Een draadje los...



Conversie van DC-gelijkstroom naar AC-wisselstroom voor lange-afstandtransport danken we aan patenten van Tesla


03-09-2016

De 160 jaar geleden geboren Servisch-Amerikaanse ingenieur Nikola Tesla vroeg al in 1914 een patent aan voor draadloze energietransmissie. Zijn ideeën vinden nu pas in aangepaste vorm consumenten-toepassing.

 

Techno-tovenaar Nikola Tesla hielp de moderne wereld aan stroomvoorziening en elektromotoren op wisselspanning (AC). Hij wekte bliksemschichten op van tientallen meters vanuit zijn lab. Bij leven een medialegende, raakte het excentrieke genie Tesla toch in de vergetelheid bij de massa, nadat hij eenzaam en berooid overleed in zijn hotelkamer in New York in 1943. Maar eerherstel lijkt op komst, mede dankzij de CEO van Tesla Motors, de luxe elektrische sportwagens.

Musk gaf afgelopen jaar ruim een miljoen dollar om de grond aan te kopen waar Tesla’s enige nog bewaarde laboratorium staat, Shoreham aan de kust op 60 kilometer van New York. Hier wil een club ‘Tesla-activisten’ verenigd in het Tesla Science Center de lab-ruïnes herstellen tot museum. Als eerbetoon aan Tesla’s vooruitziende ingenieursblik.

Op deze plek experimenteerde Tesla met zijn meest tot de verbeelding sprekende werk voor de moderne tijd: draadloze energie-transmissie. Hij bouwde daarvoor de Wardenclyffe Tower: een staalconstructie van 60 meter hoogte met daarop een metalen conus. Met gebruik van hoge voltages wekte Tesla als bij een krachtige radiozender elektromagnetische golven op. Die zou een ontvanger duizenden kilometers verderop kunnen aftappen, mits net als bij een radio afgestemd op de juiste frequentie.

Daarmee zou je- volgens zijn verbeelding- op afstand bewegende elektrische auto’s kunnen opladen.‘Het sturen van draadloze energie zal een tot nu toe ongekende industriële revolutie teweeg brengen’, zo schreef Tesla in 1906 aan 1 van zijn oude sponsoren, George Westinghouse. Pas 110 jaar later komen nu toepassingen op de consumentenmarkt volgens die filosofie. (Zie Kader)

Hernieuwde interesse in Tesla-achtige experimenten ontstond dankzij de Kroatische Amerikaan Marin Soljacic van MIT. Hij publiceerde in 2007 in Science over een experiment waarbij hij- 100 jaar na Tesla- een lamp van 60 Watt liet oplichten op 2 meter afstand. Transport van dit vermogen verliep via elektromagnetische golven door een opgewekt magneetveld tussen de spoel van de stroombron en de spoel die aan de lamp zat bevestigd. Net als bij een radio laat je de spoel van de lamp meetrillen met de frequentie van de zender, via elektromagnetische golven. Via dit fenomeen-resonantie- ontstaat energie-overdracht: het lampje brandt.

 

Magnetron
Tesla bouwde Wardenclyffe-Tower in 1901 met steun van financier John Pierpoint Morgan. Hij beloofde Morgan aanvankelijk een commercieel systeem van draadloze radio-transmissie naar Europa. Daarmee zou ook telefonie naar Engeland mogelijk worden en het verzenden van beeld. Precies bij aanvang van de bouw was echter Guglielmo Marconi de eerste die overzees radio-boodschappen verzond. Deze uitvinder maakte gebruik van een transformator die Tesla had uitgevonden, de Tesla Coil, die radiogolven opwekt.

Tesla schaalde vervolgens het Wardenclyffe-experiment op, om Marconi te overtreffen voor zijn eigenlijke droom: draadloos energie verzenden.In 1899 slaagde Tesla al om draadloos over 40 kilometer afstand een elektromotor aan te drijven met het magneetveld van de aarde als medium. Ook liet hij 200 lampen oplichten die in de aarde waren gestoken. Experiment met de Wardenclyffe-tower leidde in 1914 tot de patentaanvraag ‘Apparatus for transmitting electrical energy’ JP Morgan trok zijn financiële steun echter in, toen Marconi’s veel goedkopere systeem voor radio-transmissie de markt veroverde.

Tesla raakte daardoor in de schulden. Wardenclyffe raakte in onbruik. In 1917 werd de toren opgeblazen, waarbij het schroot werd gebruikt om zijn rekeningen te betalen. Wat rest zijn nu speculaties over wat Tesla werkelijk had kunnen bereiken bij Wardenclyffe. De door de Tesla-activisten gemaakte film ‘Tower to the People’ in 2015 stelt dat hun cult-held er vrij beschikbare energie voor iedereen mee wilde oogsten.

Experts in draadloze energie wijzen op het gevaar van wat mogelijk een giga-magnetron was geworden. Een apparaat dat je hersens kookt. Soljacic zat met zijn bescheiden experimentje al een factor 10 boven de gezondheidsnorm. Bij Tesla’s proeven aan de kust van Long Island schoot geregeld de bliksem van de conus. Tot kilometers afstand raakten zeevogels overstuur. Vissers zouden in wijde omtrek geen vis meer vangen.

 

Death Ray
Met de tegenslagen en schulden kwam ook het persoonlijk verval van Tesla. Zelfs als populaire tafelgast van de New Yorker elite, had Tesla de vreemdste fobieën: zoals voor menselijk haar en voor handen geven, zodat hij handschoenen droeg. Avances van beeldschone actrices sloeg hij af. Al zijn aandacht werd geabsorbeerd door de ‘kick’ van het uitvinden, zoals Tesla in 1896 omschreef: ‘de sensatie wanneer een creatie uit je brein zich ontwikkelt tot succes. Zulke emoties doen een man, slaap, voedsel, vrienden en liefde vergeten, alles.’

In zijn bloeitijd verkocht Tesla zich aanvankelijk goed aan media als excentriek uitvinder. Met zijn groeiend isolement kreeg hij echter het imago van waanzinnige wetenschapper,. Vooral dankzij ideen voor mililtaire toepassing van zijn werk. Zo stelde Tesla in media voor om een vroege variant op Star Wars te ontwikkelen: een geladen deeltjes-kanon dat vliegtuigen uit de lucht kon schieten.

Dergelijke proefballonnetjes deden Tesla in 1934 figureren in de tekenfilm van Superman. De superheld redt hier New York van een doorgedraaid genie met zijn ‘Death Rays’.

Vele van zijn 700 patenten kregen een militair luchtje, en werden na zijn dood door het Pentagon geconfisqueerd. Het HAARP-programma van het Pentagon, dat in de jaren ’90 in Alaska verrees is mede op een patent van Tesla gebaseerd. HAARP is een super-magnetron met antennes die de ionosfeer verhitten. Dat is de laag van geladen deeltjes op 60 kilometer boven het aardoppervlak. Verhitting zou als raketschild werken. Tesla voorzag al het gebruik van de ionosfeer als medium voor transport van golven.

De grotendeels geheime defensie-toepassingen helpen via speculatie en complottheorie nu aan exponentiële vergroting van Tesla’s status als techno-tovenaar. Zat het Amerikaanse leger achter de sloop van Wardenclyffe en de val van Tesla? Willen ‘ze’ voorkomen dat gratis energie voor iedereen beschikbaar komt? Wetenschapshistoricus W.Bernard Calson van de Universiteit van Virginia vat Tesla’s ondergang minder romantisch samen in Scientific American: ‘Hij bedacht veel fundamentele technische concepten, maar ontwikkelde ze niet door tot bruikbaar product. Tesla ging daarnaast slecht met geld om, en triest genoeg stierf hij vervolgens in eenzaamheid en verguizing.’

 

 

////

Draadloos dilemma
De TU Delft ontwikkelt toepassingen voor draadloos oplaadbare laptops in de kantooromgeving. Sinds 2014 bouwt Apple ook in telefoons de mogelijkheid voor batterijladen op afstand. Met aanmerkelijk minder bliksem dan bij Wardenclyffe. ‘Tesla’s ideeën gaan over super grote vermogen-transmissies op lange afstanden’, stelt onderzoeker Przemek Pawelczak van de TU Delft. ‘In mijn geval het gaat over low-power op korte afstanden.’

Onderzoek kampt nu vooral met een draadloos dilemma, zo erkent Pawelczak.

Voor het verzenden van bruikbare energie over grote afstand, zijn vermogens nodig die gezondheidsschade geven. Dan warmt de straling menselijk weefsel op. Binnen de veilige afstand is het voordeel van draadloos laden ten opzichte van de ouderwetse kabel vooralsnog beperkt, en de methode kampt met lage energie-efficiëntie. Toch zijn vanaf dit jaar diverse startups met commerciële producten op de markt als Wattup en Cota met Real Wireless Power die laptop en telefoon op afstand van 5 meter laden. Het Israëlische Wi-Charge laadt de telefoon op met infrarode straling.