Il sistema wireless mondiale di Nikola Tesla

Nel giugno 1899, uno scienziato di origine serba, Nicola Tesla, inizia il lavoro sperimentale nel suo laboratorio a Colorado Springs (USA). L'obiettivo di Tesla all'epoca era uno studio pratico della possibilità di trasmettere energia elettrica attraverso l'ambiente naturale.

Il laboratorio di Tesla è eretto su un enorme altopiano, che si trova a un'altitudine di duemila metri sul livello del mare, e l'area per centinaia di chilometri intorno è nota per temporali abbastanza frequenti con fulmini molto intensi.

Tesla ha affermato che con l'aiuto di un dispositivo finemente sintonizzato è stato in grado di rilevare i fulmini che si verificano a una distanza di sette o ottocento chilometri dal suo laboratorio. A volte attendeva quasi un'ora per il suono del tuono dalla successiva scarica di fulmine, mentre il suo dispositivo determinava con precisione la distanza dal punto in cui si era verificata la scarica, nonché il tempo dopo il quale il suono avrebbe raggiunto il suo laboratorio.

Volendo studiare le vibrazioni elettriche nel globo, lo scienziato ha installato il trasformatore ricevente in modo che il suo avvolgimento primario fosse messo a terra con uno dei suoi terminali, mentre il suo secondo terminale fosse collegato a un terminale ad aria conduttivo, la cui altezza poteva essere regolata.

L'avvolgimento secondario del trasformatore è collegato a un sensibile dispositivo di autoregolazione. Le oscillazioni nell'avvolgimento primario provocavano la comparsa di impulsi di corrente nell'avvolgimento secondario, che a sua volta azionava il registratore.

Un giorno, Tesla osservò i fulmini di un temporale che infuriava in un raggio di meno di 50 chilometri dal suo laboratorio, e poi con l'aiuto del suo dispositivo riuscì a registrare circa 12.000 scariche di fulmini in sole due ore!

Durante le osservazioni, lo scienziato fu inizialmente sorpreso dal fatto che i fulmini più lontani dal suo laboratorio avessero spesso un impatto più forte sul suo dispositivo di registrazione rispetto a quelli che colpivano più vicino. Tesla stabilì inequivocabilmente che la differenza nella forza delle scariche non era la causa delle differenze. Ma cosa allora?

Il 3 luglio Tesla fece la sua scoperta. Osservando un temporale quel giorno, lo scienziato ha notato che le nuvole temporalesche che si precipitavano ad alta velocità dal suo laboratorio generavano fulmini quasi regolari (ricorrenti a intervalli quasi regolari). Ha iniziato a guardare il suo registratore.

Quando il temporale si è allontanato dal laboratorio, gli impulsi di corrente nel trasformatore ricevente inizialmente si sono indeboliti, ma poi sono aumentati di nuovo, è arrivato un picco, poi è passato ed è stato sostituito da una diminuzione di intensità, ma poi è arrivato di nuovo un picco, quindi di nuovo una diminuzione .

Ha osservato questo schema distinto anche quando il temporale si era già spostato di circa 300 chilometri dal suo laboratorio, l'intensità dei disturbi risultanti è rimasta piuttosto significativa.

Lo scienziato non aveva dubbi che si trattasse di onde che si diffondevano dai punti in cui il fulmine colpiva il suolo, come lungo un normale filo, e ne osservava le creste e le depressioni proprio nei momenti in cui il punto della bobina ricevente le colpiva.

Tesla ha quindi deciso di costruire un dispositivo che generasse onde simili. Doveva essere un circuito con un'induttanza molto alta e la minor resistenza possibile.

Un trasmettitore di questo tipo può trasmettere energia (e informazioni), ma essenzialmente non nello stesso modo implementato nei dispositivi Hertz, cioè non attraverso radiazioni elettromagnetiche… Queste dovrebbero essere onde stazionarie che si propagano lungo la terra come un conduttore e attraverso un'atmosfera elettricamente conduttiva.

Come concepito dallo scienziato, la frequenza nel suo sistema di trasferimento di energia deve essere ridotta a tal punto da minimizzare l'emissione (!) di energia sotto forma onde elettromagnetiche.

Quindi, se le condizioni per la risonanza sono soddisfatte, il circuito sarà in grado di accumulare l'energia elettrica di molti impulsi primari come un pendolo. E l'effetto sulle stazioni riceventi sintonizzate sulla risonanza sarebbero oscillazioni armoniche, la cui intensità potrebbe in linea di principio superare in grandezza i fenomeni di elettricità naturale osservati da Tesla durante i temporali in Colorado.

Con una tale trasmissione, lo scienziato presume che utilizzerà le proprietà di conduzione del mezzo naturale, in contrasto con il metodo di Hertz con la radiazione, dove molta energia viene semplicemente dissipata e solo una piccolissima frazione dell'energia trasmessa raggiunge il ricevitore.

Se si sincronizza il ricevitore di Tesla con il suo trasmettitore, è possibile ottenere energia con un'efficienza fino al 99,5% (Nikola Tesla, articoli, p. 356), come se si trasferisse corrente attraverso un filo di bassa resistenza, sebbene in pratica il trasferimento l'alimentazione è ottenuta in modalità wireless. La Terra funge da unico conduttore in un tale sistema. La tecnologia, secondo Tesla, rende possibile costruire un sistema mondiale per la trasmissione wireless di energia elettrica.

L'analogia che Tesla ha dato contrapponendo il suo sistema al sistema hertziano in termini di efficienza della trasmissione di energia (o informazione) è questa.

Immagina che il pianeta Terra sia una palla di gomma piena d'acqua. Il trasmettitore è una pompa alternativa che opera in un punto della superficie della palla: l'acqua viene aspirata dalla palla e ritornata ad essa a una certa frequenza, ma il periodo deve essere abbastanza lungo perché la palla nel suo insieme si espanda e si contragga a quella frequenza.

Quindi i sensori di pressione sulla superficie della palla (ricevitori) saranno informati dei movimenti, indipendentemente dalla distanza dalla pompa in cui si trovano e con la stessa intensità.Se la frequenza è leggermente più alta, ma non molto alta, le oscillazioni si rifletteranno dal lato opposto della palla e formeranno nodi e antinodi, mentre se il lavoro viene svolto in uno dei ricevitori, allora l'energia verrà consumata, ma la sua la trasmissione si rivelerà molto economica...

Nel sistema hertziano, continuando l'analogia, la pompa ruota con una frequenza enorme, e l'apertura attraverso la quale l'acqua viene introdotta e restituita è molto piccola. Una parte colossale dell'energia viene spesa sotto forma di onde di calore a infrarossi e una piccola parte dell'energia viene trasferita alla palla, quindi i ricevitori possono fare pochissimo lavoro.

In pratica, Tesla propone di ottenere condizioni di risonanza nel sistema wireless mondiale come segue. Il trasmettitore e il ricevitore sono bobine multigiro messe a terra verticalmente con elevata conducibilità superficiale in corrispondenza dei terminali fissati ai loro conduttori superiori.

Il trasmettitore è alimentato da un avvolgimento primario, che contiene un numero significativamente inferiore di spire rispetto al secondario, ed è in forte connessione induttiva alla parte inferiore di una bobina secondaria multigiro messa a terra.

La corrente alternata nell'avvolgimento primario è ottenuta con l'ausilio di un condensatore. Il condensatore viene caricato dalla sorgente e scaricato attraverso l'avvolgimento primario del trasmettitore. La frequenza di oscillazione del circuito oscillante primario così formato è resa uguale alla frequenza delle oscillazioni libere del circuito secondario, e la lunghezza del filo dell'avvolgimento secondario da terra al terminale è resa uguale a un quarto della lunghezza d'onda delle oscillazioni propagate lungo di esso.

Premesso che la quasi totalità della capacità autoelettrica del circuito secondario cade sul terminale, allora è al terminale che si ottengono l'antinodo (sempre la massima oscillazione) della tensione e il nodo (sempre nullo) della corrente, e nel punto di messa a terra - l'antinodo della corrente e il nodo della tensione.Il ricevitore ha un design simile al trasmettitore, con l'unica differenza che la sua bobina principale è multigiro e quella corta in basso è un secondario.

Ottimizzando il circuito del ricevitore, Tesla giunse alla conclusione che per il suo funzionamento più efficiente la tensione dall'avvolgimento secondario doveva essere corretta. Per questo, lo scienziato ha sviluppato un raddrizzatore meccanico, che consente non solo di correggere la tensione, ma anche di trasferire energia al carico solo in quei momenti in cui la tensione dell'avvolgimento secondario del circuito di ricezione è vicina al valore di ampiezza.