Олег Арсенов
Никола Тесла
Волшебник переменных токов
Момент, когда кто-то конструирует воображаемый прибор, связан с проблемой перехода от сырой идеи к практике. Поэтому любому сделанному таким образом открытию недостает деталей, и оно обычно неполноценно. Мой метод иной.
Я не спешу с эмпирической проверкой. Когда появляется идея, я сразу начинаю ее дорабатывать в своем воображении: меняю конструкцию, совершенствую и «включаю» прибор, чтобы он зажил у меня в голове. Мне совершенно все равно, подвергаю ли я тестированию свое изобретение в лаборатории или в уме. Даже успеваю заметить, если что-то мешает исправной работе. Подобным образом я в состоянии развить идею до совершенства, ни до чего не дотрагиваясь руками. Только тогда я придаю конкретный облик этому конечному продукту своего мозга. Все мои изобретения работали именно так. За двадцать лет не случилось ни одного исключения. Вряд ли существует научное открытие, которое можно предвидеть чисто математически, без визуализации. Внедрение в практику недоработанных, грубых идей – всегда потеря энергии и времени.
Н. Тесла
Никола Тесла (1856–1943)
Я не тружусь более для настоящего, я тружусь для будущего…
Интуиция – это нечто такое, что опережает точное знание. Наш мозг обладает, без сомнения, очень чувствительными нервными клетками, что позволяет ощущать истину, даже когда она еще недоступна логическим выводам или другим умственным усилиям…
Н. Тесла. Дневники
Жарким июньским днем 1884 года на берег нью-йоркского Манхэттена сошел с толпой эмигрантов, прибывших с Балкан, молодой высокий черноволосый худой человек с щегольскими усиками. Он резко отличался от черногорских крестьян и македонских пастухов в барашковых шапках и домотканых свитках с узлами и чувалами на плечах своим приличным костюмом-визиткой, изящным котелком и полным отсутствием багажа. Поправляя котелок и стряхивая пыль с отворота визитки, юноша направился в глубь Манхэттена.
Это был год, когда Франция подарила Америке статую Свободы, а президент и конгресс Северо-Американских Соединённых Штатов (САСШ) выступили с инициативой начать новую, весьма благожелательную иммиграционную политику. Тут же в Новый Свет ринулись миллионы безземельных крестьян и безработных рабочих со всех уголков Европы и Азии. На многих площадях и перекрестках агенты железнодорожных, горнорудных и пароходных компаний за гроши нанимали на тяжелейшую работу новых жителей Америки.
Молодого человека, казалось, совершенно не интересовали иммиграционные биржи труда, хотя он исподтишка и бросал голодные взгляды на роскошные витрины американских магазинов. Спросив что-то у важного полицейского в высоком шлеме с длинной дубинкой на поясе, он в раздумье остановился у окна небольшой ремонтной лавки. Тут его внимание привлекли громкие проклятия хозяина мастерской, которые он посылал какой-то неисправной электрической машине. Приглядевшись, юноша понял, что пожилой мужчина, выбиваясь из сил, тщетно пытается наладить работу небольшого генератора, служившего для освещения. Немного поколебавшись, молодой человек решительно вошел в лавку и, сняв котелок, вежливо предложил свою помощь.
Недоверчивость владельца мастерской вскоре сменилась удивлением. Когда же генератор заработал и юноша, довольный своим успехом, хотел удалиться, хозяин мастерской настоял на 20-долларовом гонораре. Радостно улыбаясь неожиданному заработку, молодой человек плотно перекусил в дешевой забегаловке и отправился искать недорогую гостиницу.
Так началась жизнь в Америке молодого сербского эмигранта Николы Теслы, одного из самых талантливых и всесторонне развитых изобретателей прошлого и позапрошлого веков.
В те времена все американские газеты превозносили до небес «короля изобретателей» Томаса Алву Эдисона. Именно к нему и направился Тесла, имея в кармане лишь несколько долларов и рекомендательную записку. После долгих объяснений и препирательств с непреклонной секретаршей Никола наконец прорвался в громадный, помпезно обставленный в стиле нуворишей кабинет. Там его и встретил седой моложавый человек, сутуло восседавший за огромным столом в застегнутом на все пуговицы смокинге. Услышав, что посетитель приплыл в Америку с идеей найти широкий простор для применения многофазных переменных токов, Эдисон как ошпаренный вскочил из-за стола, перевернув роскошное резное кресло, и забегал по кабинету, меряя его шагами.
Томас Эдисон (1847–1931)
Никола даже не понял, на какую больную мозоль он наступил: в то время вся «империя Эдисона», включающая мастерские, электрическую компанию, электростанцию и большой исследовательский центр, состоящий из нескольких отлично оборудованных лабораторий, занималась исключительно постоянным током.
«Король изобретателей» выскочил из кабинета, вихрем пронесся мимо невозмутимо взирающей на выходки своего шефа секретарши и завернул за здание лаборатории. Пораженный Тесла неуверенно последовал за ним, судорожно сжимая в руке котелок, и увидел знаменитого изобретателя около «маленького железного монстра-локомотива», как писали газеты. Все сотрудники Эдисона знали, что в любое время суток он выпускает пар негодования, возясь со своим самым любимым техническим детищем – небольшим электровозом постоянного тока, снабжаемым энергией от лабораторной электростанции. Для своего железного любимца изобретатель даже проложил несколько километров замкнутого электрифицированного пути между близлежащими зданиями мастерских и лабораторий со стрелками и переездами. Однако сколько Эдисон ни щелкал рубильником, электровоз не трогался с места. Похоже, в электрической сети просто не было тока. Негодуя, он ринулся в машинный зал электростанции, у входа в который его уже поджидала толпа курьеров от разгневанных собственников нескольких частных особняков. Дело в том, что богатые жители Нью-Йорка давно уже пользовались электричеством из частной сети Эдисона. Кроме того, изобретатель снабжал постоянным током отдельные заводы, фабрики и театры – и электрические провода, как неряшливо сплетенная паутина, висели по всему городу, пугая лошадей искрами контактов.
Схема динамо-машины Теслы
Подскочив к застывшей динамо-машине, «король изобретателей» стал осыпать руганью нескольких инженеров и техников, пытавшихся установить причину аварии. Неожиданно вперед выступил Никола. С застенчивой улыбкой он объяснил Эдисону, что уже сталкивался с подобными поломками и может отремонтировать агрегат. Изобретатель с нескрываемым удивлением уставился на эмигранта и, пожав плечами, махнул рукой, приглашая к работе. Направляясь к выходу, он бросил через плечо:
– Вот это и будет первым испытанием, но даже если у тебя что-то и получится, в будущем никакого переменного, только постоянный ток!
Не прошло и получаса, как сотрудники Эдисона поняли, что перед ними профессионал высочайшей квалификации, а еще через час ротор динамо-машины стал вращаться, зажигая многочисленные лампочки «империи Эдисона». Американское «крещение» будущего постоянного соперника и критика «короля изобретателей» состоялось.
Идея Теслы заключалась в том, что для получения высокого коэффициента полезного действия электрогенераторов и электродвигателей надо пересмотреть принцип действия электромашин постоянного тока. В их обмотках первоначально образуется переменный ток, выпрямляемый затем с помощью коллектора в постоянный (генератор) или обратно – из постоянного в переменный (двигатель), поэтому, по мнению изобретателя, было бы целесообразнее прямо получать переменный ток и использовать его для самых различных нужд, избегая коллектор.
Надо сказать, что в те времена электротехника воспринималась точно так, как сегодня атомная энергетика, суля одаренным и любознательным молодым людям с научными и изобретательскими способностями необозримое поле деятельности, где можно и заработать, и обрести известность. Инженеров-электротехников в Америке готовили лишь в нескольких учебных заведениях, среди которых выделялся своим факультетом электротехники Корнеллский университет, а своими лабораториями – Колумбийский колледж. Вот почему слава о новом талантливом инженере-эмигранте, принятом на работу после испытания, устроенного «самим шефом», быстро распространилась по «империи Эдисона», а затем и по всем электрическим компаниям и исследовательским центрам Америки.
Работая на Эдисона (а это был непростой, тяжелый, даже рабский труд), Тесла не забывал о своем главном богатстве, привезенном из Старого Света, – проекте великолепного индукционного двигателя на переменном токе, основанном на открытии вращающегося магнитного поля. Он представлял это как будущее электротехники, развивая которое можно было несказанно разбогатеть.
Индукционный двигатель переменного тока Теслы
Вскоре Никола нашел способ существенно увеличить эффективность работы динамо-машин постоянного тока, повсеместно используемых Эдисоном, и предложил обширный план изменения схем, обещающий не только значительно улучшить их работу, но и сэкономить много денег. Жадность посредственного дельца, свойственная Эдисону, которая временами полностью душила в нем изобретателя, бурно возликовала при упоминании о больших деньгах, но он понимал, что проект грандиозен и требует мощнейшего стимула.
– Пятьдесят тысяч долларов твои, если ты сможешь это сделать в разумный срок, – уверенно заявил Эдисон и пожал Тесле руку в знак подтверждения договоренности.
Несколько месяцев Тесла работал не покладая рук, день за днем, почти без сна. Помимо полной переделки 24 динамо-машин и внесения в них существенных улучшений, он установил автоматические элементы управления, используя свои оригинальные изобретения. К тому времени личные отношения между гением и его работодателем испортились окончательно. Эдисон невзлюбил Теслу за то, что тот был интеллектуалом, теоретиком и благородным, образованным человеком с развитым чувством собственного достоинства. Эдисон чувствовал со стороны талантливого иностранца принципиальную угрозу всем своим системам постоянного тока.
«Король изобретателей» видел, что трон его монопольной империи начинает шататься под ним, но наивно полагал, что сможет остановить распространение переменного тока на производстве и в освещении теми же приемами, с помощью которых в свое время боролся с газовыми компаниями. Тогда Эдисон распространял бюллетени, в которых описывал взрывы газопроводов, а его агенты старательно распускали по всей стране слухи об ужасных авариях газового отопления и освещения с многочисленными человеческими жертвами.
Методы Эдисона, которые он использовал в погоне за прибылью, хорошо характеризует история с лампой накаливания выдающегося русского изобретателя Александра Николаевича Лодыгина (1847–1923).
Разумеется, общие принципы построения электрических ламп накаливания были известны и до Лодыгина. Но именно он пробудил немалый интерес у последующей плеяды выдающихся ученых к построению источников света, действующих по принципу накаливания проводника током.
Лампа Лодыгина
Свеча Яблочкова
Построив серию усовершенствованных ламп, Лодыгин впервые превратил их из опытного физического прибора в практическое средство освещения. Он показал преимущества применения металлической, в частности вольфрамовой, проволоки для изготовления тела накала и таким образом положил начало производства современных ламп накаливания, гораздо более экономичных, в отличие от угольных ламп раннего периода. Лодыгин подготовил почву для последующих побед другого выдающегося русского изобретателя – Павла Николаевича Яблочкова (1847–1894) – и, несомненно, оказал огромное влияние на Эдисона, который, пользуясь заимствованными принципами действия ламп накаливания, плодами трудов Лодыгина и Яблочкова, превратил этот прибор в предмет широкого коммерческого потребления, получив американский патент на изобретение. Однако в Европе ему удалось получить только «привилегии на усовершенствование».
У Теслы ушло более полугода на реконструкцию динамо-машин Эдисона. Когда работа была сделана, он не получил от Эдисона обещанных денег и ушел из его кампании в самый разгар глубокого финансового кризиса, когда найти работу по специальности было крайне трудно. Вскоре он получил предложение от консорциума электротехников-дельцов, предлагавших организовать собственное дело на паях по электрическому освещению улиц и площадей. Тесла рьяно взялся за разработку проекта, увидев возможность создать широкую сеть переменного тока. Однако новизна предложения напугала дельцов, и они решили ограничиться разработкой модели новой дуговой лампы.
Была образована Компания электрического освещения Теслы с головным офисом в Нью-Джерси и филиалом в Нью-Йорке. Вскоре молодой изобретатель разработал свою оригинальную схему дуговой лампы (лампы Теслы), которая была проще, надежнее, безопаснее и экономичнее всех своих аналогов, бывших тогда в употреблении. В отличие от Эдисона, Тесла никогда не скрывал, что прототипом его изобретения послужила свеча русского инженера Яблочкова.
В качестве причитающегося ему вознаграждения Тесла получил солидный пакет акций собственного предприятия, которые стоили немного дороже гербовой бумаги, на которой были отпечатаны. Глубочайший кризис перепроизводства американской экономики превратился в депрессию, и Тесле никак не удавалось найти инженерную или хотя бы техническую должность. Начиная с весны он весь 1886 год тяжело работал в уличных бригадах Нью-Йорка. Его заработка едва хватало на пропитание. Так или иначе, но все проходит, в конце концов закончился и этот тяжелый период в жизни изобретателя.
В «Американском патентном вестнике» вышло описание нескольких оригинальных изобретений, сделанных Теслой за те несколько лет, что он провел в Америке, которые тут же привлекли внимание влиятельных промышленников. Это были заявки на улучшение дуговых ламп Яблочкова, а также патенты на термомагнитный двигатель, пиромагнитный электрогенератор и гиромагнитный коммутатор для динамо-машин.
С Теслой встретился сам управляющий компании «Вестерн Юнион» – давний конкурент «империи Эдисона», который не только знал о переменном токе, но и был лично заинтересован в новой идее. Узнав об индукционном моторе изобретателя, управляющий отчетливо увидел грандиозное будущее этой электрической машины. Тут же заключили соглашение о создании акционерного общества под именем Теслы. Электрическая компания Теслы имела особую цель – наконец-то развить систему переменного тока, которую изобретатель пытался безуспешно внедрить в «империи Эдисона».
Война токов и патентов
Со времен Фарадея… никогда ни одна экспериментальная истина не была представлена так просто и понятно, как описание Теслой его способа получения и использования многофазных переменных токов. Он ничего не оставил своим последователям для доработки. Его труды содержат даже математическую основу теории.
Б. А. Беренд, доктор наук. Послесловие к лекции Теслы «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов» в Американском институте инженеров-электротехников
Макет электрогенератора переменного тока
Это не был просто новый двигатель, но вполне обоснованная новая технология. Суть системы переменного тока Теслы заключается в удивительно простом индукционном двигателе, практически не имеющем электрических подводящих частей, которые могли бы выйти из строя.
Уильям А. Антониони, профессор Корнеллского университета
Электрическая компания Теслы с капиталом в полмиллиона долларов открыла свое дело в апреле 1887 года. По иронии судьбы лаборатория и мастерские, которые Тесла нашел для своей новой компании, ранее принадлежали Эдисону. Для изобретателя, столь долго ожидавшего такого момента, это было осуществлением его мечты. Он начал работать, подобно одной из своих динамо-машин, – день и ночь, практически без отдыха.
Поскольку идею он уже давно вынашивал и все просчитал, ему потребовалось лишь несколько месяцев, для того чтобы начать оформление документов патента для всей многофазной системы переменного тока. В действительности это были три полные системы однофазного, двухфазного и трехфазного переменного тока. Тесла ставил эксперименты также с другими типами многофазных систем, и для каждого типа он создавал динамо-машины, двигатели, трансформаторы и автоматические элементы управления.
Система выработки и передачи переменного тока Вестингауза
В это время в Америке действовали сотни небольших электростанций, в которых использовалось по крайней мере 20 различных вариантов электрических контурных схем и типов оборудования. Обычно эти электрические схемы соответствовали одному изобретению или даже целой группе патентов. Джордж Вестингауз, изобретатель железнодорожного тормоза, купивший многие патенты на системы переменного тока, решил построить трансформаторную систему преобразования и передачи переменного тока. В 1886 году она была успешно опробована, а вскоре Вестингауз ввел в действие первую в Америке коммерческую систему переменного тока. Через год в нее входило уже более 30 электростанций. Так у «империи Эдисона» появился сильный и опасный конкурент в сфере электротехники.
Джордж Вестингауз
(1846–1914)
Главным препятствием на пути развития систем переменного тока было отсутствие простых, надежных и экономичных двигателей-генераторов. Полгода упорного труда в новой компании быстро принесли свои плоды – и Тесла смог послать в Патентную комиссию США сразу несколько заявок на многофазные двигатели и системы переменного тока. Надо заметить, что в течение пяти последующих лет он оформил 40 патентов, причем многофазные системы Теслы были настолько оригинальными и всеохватывающими, что патентовались абсолютно беcпрепятственно.
По предложению основателя одного из первых курсов электротехники в Корнеллском университете профессора Уильяма Антониони малоизвестный инженер-эмигрант был приглашен 16 мая 1888 года прочесть чрезвычайно престижную публичную лекцию в Американском институте инженеров-электротехников. К своему удивлению, Тесла обнаружил в себе способности оратора, а его лекция под названием «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов» стала классической.
По моему мнению, Джордж Вестингауз был единственным человеком на земном шаре, который смог принять мою систему переменного тока в существовавших тогда обстоятельствах и выиграть битву против предубеждений и власти денег. Он был первопроходцем, который впечатлял своим величием, одним из истинных благородных людей, которыми может гордиться Америка и перед которыми человечество находится в неописуемом долгу благодарности.
Н. Тесла
Этот период жизни был потрясающе удачным для Теслы. Его патенты были именно тем недостающим звеном, которое так искал для своих систем переменного тока американский промышленник, инженер и предприниматель Джордж Вестингауз. Он с самого начала сумел оценить гигантский потенциал электросистем переменного тока, способных передавать ток высокого напряжения через огромные американские просторы.
Ниагарский водопад
Как-то Вестингауз посетил Теслу в его лаборатории и рассказал о своей идее построить гидроэлектростанцию переменного тока на Ниагарском водопаде. Эта идея увлекла изобретателя. Мастерская и лаборатория Теслы были переполнены поражающими воображение аппаратами и приборами. Вестингауз ходил от машины к машине, иногда нагибался вперед, опираясь руками на колени, пристально вглядывался, а иногда, склонив голову, слушал ровный рокот и жужжание разнообразных двигателей переменного тока. Так началась дружба видного предпринимателя и выдающегося изобретателя.
Карта Всемирной выставки 1893 года в Чикаго
Всемирная чикагская выставка занимала громадную территорию в 175 км2, на ней было представлено 60 000 экспонатов, а проведение обошлось в 25 млн долларов. За полгода работы выставку посетили 28 млн гостей, принесших устроителям 2,25 млн долларов прибыли. Символом ярмарки стало огромное колесо обозрения инженера Ферриса, вращающееся на цельнометаллической оси, с кабинками, возносящими 2000 человек на 80-метровую высоту.
Триумфы переменного тока следовали один за другим. Так, в 1893 году на Всемирной чикагской электрической выставке, посвященной 300-летию открытия Америки, фирма Вестингауза обеспечивала все электроосвещение и установку электродвигателей. Открытием выставки стала экспозиция генераторов и электродвигателей Теслы. У него был собственный стенд, где демонстрировались многие изобретения, в частности прибор для демонстрации возможности получения механического вращения с помощью вращающегося магнитного поля. Этот прибор представлял собой плоскую металлическую сковородку, находившуюся в зоне действия катушек, создававших вращающееся магнитное поле. На сковородке лежало выточенное из меди яйцо. При пропускании тока через обмотки катушек оно начинало беспорядочно двигаться, а затем, встав на острый конец, быстро вращалось как вокруг своей оси, так и по окружности сковородки.
Современная модель яйца Теслы
Следующим значимым событием в истории переменных токов было строительство самой крупной в мире в те годы гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде. Этот величайший в мире водопад давно уже привлекал внимание предпринимателей, мечтавших использовать его энергию. Еще в 1886 году была создана специальная компания по изучению возможности строительства гидроэлектрической станции. Однажды Вестингауз торжественно объявил Тесле, что начинает борьбу за право своей компании «запрячь в электрическое динамо» Ниагарский водопад. Между тем общая ситуация была не очень благоприятной, ведь председателем Международного комитета Ниагары, учрежденного для того, чтобы выбрать наилучший способ применения Ниагарского водопада, был лорд Кельвин – известный английский ученый, сторонник постоянного тока.
Памятник Николе Тесле у Ниагарского водопада с постаментом в виде динамо-машины переменного тока
И лишь в 1893 году под влиянием успеха фирмы Вестингауза на Чикагской выставке Комитет Ниагары принял проект выработки переменного тока. В 1896 году на Ниагарской гидроэлектростанции установили три генератора двухфазного тока, который затем трансформировался в трехфазный высокого напряжения и передавался потребителям, где снова превращался в двухфазный. Запуск Ниагарской станции стал последним триумфом двухфазного тока. Несомненные преимущества трехфазного тока вытеснили менее совершенный двухфазный ток не только в Европе, но и в США. Саму Ниагарскую станцию вскоре переоборудовали, установив на ней трехфазные генераторы.
Генераторный зал современной Ниагарской ГЭС
Эти генераторы, а также электродвигатели и трансформаторы изобрел выдающийся русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861–1919). Необходимо отметить, что в начале 1890-х годов Вестингаузу и Тесле приходилось бороться на два фронта, отстаивая идею переменного двухфазного тока не только перед постоянным током Эдисона, но и перед трехфазным током русского изобретателя. Вскоре всем экспертам-электротехникам стало ясно, что оборудование и линии электропередачи, созданные Доливо-Добровольским, обладают значительными преимуществами перед всеми другими вариантами динамо-машин. Простота конструкции трехфазного электродвигателя русского изобретателя и экономия медного провода в линиях передачи давали в использовании трехфазного тока больше преимуществ. С этого времени трехфазная система начала применяться во всем мире.
К чести Теслы, он всегда находился вне яростной «борьбы патентов», считая, что его открытия могли бы использоваться во всем мире без всяких ограничений. Однако каковы бы ни были убеждения Теслы и как бы он ни симпатизировал другим изобретателям, фирмы, скупившие его патенты, распоряжались ими по своему усмотрению. Правда, в конце 1890-х годов Теслу уже мало интересовали вопросы приоритета его первого изобретения. Творческий поиск увел его в совершенно новую область электрических явлений.