Мировая система беспроводной передачи энергии. Статья Николы Теслы

«Telegraph and Telephone Age», 16 октября 1927 г.

Передача энергии без проводов — не теория и не просто вероятность, как это представляется большинству людей, но явление, которое я экспериментально демонстрировал в течение ряда лет. Сама идея появилась у меня не сразу, а в результате длительного и постепенного развития и стала логическим следствием моих исследований, которые были убедительно продемонстрированы в 1893 году, когда я впервые представил миру схему моей системы беспроводной передачи энергии для всевозможных целей. В нескольких показательных лекциях, прочитанных перед научными обществами в течение предыдущих трех лет, я объяснял, что необязательно использовать два провода для передачи электрической энергии, что с таким же успехом можно использовать только один. Мои опыты с токами высокой частоты были первыми за всё время, проведенными публично, и они вызвали острейший интерес по причине тех возможностей, которые они открывали, а также поразительной природы самих явлений. Немногие из специалистов, знакомых с современной аппаратурой, по достоинству оценят трудность задачи, когда у меня в распоряжении были примитивные устройства, и в каждом эксперименте требовалась точная настройка на резонанс.

Когда была доказана возможность передачи энергии посредством одинарного провода без обратного, мне пришло в голову, что, вероятно, можно обойтись и без того единственного провода, а для перемещения энергии от передатчика к приемнику можно использовать землю.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИНАМО-МАШИНЫ И КАТУШКА ТЕСЛЫ

Очевидно, что токи, которые обычно применялись в экспериментальных лабораториях и в промышленности, не годятся для высокочастотных машин, и мне пришлось создать специальные генераторы и преобразователи для получения импульсов требуемой частоты.

Сначала я усовершенствовал высокочастотные динамо-машины двух типов, одну с возбуждением магнитного поля постоянным током, и другую, в которой электромагнит возбуждается от переменных токов, отличающихся по фазе и генерирующих вращающееся магнитное поле. Обе из них нашли свое применение в системе беспроводного вещания. Первая представленная мной машина давала 90 процентов КПД, но она должна была работать в обогащенной водородом среде или в разреженном воздухе, чтобы минимизировать возникающие потери из-за сопротивления воздуха и уменьшить оглушительный шум.

Чтобы преодолеть ограничения, выявившиеся в работе таких машин, я в дальнейшем сосредоточил свои усилия на усовершенствовании специального преобразователя, состоявшего из настроенных в индуктивной зависимости нескольких контуров, которые получали первичную энергию от колебательных разрядов конденсаторов. Этот аппарат, изначально названный моим именем и считавшийся, по мнению ведущих ученых, моим лучшим достижением, используется ныне во всем мире в каждом радиопередатчике и радиоприемнике. Он дал мне возможность получать токи любой желаемой частоты, электродвижущей силы и в любом количестве и вызывать огромное множество электрических, химических, термальных, световых и других явлений, генерировать рентгеновские, катодные и другие лучи трансцендентной интенсивности. Я использовал его в исследованиях состава вещества и радиоактивности, результаты которых публиковались в 1896-1898 годах в «Electrical review». Эти исследования предшествовали открытию радия мадам Складовской и Пьером Кюри и доказали, что радиоактивность есть обычное свойство вещества и что оно излучает маленькие частицы различных размеров, обладающие огромными скоростями, — представление, воспринимавшееся с недоверием, но в итоге признанное истинным. Аппарат нашел бессчетное число применений и стал для некоторых пользователей настоящей лампой Аладдина.

Когда я думаю о самых первых своих катушках, которые были не более чем забавой от науки, то последовавшие за ними разработки представляются мне абсолютной удачей.

УСИЛИВАЮЩИЙ ПЕРЕДАТЧИК И РЕЗОНАНС ЗЕМЛИ

Хотя я и был с самого начала абсолютно убежден, что в конечном итоге успех будет достигнут, это произошло не ранее, чем была разработана схема путем последовательных усовершенствований так называемого усиливающего передатчика, что стало для меня убедительным свидетельством осуществимости беспроводной передачи энергии в больших количествах для всевозможных промышленных целей.

Главное открытие, которое принесло мне полное удовлетворение, поскольку воплотило мой замысел, было сделано в 1899 году в колорадо-Спрингс, где я проводил испытания генератора мощностью в сто пятьдесят киловатт и убедился, что при определенных условиях ток приобретает способность проходить сквозь весь земной шар, достигая противолежащей точки, и возвращаться к исходной точке, при этом сила тока не уменьшается. Полученный результат оказался столь невероятным, что сначала это открытие почти ошеломило меня. В мгновение ока я осознал, что с помощью должным образом настроенной аппаратуры на передающих и принимающих станциях можно перемещать энергию в практически неограниченных количествах через землю на любое расстояние, ограниченное лишь физическими размерами земного шара, с коэффициентом полезного действия, достигающим девяноста девяти с половиной процентов.

Способ прохождения токов от передатчика через земной шар является в высшей степени экстраординарным, если принять во внимание характер распространения электризации поверхности. На старте волна имеет теоретически беспредельно большую скорость, которая начинает снижаться сначала очень быстро, а затем с меньшей интенсивностью, до тех пор пока расстояние не составит около шести тысяч миль, после чего она продолжает двигаться со скоростью света. С этого момента она опять увеличивает скорость, сначала медленно, затем всё быстрее, достигая противолежащей точки со скоростью, приближающейся к бесконечно большой величине. Такую закономерность движения можно объяснить тем, что на поверхности земли волны исходят через равные промежутки времени, распространяясь на равные площади, но необходимо иметь в виду, что ток проникает глубоко внутрь Земли, а воздействие, оказываемое на приемные устройства, носит такой характер, как если бы весь поток локализовался на земной оси, соединяя передатчик с противолежащей точкой. Таким образом, средняя поверхностная скорость составляет около 471 200 километров в секунду, что на пятьдесят семь процентов больше, чем скорость так называемых радиоволн, и эти волны, если таковые существуют, должны распространяться со скоростью света. ту же константу обнаружил видный американский астроном капитан Дж. Т.Т., проводя математические исследования мельчайших частиц эфира, которые он называет эфиронами. Но если — в свете его теории — эта скорость является физической реальностью, то распространение токов по земной поверхности более напоминает мимолетное скольжение лунной тени по земному шару.

Большинству людей, занятых практическим делом, будет трудно оценить или даже сформулировать адекватное представление об интенсивности воздействия и о получаемой энергии, исходя из той части моей работы, которая вошла в историю. У меня есть все основания считать себя одним из самых удачливых людей, так как я постоянно испытываю чувство невыразимого удовлетворения, оттого что моя система переменного тока применяется повсеместно для передачи и распределения тепла, света и электроэнергии, а также оттого что моя беспроводная система со всеми ее основными свойствами применяется во всем мире для передачи информации. Но мои новаторские работы в последней из упомянутых областей всё еще понимаются совершенно превратно.

КОРОТКОВОЛНОВОЕ РАДИОВЕЩАНИЕ И НАПРАВЛЕННАЯ ПЕРЕДАЧА

Ничто не иллюстрирует это лучше, чем последние демонстрационные опыты с очень короткими волнами, которые были проведены рядом специалистов и в результате которых сложилось мнение — в конечном итоге энергия будет передаваться именно таким способом. На самом же деле опыты подобного рода полностью отрицают возможность экономичной передачи энергии. В течение нескольких лет я проводил эксперименты, исследуя этот частный случай, с волнами длиной в один миллиметр и убедился, что даже они не подходят для этой цели, не говоря уже о том, что их получение связано с большими затратами.

Чтобы добиться положительных результатов с помощью этого метода, будет, по-видимому, необходимо применять излучения с длиной волны несравнимо меньшей, чем излучаемое рефлектором лучистое тепло, световые, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Вопреки моим неоднократным разъяснениям специалисты, по-видимому, не понимают, что посредством рефлекторов такая концентрация энергии, какую я получаю с помощью беспроводной энергетической установки, не может и не будет когда-либо достигнута, поскольку при передаче энергии таким способом приемник может улавливать лишь количество энергии, пропорциональное облучаемой площади, т.е. подвергающейся воздействию лучей, в то время как в моей системе он вбирает в себя энергию из безмерного резервуара в несравнимо большем количестве.

Такого рода соображения касаются и направленной передачи с помощью коротких отраженных волн, или лучей. Если бы мы могли экономически выгодно производить электрические колебания, частота которых приближалась бы к частоте волн лучистого тепла, изготовлять эффективные отражатели, не допускающие значительного рассеивания и предупреждать абсорбцию, то такой способ передачи энергии мог бы иметь большое значение. Но попытки довести этот замысел до конца со сравнительно низкими частотами окажутся, безусловно, тщетными. Более двадцати пяти лет тому назад следствием моих попыток передавать большие количества энергии через атмосферу стало многообещающее изобретение, названное впоследствии «Смертельный луч» и приписанное д-ру Грин делу Метьюзу, изобретательному и опытному английскому электротехнику. Основная идея состояла в том, чтобы сделать воздушное пространство проводящей средой с помощью соответствующих ионизирующих излучений и передавать токи высокого напряжения по траектории лучей. Широкомасштабные эксперименты доказали, что при напряжении во многие миллионы вольт возможно перебросить практически неограниченные количества энергии на короткое расстояние, например, в несколько сот футов, что могло бы быть очень экономичным, а оборудование менее дорогостоящим. С тех пор я добился значительного прогресса и открыл новый принцип, который можно с успехом и беспрепятственно применять в различных мирных и военных целях.

Если я правильно понял отчеты, при «лучевой передаче» с длиной волны в несколько метров колебательный контур, состоящий из прямого вертикального проводника, помещается на фокальной линии параболической поверхности, на которой смонтировано множество вторичных прямых проводов, параллельных первичному проводнику. Если это так, то такая диспозиция полностью ошибочна и по всем признакам неэффективна, так как вторичная система не функционирует как параболический рефлектор, а производит лишь беспорядочное эхо. для правильного монтажа требуется, чтобы первичный и вторичный проводники располагались на двух вертикальных параллельных плоскостях, разделенных расстоянием в четверть длины волны. Но даже в таком максимально улучшенном виде этот передатчик может иметь сомнительное практическое значение. Два волновых цуга после отражения, или, скорее, повтора, неполностью нейтрализуются, и имеет место значительное поперечное рассеивание. Энергия первичной системы уменьшается на квадрат расстояния, и это так же верно и для вторичной системы, полезные волны которой будут претерпевать энергетические потери пропорционально биквадрату своей длины. Это означает, что возможно применение только очень короткой волны, которая, кроме того, стабильна и не поддается изменению. Нужно быть близоруким, чтобы не увидеть: наилучшие результаты будут получены, если весь капитал инвестировать в одну ориентированную систему соответствующей конструкции, поскольку достигаемая производительность растет гораздо быстрее, чем затраты на оборудование. Даже если допустить, что лучевая установка работает абсолютно идеально, это всё равно будет плохой вариант, поскольку необходимую лучистую энергию можно получать с малыми затратами на одной-единственной установке, что имеет дополнительные преимущества, состоящие в том, что она применима к волнам любой длины и в равной степени эффективна в двух направлениях, и, следовательно, имеет большую производительность. Ошибочность предлагаемой [коротковолновой] схемы столь очевидна, что я никак не могу понять, как она могла миновать тщательную проверку таких компетентных специалистов, как д-р В.Л. Остин и Джон Стоун Стоун.

«МИРОВАЯ СИСТЕМА»

С тех пор как в 1899 году началось строительство моей первой энергетической установки, я постоянно высказывался относительно этого проекта и планов, которые предварительно формулировал через печать в следующих изданиях: «Electrical review», «Electrical world», «Electrical Experimented, «Science and Invention» и других, особенно в «Century magazine» за июнь 1900 года, в котором я опубликовал пространную статью «Проблемы увеличения энергии человечества», теперь некоторые обстоятельства требуют разъяснений. Во-первых, коренное различие между применяемой сейчас трансляционной системой и системой, которую я надеюсь ввести, состоит в том, что в настоящее время передатчик излучает энергию во всех направлениях, тогда как в разработанной мной системе в любую точку Земли передается только силовое поле, а энергия как таковая перемещается по определенной, заранее обусловленной траектории. Поразительный факт: энергия перемещается в основном по кривой, то есть по кратчайшему пути между двумя точками на поверхности земного шара и достигает приемного устройства без малейшего рассеивания, так что приемник улавливает несравнимо большее количество [энергии], чем это возможно при использовании излучений. Таким образом, я предложил идеальный способ передачи энергии в любом желаемом направлении, намного более экономичный и не имеющий таких качественных или количественных ограничений, какие неизбежно повлекло бы за собой применение рефлекторов.

Моя установка отличается еще и тем, что она полностью основана на резонансе, в то время как сейчас резонанс используется главным образом для усиления во вспомогательных устройствах, состоящих в основном из разного рода вакуумных трубок, которые доведены до совершенства. фундамент к их использованию заложил сэр Уильям Крукс, который в 1876 году обнаружил, что раскаленный проводник испускает наэлектризованные частицы. В 1882 году молодой французский электротехник по фамилии Висьер заметил, что от нити лампы накаливания исходит электрический ток, и произвел тщательные измерения с помощью специально подготовленных ламп, некоторые из которых я в то время имел возможность наблюдать в Иври-сюр-Сен, пригороде Парижа. Но эти явления не находили технического применения до тех пор, пока в 1892 году я не создал датчик вакуумных трубок, чувствительность которого была выше, чем у любых других известных мне образцов. С тех пор был достигнут поразительный прогресс, но неприменение современных вакуумных детекторов и усилителей задерживает продвижение вперед в нужном направлении, и множество проблем в радиовещании объясняется именно этой причиной. До совсем недавнего времени переданным волнам не хватало однородности, что делало невозможной точную настройку. Этот недостаток отчасти устраняется управлением с помощью кристаллов кварца, и теперь впервые стало возможным проводить значительные усовершенствования с целью улучшения эксплуатационных качеств.

Одно из моих первых изобретений — электромеханический способ генерирования изохронных (равномерных) колебаний, и я с большим успехом применял его во многих случаях. Применение этого способа для управления существующими установками дает значительные преимущества, но, несмотря на это и на другие усовершенствования, изменение в устройстве эксплуатируемого оборудования и в способе радиовещания с каждым днем становится всё более насущным, и поэтому я настойчиво продолжаю внедрение своей «Мировой системы» с ее высокоэффективными радиопередатчиками новейшей конструкции и элементарно простыми приемными устройствами. В моих аппаратах синхронность доведена до такого совершенства, а настройка настолько точна, что в процессе передачи речи, изображений и при выполнении других подобных операций частота, или длина, волны изменяется, если требуется, лишь в очень незначительных пределах, не превышающих одной сотой процента. Электростатические явления и все другие помехи полностью устранены, и никакие погодные, сезонные и внутрисуточные изменения не оказывают влияния на эксплуатационные качества. Эта установка наилучшим образом подходит для «Всемирной радиотелефонной и радиотелеграфной связи», поскольку позволяет поддерживать практически постоянную силу тока в передатчике, а управление осуществляется с помощью простого микрофона без применения существующих сейчас хитроумных приспособлений. Метод телеграфии позволяет осуществлять одновременную передачу любого целесообразного количества не интерферирующих (не смешивающихся) сообщений, при этом скорость передачи достигает многих тысяч слов в минуту. Те же принципы применимы и к проводному, и к кабельному управлению. В 1903 году я предложил Западному союзу и Почтовой телеграфной компании такую многоканальную передачу для их линий связи, но не получил поддержки главным образом потому, что их деловые операции не предусматривали такого большого объема передач. Спустя некоторое время моя усовершенствованная аппаратура была представлена как «Проводная радиосвязь» — совершенно несоответствующее название, так как волны, излучаемые проводом, безвозвратно рассеиваются и не оказывают никакого воздействия на приемник.

Мой проект строительства энергетической установки доведен до стадии осуществления, но всё еще не могу сказать, когда начнутся практические работы. Уже нет тех трудностей, что стояли передо мной с самого начала, так как в то время я был один; теперь многие убедились в целесообразности и осуществимости моего предприятия. Нет нужды говорить, что я делаю всё возможное, чтобы как можно скорее представить миру свое лучшее и наиболее значительное изобретение — совершенно безукоризненное и не имеющее слабых мест. Я наметил ряд участков, которые представляются вполне подходящими для этой цели, но более всего мне хочется осуществить передачу энергии от ниагарского водопада, где впервые успешно заработала моя установка переменного тока.

Важнейшее применение беспроводная энергия найдет, несомненно, в запуске летательных аппаратов, энергоснабжение которых можно легко осуществлять без соединения на корпус, так как, несмотря на то, что токи в своем движении притягиваются к земле, электромагнитное поле создается в окружающей ее атмосфере. Если аэроплан имеет проводники или контуры, точно настроенные и должным образом расположенные, энергия будет отобрана этими контурами, как это произошло бы с жидкостью, стекающей в проделанное в контейнере отверстие. На промышленной установке большой мощности таким способом можно получать достаточно энергии для приведения в движение каких бы то ни было летательных аппаратов. Я всегда считал это наилучшим и рассчитанным на долгое время решением проблемы полетов. Не потребуется никакого топлива, так как используется легкий электродвигатель с большим числом оборотов. Тем не менее, ускоряя последовательный ход развития, я разрабатываю новый тип летательного аппарата, который, как мне кажется, удовлетворит насущную потребность в безопасном, небольшом и компактном «воздушном извозчике», способном осуществлять вертикальные взлет и посадку.

Телевидение, каким я его замышлял в 1893 году, будет еще одним, чрезвычайно полезным и своевременным научно-техническим новшеством. В то время я выдвинул идею, что создание четкого мысленного образа внешних объектов сопровождается рефлекторным действием на сетчатку глаза, что дает возможность читать мысли и даже проецировать представленные образы на экран и делать их видимыми для зрителей. Это привело бы к последствиям, влияние которых на человеческие взаимоотношения не поддается оценке, но эта идея не может быть реализована до тех пор, пока не будет найден способ понять строение сетчатой оболочки. Постоянные размышления на эту тему привели меня к созданию аппарата, моментально передающего изображение без применения каких-либо подвижных элементов, и к 1900 году я уже решил три из стоявших передо мной задач, а именно: индивидуализировать и обособить очень большое количество каналов, или «нервов»; передать на приемное устройство достаточное количество энергии и сделать зрительное восприятие движущихся образов независимым от расстояния. В конечном счете я также надеюсь преодолеть недостатки селенового фотоэлемента с помощью специального прибора.

Меня, однако, более всего интересует совершенствование радиовещания, которое сейчас осуществляется с негодной аппаратурой и коммерчески невыгодной технологией. Необходимо в значительной степени улучшить передатчики и упростить приемники, а при беспроводном способе передачи энергии для всевозможных целей можно использовать опыт телеграфных, телефонных и энергетических компаний, хотя способы их различны, но характеры схожи. Техническое творчество сродни архитектуре, и со временем специалисты придут к тем же выводам, какие сделал я в далеком прошлом. Рано или поздно моя энергетическая установка будет полностью принята и, поскольку я причастен к этому, вопросы и проблемы будут решены. Даже если бы я мучился сомнениями в возможности конечного успеха, я бы отбросил их, вспомнив слова великого философа лорда Кельвина, который, будучи очевидцем некоторых моих экспериментов, сказал мне со слезами на глазах: «Я уверен, Вы добьетесь успеха».