogy valamikor a hetvenes években moszkvai elméleti fizikusok egy csoportja komolyan aggódott, hogy ha egy bizonyos elemi részecske reakciót gyorsítóban előidéznek, ez éppen úgy csírája lehet az új vákuumnak, mint ahogy egy kristályszemcse a folyadék kikristályosodásának. A számítások szerint az új vákuum fénysebességgel terjedne szét a világegyetemben, és csak a jóisten a megmondhatója, hogy ez milyen következményekkel járna. (Talán már jön is valahol.)
Ez az elméleti jóslat az elemi részecskék kvantumtérelméletén alapult. Ma ez az elmélet még nincs olyan állapotban, mint a kvantummechanika, amelynek a jóslataira mérget lehet venni. A katasztrófa nem következett be, de ha a több vákuummal kapcsolatos spekulációkban van valami, akkor elvileg nem elképzelhetetlen, hogy a vákuumok közötti "fázisátmenetet"; éppen úgy meg lehet zabolázni, mint a láncreakciót, és a kinyert energiával működtethető egy Tesla által megálmodott motor. De ez a "vákuummotor" biztosan nem egy Faraday-dinamó lesz. (Megjegyzem, hogy a kvantumelektrodinamika amely a kvantummechanikához hasonlóan nagyon jól működő elmélet, egyetlen vákuummal dolgozik. Ezért olyan jelenségek segítségével, amelyek ennek az elméletnek az érvényességi körébe tartoznak, "vákuummotor" aligha működtethető. Ez így van annak ellenére, hogy ebben az egyetlen vákuumban bizonyos fizikai mennyiségek értéke határozatlan fluktuálnak, ahogy ezt pontatlanul mondani szokták.)
A fegyvertervező.
Tesla úgy képzelte, hogy azt az energiát, ami a Faraday-dinamót működtetné, pusztításra is fel lehetne használni (Pedig békeszerető ember volt. Egyszer azzal váltotta ki az amerikai közvélemény rosszallását, hogy nem vállalta, hogy egy gyilkos perében, amelyik halálbüntetéssel is végződhetett, esküdt legyen. De úgy látszik, a nagy alkotóerejű emberek kényszerpályán mozognak amiről úgy látják, hogy meg lehet csinálni, azzal meg is próbálkoznak.) Itt is volt olyan reális kiindulópontja, mint a tökéletesített Faraday-dinamó: Ő állított elő a technika történetében először olyan intenzív nagyfrekvenciájú elektromágneses teret, amelyben a katódsugár csövek maguktól is elkezdtek világítani.
Az elképzelés másik összetevője már alighanem téves megítélésen alapult. Tesla úgy gondolta, hogy mivel a föld vezeti az elektromosságot, a földgolyó sok tekintetben éppen úgy viselkedik, mint egy kis fémgömb. A töltetlen fémgömb szabad töltései különféle módusú rezgésekre képesek. A kvadrupólnak nevezett rezgések során például a pozitív töltések váltakozva dúsulnak fel a "sarkokon" és az "egyenlítőn". Teslát a földgolyó méretei nem gátolták meg abban, hogy hasonló jellegű, az egész földgolyóra kiterjedő töltésrezgéseket képzeljen el. Sőt, úgy gondolta de ebben szinte bizonyosan tévedett , hogy az ilyen rezgések létezését kísérletileg ki is mutatta. (Az egész Földre kiterjedő rezgések önmagukban korántsem tartoznak a fantázia birodalmába. A geofizikusok évtizedek óta tudják, hogy a Földnek, mint egésznek, jól meghatározott rugalmas sajátrezgései vannak. A 0S2 rezgések például a nyújtott és a belapult alak között történnek, és a periódusidejük 54 perc. De a rugalmas rezgések csak a matematikai formájukban hasonlítanak az elektromos rezgésekhez, a két rezgésfajta alapjául szolgáló fizikai folyamatok gyökeresen különböznek egymástól.)
Valószínűleg ezt a két jelenséget az elektromágneses térenergiát és a Föld töltésrezgéseit, kombinálta Tesla azzal a feltételezéssel, hogy a mindenütt jelenlévő éter belső energiájának a rovására egy viszonylag kis gerjesztésnek, mint egy "szikrának" a segítségével óriási robbanást lehet előidézni éspedig a Földnek gyakorlatilag azon a pontján, ahol csak kívánja. Ehhez ki se kellene mozdulnia híres Long-Island-beli laboratóriumából, amelyet a Pierpont Morgantól kapott 150 000 dollárból épített fel, elég, ha a "szikrát" a kívánt helyre "fókuszálja". Idézek egy 1908-beli nyilatkozatából:
"Amikor a jövő háborújáról beszélek, ezen azt értem, hogy az elektromos hullámok közvetlen felhasználásán kell alapulnia, repülő szerkezetek vagy más pusztító eszközök alkalmazása nélkül... Ez nem álom. Már most fel lehet építeni egy olyan vezeték nélküli erőművet, amelynek a segítségével a világ bármely pontját lakhatatlanná lehetne tenni anélkül, hogy a környező részekben bármilyen kárt okoznánk."
A század első évtizedében Tesla erőfeszítései a vezeték nélküli energiaátvitel megvalósítására összpontosultak. De az évtized közepe táján mély depresszió vett rajta erőt, amiben sok különböző tényező játszott közre: a rivális Marconi sikerei a rádiózásban, financiális problémák, a tudományos világ elutasító magatartása. És ekkor, 1908 június 30-n Közép-Szibériában, a Tunguzka folyó körzetében iszonyatos robbanás következett be, amelynek ereje 10-15 megatonna TNT-vel lehetett egyenértékű.
Minden valószínűség szerint meteor volt, noha meteorkrátert máig se találtak. A történetünkbe pedig azért kerül be ez az esemény, mert olyan híresztelések keltek szárnyra, hogy talán az elkeseredett Tesla hozta működésbe pusztító energia-fegyverét.
De miért ekkor és miért pont ott? A világ azokban a napokban a híres sarkkutatóra, Pearyre figyelt. A csalódott Tesla a legenda szerint, azzal akarta felhívni magára a figyelmet, hogy óriási detonációt idéz elő Peary téli szállása, az Ellesmere szigeti Alert és az Északi Pólus közötti lakatlan területen. A célzás azonban nem sikerült pontosan. Az irányzék jó volt, mert a Long-Island-i laboratóriumot és a Tunguzka vidéket összekötő hosszúsági kör pont áthalad Peary akkori szálláshelyén, de a távolság túl nagyra sikerült.
Végjáték.
Nikola Tesla 1943 január 7-én hunyt el New York City-ben. A St. John katedrálisban százak vettek részt a gyászszertartásán. Három Nobel díjas közös táviratban fejezte ki tiszteletét "a világ egyik legkiemelkedőbb szelleme előtt, aki a modern idők jelentős technológiai eredményeinek a megszületésénél bábáskodott."