Глава IV
Победа над переменным током
(1886–1888)
Термомагнитный двигатель
В разгаре трудностей Тесла собрался с силами и подал заявку на патент для термомагнитного двигателя в марте 1886 года. Подобно тому, как его изобретение системы дугового освещения спасло его после ухода от Эдисона, так же и это новое устройство помогло ему снова встать на ноги.
Вероятно, Тесла начал размышлять о взаимосвязи магнетизма и тепла во время работы в Edison Machine Works, так как Эдисон тогда экспериментировал с пиромагнитным генератором, который напрямую вырабатывает электроэнергию от горящего угля. Во время одного неудачного эксперимента в 1884 году Эдисон нагревал уголь до тех пор, пока он не раскалился и не выделил газ, который, как он надеялся, будет ионизироваться горящим углем. Хотя Эдисон получил очень сильный ток, газ взорвался и выбил окна его лаборатории{184}.
Вероятно, принимая во внимание неудачу Эдисона с перегретым углем, Тесла первоначально сосредоточился на том, что железные магниты теряют свою магнитную силу при нагревании. Чтобы использовать это явление в своих интересах, Тесла спроектировал небольшой двигатель, состоящий из магнита, железной поворотной рукояти, пружины, горелки Бунзена[42] и маховика. При нормальной температуре стационарный магнит был достаточно силен, чтобы повернуть рукоять и сжать пружину. Однако, когда рукоять вращалась в направлении стационарного магнита, она проходила сквозь пламя горелки Бунзена. Пламя нагревало рукоять и лишало ее магнитного заряда, созданного в ней стационарным магнитом. Теперь сила сжатой пружины была больше силы магнитного поля, заставляя рукоять вращаться по направлению от стационарного магнита. Поскольку она была связана с маховиком, ее движение заставляло поворачиваться маховое колесо. По мере того как рукоять выходила из пламени, она охлаждалась и снова притягивалась магнитом. Теперь сила магнитного поля была больше, чем сила пружины, заставляя, таким образом, рукоять вращаться назад к стационарному магниту и пламени. В своей заявке на патент Тесла не только в общих чертах изложил основной принцип работы этого двигателя, но также представил семь его вариаций{185}.
Спасенный Пеком и Брауном
Патент на термоэлектрический двигатель оказался поворотным моментом в карьере Теслы, так как благодаря ему он встретил мужчин, которые станут его наставниками в работе по усовершенствованию двигателя переменного тока. Роя канавы, Тесла рассказал нанявшему его прорабу о своей работе над изобретениями, и этот прораб в свою очередь представил его Альфреду С. Брауну (1836–1906){186}. Браун начал работать на телеграфе в 1855 году и к 1875 году дослужился до должности руководителя нью-йоркского Western Union’s New York Metropolitan District{187}[43]. Браун считался «первоклассным инженером-электриком и экспертом в подземной работе телеграфа» и контролировал прокладку кабельного соединения от главного офиса Western Union к фондовым и товарным биржам, расположенным в центре Манхэттена. Поэтому вполне возможно, что прораб, контролирующий рытье канав для этих подземных кабелей, мог представить Теслу Брауну{188}. Как руководитель высшего звена в компании Western Union, Браун наблюдал, как Эдисон продемонстрировал несколько своих прорывных изобретений, включая его дуплекс (система связи с двумя абонентами), квадруплекс (система связи с четырьмя абонентами) и модифицированный телефон{189}. Одним из признаков высокого положения Брауна в телеграфных кругах было то, что в 1878 году он поддерживал концы покрова на похоронной процессии Уильяма Ортона, могущественного президента компании Western Union{190}. По своему опыту в Western Union Браун хорошо знал, как компании и люди могли использовать изобретения, чтобы существенно изменить промышленность.
Почувствовав потенциал в термомагнитном двигателе Теслы, но понимая, что понадобятся экспертные знания для коммерциализации этого изобретения, Браун обратился к Чарльзу Ф. Пеку (умер в 1890 году). Адвокат из Энглвуда, Нью-Джерси, Пек интересовался телеграфом и электричеством и почитал другого изобретателя-электротехника, Уильяма Стэнли-младшего, как друга семьи.
Пек занялся телеграфной связью в 1879 году, когда он и Джон О. Эванс исследовали возможность протянуть прямую линию телеграфной связи между Вашингтоном, округ Колумбия, и Чикаго. В ходе попытки установить эту линию Пек обнаружил, что существуют банки и коммерсанты, которых интересует аренда выделенных проводов для нужд своего бизнеса. Чтобы использовать этот спрос и сдавать в аренду линии телеграфа, он и Эванс организовали Mutual Union Telegraph Company в 1880 году с капиталом в размере 1,2 миллиона долларов, чтобы построить линии между крупнейшими городами. Эванс был президентом этой новой компании, в то время как Пек служил секретарем. Mutual Union построил новую линию между Бостоном и Вашингтоном и затем быстро сдал в аренду отдельные провода многим заинтересованным лицам. Пек и Эванс получили значительную прибыль от продажи этих арендных договоров. Вместе они были хорошей командой, как написал один из историков телеграфа: «Эванс был живым, сообразительным, предприимчивым. Господин Пек был активен и осторожен»{191}.
Но Пек и Эванс быстро поняли, что можно зарабатывать еще больше, если Mutual Union начнет преследовать Western Union. С тех пор как она стала доминировать в телеграфной промышленности в конце 1860-х годов, Western Union противостояла угрозам захвата компании федеральным правительством или предпринимателями с Уолл-стрит. Чтобы отбить эти угрозы, президент Western Union Уильям Ортон умело использовал квинтэссенцию политического лоббирования, своевременного снижения тарифов, прокладки линий вдоль главных железнодорожных путей, и прежде всего поощряя изобретателей, таких, как Эдисон и Элиша Грэй, разрабатывать более эффективные средства связи. Однако эта тактика не была надежной; если конкурирующим коммерсантам удалось бы обеспечить себе либо патенты на новые изобретения либо преимущественные права на прокладку линий вдоль железных дорог, они могли легко напасть на Western Union и предпринять попытку враждебного поглощения. Джей Гулд[44] использовал эту стратегию дважды, сначала неудачно, в 1874–1877 годах, и затем успешно, в 1879–1881 годах. «В каждом набеге, – отметил историк Ричард Р. Джон, – Гулд провел политическую кампанию, чтобы свести на нет исключительные права Western Union, создал дикое колебание рыночной цены на акции Western Union, использовав в своих интересах предварительную информацию о тенденциях рынка, и создал конкурирующую телеграфную корпорацию – компанию Atlantic & Pacific[45] в 1874 году и компанию American Union в 1879 году, – которую Western Union счел целесообразным выкупить»{192}.
В 1881 году, посмотрев на Гулда, Пек и Эванс решили увеличить масштаб компании Mutual Union и создать собственную конкурирующую телеграфную сеть. Обещая захватить «девять десятых частей прибыльного телеграфного бизнеса страны», Пек и Эванс выпустили акции и облигации на сумму 10 миллионов долларов, убедили банкира с Уолл-стрит Джорджа Ф. Бейкера присоединиться к предприятию и начали строить новые линии. Они значительно окрепли, когда Baltimore & Ohio Railroad[46] сдала в аренду свои телеграфные линии компании Mutual Union. Чтобы контролировать операции, Пек переманил Брауна из Western Union и сделал его генеральным директором Mutual Union. Стремясь иметь передовые технологии, компания Mutual Union наняла Джона Райта и Джона Лонгстрита в качестве инженеров-электриков и поручила им разработку биржевого телеграфного аппарата или буквопечатающего телеграфа. Компания развивалась так энергично, что в течение двух лет у Mutual Union было более двадцати пяти тысяч миль линий в двадцати двух штатах. Mutual Union хвалилась, что годовая рентабельность сети составит 1,5 миллиона долларов и ожидаемые годовые дивиденды составят 12 %{193}.
Гулд не хотел, чтобы эта новая компания разрушила Western Union, и контратаковал ее, применив ту же тактику, которую он использовал против Western Union. Первоначально Гулд купил 30 % акций Mutual Union и предложил Бейкеру совместно управлять компанией. Когда Бейкер отказался, Гулд принял ответные меры, впутав Mutual Union в череду судебных процессов. Устав Mutual Union ограничивал общую сумму акционернгого капитала компании 1,2 миллиона долларов, и таким образом выпуск акций и облигаций на сумму 10 миллионов долларов был незаконным.
Подстрекаемые Гулдом, рассерженные инвесторы потребовали, чтобы генеральный прокурор Нью-Йорка аннулировал устав компании. (Генеральный прокурор с отвращением рассмотрел отмену устава и Mutual Union и Western Union.) Western Union предъявил иск Mutual Union за посягательство на свой патент на реле телеграфа, изобретенное Чарльзом Г. Пейджем (рассматривается далее в этой главе). Между тем Чикагский муниципальный совет отказался разрешить Mutual Union устанавливать столбы на улицах, и Детройт угрожал поступить аналогично. Разбитый этими событиями, президент Mutual Union Эванс умер на Рождество 1881 года{194}.
Но Пек знал, что такие проблемы были частью игры по противостоянию Western Union; нужно было набраться терпения и ждать, пока Western Union пойдет на мировое соглашение. В конечном счете, поняв, что он не может позволить своим врагам в телеграфной промышленности сплотиться против Mutual Union, Гулд заключил соглашение в 1885 году с Mutual Union. После длительных переговоров Western Union согласился арендовать линии Mutual Union. Условия арендного договора гласили, что Western Union должен выплачивать 1,5 % годовых на 10 миллионов долларов акций Mutual Union и процент по 5 миллионам долларов облигаций, из которых 50 000 долларов ежегодно ассигновались в амортизационный фонд. В соответствии с этим соглашением Браун вернулся в Western Union в качестве управляющего{195}. Пек выиграл у Гулда в его собственной игре и завоевал состояние.
Благодаря опыту в Mutual Union Пек и Браун идеально подходили на роль наставников Теслы в мире продвижения изобретений. Работая на высших уровнях телеграфной промышленности, они изучили, как выгодно использовать технологические инновации. Они знали, как создать компанию, продвинуть новую технологию и пользоваться изменением конъюнктуры рынка. Пек и Браун обрисовали Тесле ключевые возможности в электротехнической промышленности и распространили информацию о его изобретениях, чтобы создать общественный резонанс и получить финансовое вознаграждение. Тесла был высокого мнения об обоих мужчинах, отмечая, что «они были во всех отношениях самыми замечательными и благородными людьми, которых я когда-либо встречал в своей жизни»{196}.
Заинтересовавшись термомагнитным двигателем Теслы и несколькими другими идеями, Пек осенью 1886 года предложил, чтобы он и Браун выступили в качестве поручителей Теслы, чтобы тот мог превратить эти изобретения в практические устройства. Чтобы Тесла начал работать над изобретениями, Пек и Браун арендовали для него лабораторию в Нижнем Манхэттене осенью 1886 года. Они договорились разделять прибыль следующим образом: одну треть будет получать Тесла, одну треть – Пек и Браун и еще одна треть будет реинвестироваться в будущие изобретения. Пек и Браун покрывали все расходы на обеспечение патентов и платили Тесле ежемесячную зарплату 250 долларов. В апреле 1887 года Тесла, Пек и Браун создали компанию Tesla Electric Company. В мае 1887 года Жигети приехал в Нью-Йорк, чтобы стать помощником Теслы{197}.
Первая лаборатория Теслы была расположена в деловом квартале Нью-Йорка. Лаборатория находилась на Либерти-стрит, 89, прямо за углом от офисов Mutual Union на Бродвее, 120. На первом этаже располагалась компания Globe Stationery & Printing Company[47], и Тесла занял комнату наверху. Лаборатория была оснащена лишь рабочим местом, печью и динамо, произведенным Эдвардом Уэстоном. Чтобы запитать динамо электричеством, Пек и Браун заключили соглашение с печатной компанией. Поскольку Globe для работы своих прессов использовал паровой двигатель только днем, компания могла предоставить электроэнергию Тесле в ночное время. В результате Тесла выработал привычку работать над изобретениями по ночам{198}.
В соглашении с Пеком и Брауном Тесла обязался разработать несколько различных изобретений, а не только двигатель переменного тока, о котором он так долго мечтал. Поэтому Тесла в первую очередь принялся за работу над проблемой с коммутаторами в двигателях и динамо. Он думал о коммутаторах в течение многих лет, и хотя он предпочел бы исключить их из электрического оборудования, он тем не менее придумал несколько улучшений, включая двигатель переменного тока с короткозамыкающим коммутатором и коммутатор для динамо со сниженным риском искрения{199}.
Пиромагнитный генератор
В то время как Тесла занимался надлежащим оформлением патентной заявки на коммутатор для динамо, Пека и Брауна гораздо сильнее интересовали его идеи о преобразовании тепла от горящего угля напрямую в электричество{200}. Их привлекала эта идея, потому что их интересовало получение энергии в целом. Хорошо зная о растущем спросе американской промышленности на дешевую энергию, к Пеку и Брауну ранее обратился инженер, который предложил производить пар за счет перепада температур в океане. В определенных случаях разница между холодной водой на глубине и теплой водой на поверхности океана может достигать 60°. Один из способов использовать в своих интересах эту разницу температур состоял в том, чтобы применить принцип, реализованный в криофоре, устройстве, разработанном английским ученым В. Х. Вулластоном. Изучая природу тепла, Вулластон соединил два резервуара трубкой и затем выкачал весь воздух. В один резервуар он налил воду комнатной температуры, а в другой – ледяной термостат. К удивлению Вулластона, разница температур в двух резервуарах превратила воду в первом в пар, который стал перемещаться по трубе во второй резервуар и конденсироваться там. На основе этой идеи инженер произвел для Пека и Брауна расчет, как крупномасштабная система трубопроводов, насосов, двигателей, котлов и конденсаторов могла использоваться, чтобы произвести из океанской воды неисчерпаемый запас пара, который можно подавать по трубопроводу к паровым двигателям. Хотя Пек и Браун сочли этот план интересным, они были обеспокоены, что он потребует больших капиталовложений на строительство предложенного пилотного завода. Кроме того, они были озадачены проблемой распределения всей энергии, которую мог выработать огромный завод по производству пара: как передавать энергию на многочисленные фабрики, магазины и дома?{201}
Пек и Браун были заинтересованы в реализации амбициозного плана вроде идеи по преобразованию океанского пара, поэтому вполне естественно, что их привлекли идеи Теслы о преобразовании тепла от горящего угля в электричество. Возможность производства электроэнергии напрямую из тепла прельщала изобретателей и инвесторов из-за высокой стоимости и сложности использования паровых двигателей и динамо. Чтобы произвести электричество в 1880-х годах (или даже сегодня), нужно было сжигать уголь, который нагревал бойлер и производил пар. Затем пар использовался механизмом, который поворачивал динамо. В этой системе энергия терялась на каждом этапе за счет выброса тепла или трения. Если можно было бы убрать промежуточные шаги и перейти от горящего угля прямо к электричеству, получилось бы эффективное изобретение, еще более революционное, чем динамо. (Тесла вернулся к этой идее повышения эффективности производства электроэнергии несколько лет спустя в своем механическим осцилляторе; см. главу Х.)
Для своего пиромагнитного генератора Тесла объединил принцип, использованный им в термомагнитном двигателе, с законом электромагнитной индукции Фарадея. Тесла выяснил, что нагревание магнита в термомагнитном двигателе приводило к ослаблению или изменению его магнитного поля. А как выявил Фарадей, при изменении магнитного поля в проводнике, находящемся в этом поле, индуцируется электрический ток. Следовательно, если поместить проводник в поле магнита, который поочередно нагревался и охлаждался, в проводнике возникнет ток{202}.
Чтобы на практике объединить эти два принципа в пиромагнитном генераторе, Тесла использовал большой магнит подковообразной формы. Поперек полюсов этого магнита он поместил специальный сердечник, внутри которого был теплоизолированный металлический ящик со множеством полых железных труб. Поскольку сердечник находился на подковообразном магните, эти железные трубы были намагничены. Вокруг за пределами ядра было две обмотки провода. Под центральной частью сердечника находилась топка, которая нагревала железные трубы, а над центром сердечника был бойлер, соединенный с помощью трубы с сердечником таким образом, чтобы в железных трубах мог циркулировать пар. Чтобы управлять циркуляцией пара в сердечнике, Тесла поместил клапан в трубу между бойлером и сердечником{203}.
При работе устройства горящий уголь в топке нагревал железные трубы, пока они не становились темно-красными, до температуры 600 °C. При этой температуре железные трубы размагничивались и изменяющееся магнитное поле индуцировало ток в катушках. Затем открывали клапан, и пар (который был 100 °C) циркулировал в трубах и снижал их температуру. Процесс охлаждения восстанавливал магнитное поле в железных трубах, и вновь изменяющееся магнитное индуцировало ток в катушках. Так как нагревание и охлаждение вызвали токи, текущие в противоположных направлениях, пиромагнитный генератор Теслы производил переменный ток.
Тесла считал этот пиромагнитный генератор «большим изобретением» и энергично работал над ним с осени 1886 года до конца лета 1887 года{204}. По всей вероятности, он столкнулся с проблемой получения достаточной разницы температур между нагреванием и охлаждением. Чтобы произвести значительное количество электричества, температура сердечника должна была резко повышаться и падать; если бы сердечник сохранял постоянное тепло, то вырабатывалось бы мало электричества. Тесла подал заявку на патент для этого изобретения, но в выдаче патента ему было отказано.
Обеспокоенный, что у него не получилось усовершенствовать это изобретение, Тесла испугался, что Пек и Браун могли покинуть его так же, как это сделали Вейла и Лейн в Рэуэе. Однако Пек был вполне уверен в Тесле и вместо этого поощрил его продолжать изобретать. Когда стало ясно, что пиромагнитный генератор не будет работать, вспоминал Тесла, «я встретил г-на Пека у двери здания, в котором был его офис, и он разговаривал со мной очень любезно и сказал: «Не отчаивайтесь, что ваше замечательное изобретение не оправдало ожиданий; вы все еще можете добиться с ним успеха. Возможно, вам стоит на некоторое время переключиться на другие идеи, а эту пока оставить. По моему опыту, это очень хороший план». Я возвратился приободренный»{205}.
Овладение противофазными токами
Последовав совету Пека, Тесла переместил внимание с пиромагнитного генератора на электродвигатели. Он теперь возвратился к идеалу, который озарил его в Будапеште пятью годами ранее: двигателю с вращающимся магнитным полем (см. главу II). В качестве первого шага на пути к достижению этого идеала Тесле необходимо было проверить догадку о том, что несколько переменных токов могли произвести вращающееся магнитное поле. Он много думал о том, как объединить несколько переменных токов, но никогда не пробовал этого на практике.
Тесла начал с усовершенствования в своей лаборатории динамо постоянного тока Уэстона так, чтобы оно производило два, три или четыре отдельных переменных токов{206}. Для своих первых экспериментов он использовал большое пластинчатое кольцо для статора, подобное тому, что было в его страсбургском двигателе. Вместо того чтобы сделать на кольцо одну намотку, как в Страсбурге, Тесла разделил обмотку на четыре отдельных катушки, по одной в каждом секторе. Тесла добился того, чтобы генератор переменного тока подавал на катушки на противоположных сторонах кольца два отдельных тока. В качестве ротора двигателя он подвесил банку гуталина на булавке в центре кольца. К восторгу Теслы, вращающееся магнитное поле заставило консервную банку крутиться{207}.
Работая над этим двигателем, Тесла наконец выяснил, как объединить переменные токи, чтобы создать вращающееся магнитное поле в статоре двигателя. Для этого токи, подаваемые на каждую пару катушек, не должны были совпадать друг с другом. В случае с двумя токами, когда один ток имел максимальное положительное значение, другой имел максимальное отрицательное значение. Если представить переменные токи как синусоиду, то можно сказать, что эти два тока сдвинуты по фазе на 180°. Теперь, понимая важность наличия противофазных токов, Тесла мог построить полномасштабный электродвигатель с помощью вращающегося магнитного поля, который он задумал в Будапеште.
Расцвет переменного тока в конце 1880-х годов
Взволнованный этим прорывным двигателем, Тесла пригласил Брауна, своего покровителя с техническим складом ума, на демонстрацию работы двигателя в конце лета 1887 года. Но когда Браун наблюдал за вращением консервной банки в прототипе двигателя, Тесла столкнулся с проблемой. Убедить своих покровителей, что его вращающееся магнитное поле могло использоваться в качестве основы для создания практического, коммерческого двигателя переменного тока, было непросто. Почему они должны вложить деньги во вращающуюся консервную банку? В то время как для нас создание двигателя переменного тока может казаться делом само собой разумеющимся, для экспертов по электричеству в 1887 году это было не так. Чтобы понять причину этого, необходимо рассмотреть ситуацию в электротехнической промышленности в середине 1880-х годов.
С одной стороны, Пек и Браун были, вероятно, довольны исследованием двигателей из-за нарастающего интереса к возможностям использования двигателей на центральных электростанциях в экспертном кругу. В середине 1880-х годов в связи с ростом количества центральных электростанций выросла и конкуренция в сфере их эксплуатации, системные операторы центральных электростанций заинтересовались расширением своей клиентской базы, добавив моторное обслуживание. В то время как они продолжали обеспечивать электричество для освещения ночью, системные операторы рассматривали двигатели как средства, с помощью которых они могли продать электроэнергию фабрикам и трамвайным линиям в дневное время. В ответ производители электрооборудования добавили двигатели к своим производственным линиям, и к 1887 году в отрасли существовало пятнадцать фирм, чье совокупное производство составляло десять тысяч двигателей{208}. И если центральные электростанции могли использовать двигатели, чтобы распределить электроэнергию фабрикам, то, возможно, новый эффективный двигатель позволил бы Пеку и Брауну распределять электроэнергию из их амбициозной схемы получения океанского пара{209}.
С другой стороны, Пек и Браун с большим подозрением относились к идеям Теслы о развитии двигателя переменного тока, так как почти все центральные электростанции в Соединенных Штатах в середине 1880-х годов использовали постоянный ток, не переменный{210}. В конце 1870-х годов несколько изобретателей-электротехников во Франции, а также Элиу Томсон в Америке экспериментировали с использованием переменного тока в своих системах дугового освещения. Переменный ток был привлекателен для этих изобретателей, так как он позволил им использовать элементарный трансформатор, чтобы решить основную проблему того, как заставить единственное динамо приводить в действие несколько дуговых ламп одновременно; в 1870-х это называлось «подразделением электрического освещения». Однако, как только Чарльз Браш из Кливленда представил свою систему дугового освещения постоянного тока с улучшенными динамо и регулятором, американские инженеры переключились на развитие систем постоянного тока. Используя постоянный ток, предприниматели установили центральные электростанции для систем дугового освещения и освещения лампами накаливания в десятках американских городов{211}.
В Европе, однако, не забыли о переменном токе, там изобретатели усовершенствовали трансформатор; намотав две разных катушки на один железный сердечник, они обнаружили, что возможно повышать или понижать напряжение переменного тока, и они начали широко использовать это новое устройство. Например, в Лондоне в 1883 году Люсьен Голард и Джон Гиббс использовали один из первых трансформаторов, чтобы подсоединить и дуговые лампы, и различные виды ламп накаливания последовательно к единому большому генератору{212}. В то же самое время в Будапеште инженеры, с которыми Тесла познакомился в Ganz and Company – Циперновский, Блати, и Дери, – рассматривали переменный ток как способ развивать систему освещения лампами накаливания, которая могла бы применяться в более широкой области. Они выяснили, что если их генератор будет вырабатывать высоковольтный переменный ток, то можно распределять электроэнергию на более длинные расстояния по тонким медным проводам. Чтобы защитить клиентов от высокого напряжения, они использовали трансформатор, чтобы понизить напряжение, прежде чем ток поступал в дома и магазины. В течение нескольких лет система Циперновского, Блати и Дери использовалась для освещения нескольких европейских городов. Как система Голарда и Гиббса, так и система Циперновского, Блати и Дери, обе использовали однофазный переменный ток, так как этого было достаточно, чтобы обеспечить желаемое изменение напряжения{213}.
Работу европейцев над трансформаторами переменного тока быстро оценили проницательные американскими предприниматели. Во время поездки за границу в 1885 году Чарльз Коффин из компании Thomson-Houston узнал о системе Циперновского, Блати и Дери и по возвращении убедил Томсона возобновить работу над переменным током. В 1886 году европейские агенты предупредили Эдисона, что они вынуждены конкурировать с Ganz и Company за контракты на освещение, и убедили компанию Эдисона приобрести опцион на регистрацию в США патента на систему Циперновского, Блати и Дери{214}.
Но больше всех трансформатором переменного тока заинтересовался американский предприниматель Джордж Вестингауз (1846–1914). Получив знания в машинном цехе своего отца в Скенектади, Нью-Йорк, Вестингауз обладал уникальным соединением технического гения и деловой хватки. Помимо того что Вестингауз сам разрабатывал пневматические тормоза и улучшенные сигнальные системы для железных дорог, он обладал столь же квалифицированными управленческими навыками, необходимыми для крупномасштабного производства и продажи этих инноваций. В 1884 году Вестингауз заинтересовался электрическим освещением, первоначально рассматривая его как способ диверсифицировать деятельность его компании Union Switch and Signal Company. Первым делом Вестингауз нанял Уильяма Стэнли-младшего, который запатентовал лампу накаливания и автономное динамо.
Вначале Вестингауз намеревался разработать систему постоянного тока, подобную эдисоновской, но весной 1885 года заинтересовался системой преобразования переменного тока Голарда и Гиббса, прочитав о ней в журнале Engineering{215}. Почувствовав, что разработка еще одной системы постоянного тока принесет мало прибыли, Вестингауз решил двигаться в совершенно новом направлении. В частности, он предполагал, что переменный ток мог использоваться для установки центральных электростанций в муниципалитетах, которые не могла обслуживать компания Edison. Из-за высокой стоимости ее генераторов и медной распределительной сети компания Edison могла продать системы только густонаселенным городам; чтобы эдисоновская центральная станция приносила прибыль, она должна была располагаться так, чтобы обслуживать десятки домов и компаний. Вестингауз полагал, что в случае с переменным током можно было достигнуть экономии за счет роста производства; используя преобразователи, можно было повысить напряжение, распределив мощность на более широкую область, и, следовательно, обслужить больше клиентов. Его система переменного тока была бы разработана с расчетом на прибыль в местностях с рассеянным населением.
Разглядев потенциал переменного тока, Вестингауз начал действовать решительно. Он отправил партнера, Гуидо Панталеони, в Европу, для покупки опциона на систему Голарда и Гиббса. Летом 1885 года Вестингауз заказал несколько трансформаторов Голарда и Гиббса для своего завода в Питтсбурге и попросил, чтобы Стэнли спроектировал систему освещения лампами накаливания от переменного тока{216}. Работая в небольшой лаборатории в Грейт-Баррингтоне, Массачусетс, Стэнли разработал практический дизайн для трансформатора и подтвердил мысль, что трансформаторы должны быть связаны с генератором параллельно, а не последовательно, как у Голарда и Гиббса. Чтобы продемонстрировать ценность своего трансформатора, Стэнли натянул провода на деревьях вдоль улиц Грейт-Баррингтона, чтобы поставить переменный ток к домам и на предприятия в марте 1886 года{217}. Взяв за основу демонстрационную систему Стэнли, Вестингауз установил свою первую коммерческую систему переменного тока в Буффало, Нью-Йорк, в ноябре следующего года. Полная решимости не отставать от Вестингауза, компания Thomson-Houston установила систему переменного тока в Lynn Electric Light Company в мае 1887 года, а к концу того же года Thomson-Houston установила еще двадцать две таких системы{218}.
Электротехническое сообщество с интересом следило за быстрым развитием систем освещения переменным током в течение 1887 года. Если в январе 1887 года трансформаторы переменного тока лишь вскользь упоминались в ежегодном обзоре журнала Electrical World, то в январе 1888 года журнал назвал развитие систем освещения с использованием трансформаторов одним из важнейших прорывов в отрасли{219}.
Переменный ток вызывал интерес электротехников не потому, что он считался технологией будущего, но потому, что они видели серьезную пропасть между идеалом и реальностью. Да, в идеале переменный ток позволит центральным электростанциям распределять энергию большему числу клиентов, но в реальности над этим еще нужно потрудиться. Таким образом, к концу 1887 года использование переменного тока представляло собой одновременно и коммерческую возможность, и значительные технические проблемы и риски. Хотя трансформаторы могли повышать и понижать напряжение, инженеры Вестингауза и Thomson-Houston затруднялись спроектировать эффективный трансформатор. Другие критики были обеспокоены затратами на большие электростанции переменного тока. Вестингауз утверждал, что главное преимущество переменного тока состояло в том, что можно было построить крупную станцию на окраине города, которая бы производила дешевое электричество. Знакомые с трудностями привлечения капитала на строительство станций, и Эдисон, и многие системные операторы центральных электростанций полагали, что строительство крупных станций переменного тока будет стоить слишком дорого и процентные платежи по инвестициям сведут на нет всю операционную прибыль{220}.
Еще одной заботой была безопасность. Эдисон и его партнеры провели много времени, пытаясь определить наилучшие изоляционные материалы для их низковольтной системы, и они просто не верили, что Вестингауз сумеет защитить людей от поражения током высоковольтного напряжения{221}. И наконец, несколько обозревателей указали, что системы переменного тока, предложенные Вестингаузом и Thomson-Houston, не были столь же удобны и универсальны, как системы постоянного; у обеих компаний отсутствовали счетчики для измерения потребления электричества каждым отдельным потребителем, а также двигателем для обеспечения электроэнергией фабрик и трамваев. Полномасштабно исследовав плюсы и минусы переменного тока, Эдисон резюмировал проблемы с переменным током, отметив, что это просто «не стоило внимания практичных людей»{222}.
Колумбово яйцо
Пек и Браун хорошо знали об этих тенденциях в электротехнической промышленности. Они понимали, что, несмотря на растущий интерес к электродвигателям, никто не был уверен, что будущее было за переменным током. Поэтому, когда Пек и Браун поддержали Теслу в исследовании электродвигателей, они не были заинтересованы в том, чтобы он работал над электродвигателем переменного тока. Они считали переменный ток просто мимолетной причудой – интересной, да, но слишком далекой от идеала. Возможно, было бы лучше, если бы Тесла сосредоточился на двигателе постоянного тока, для которого уже существовал рынок сбыта.
После нескольких неудачных попыток обсудить свои планы относительно электродвигателя переменного тока с Пеком и Брауном Тесла понял, что ему необходимо зрелищное представление. Было недостаточно показать Брауну банку гуталина, крутящуюся во вращающемся магнитном поле, Тесла должен была сделать что-то, что захватит воображение его покровителей.
Поэтому во время их следующей встречи Тесла спросил Пека и Брауна, знали ли они историю Колумбова яйца. Согласно легенде, Христофор Колумб победил своих критиков при дворе испанской королевы Изабеллы, бросив им вызов – он обещал поставить яйцо на столе вертикально. После того как никто из насмешников не смог заставить яйцо стоять вертикально, Колумб показал им решение задачи, разбив яйцо с одного конца и поставив его на стол. Впечатленная хитростью Колумба, Изабелла заложила свои драгоценности, чтобы финансировать его экспедицию{223}.
Когда Пек и Браун подтвердили, что слышали историю, Тесла заявил, что он может заставить яйцо стоять вертикально, не ломая скорлупу. Если он пойдет дальше, чем Колумб, согласятся ли Пек и Браун профинансировать его эксперименты с переменным током? «У нас нет королевских драгоценностей, чтобы заложить их, – ответил Пек, – но есть несколько дукатов в портянках, и мы могли бы оказать вам некоторое содействие»{224}.
Чтобы получить обещанные дукаты, Тесла прикрепил магнит с четырьмя катушками к нижней стороне деревянного стола и изготовил яйцо с медным покрытием и несколько шаров. Когда Пек и Браун приехали в лабораторию, Тесла положил медное яйцо на стол и подал на магнит два противофазных тока. К их удивлению, яйцо встало на столе вертикально, но Пек и Браун были по-настоящему ошеломлены, когда яйцо и шары начали крутиться на поверхности стола сами по себе. Хотя это и было похоже на волшебство, Тесла быстро объяснил Пеку и Брауну, что яйцо и шары крутились из-за вращающегося магнитного поля. Впечатленные этим представлением, Пек и Браун стали поощрять работу Теслы над электродвигателями переменного тока.
Этот эпизод научил Теслу, что изобретателю необходим определенный талант, чтобы создать правильную иллюзию о своих творениях. Люди не вкладывают капитал в изобретения, построенные из консервных банок, они инвестируют в проекты, которые захватывают их воображение. Чтобы привлечь внимание людей, зачастую необходимо использовать метафоры, истории и темы, характерные для определенной культуры, – это то, что Тесла сделал с помощью истории о Колумбе. Стоило Тесле увлечь Пека и Брауна своим представлением, он смог заставить их подумать о коммерческом потенциале его двигателя.
Разработка многофазных двигателей
После того как Колумбово яйцо убедило Пека и Брауна, Тесла продвинулся далеко вперед в разработке двигателей с использованием вращающегося магнитного поля. С помощью Жигети он сконструировал два основных электродвигателя переменного тока, которые использовал почти во всех своих экспериментах в 1887 и 1888 годах. Первым был аппарат под названием «Колумбово яйцо», который состоял из большого пластинчатого кольца (статор) с железным диском (ротор), вращающимся в его центре{225}. Во втором двигателе Тесла снова использовал пластинчатое кольцо, но на этот раз он поместил четыре катушки на подставках внутри кольца. В этом втором двигателе Тесла попробовал несколько различных роторов, включая дисковый и барабанный{226}. Он обнаружил, что оба варианта работали и что, когда он менял полярность соединений, двигатели мгновенно изменяли направление. Тесла был чрезвычайно доволен этими двигателями, так как они «были точно такими, как я их себе представлял. Я не предпринял попытки улучшить дизайн, а просто воспроизвел изображения в том виде, в котором они предстали перед моим взором, и они работали именно так, как я ожидал»{227}.
Поскольку эти двигатели использовали два или более переменных противофазных тока, Тесла назвал их многофазными двигателями. Тесла не был единственным изобретателем, работающим над электродвигателями переменного тока в то время, но его многофазные двигатели существенно отличались от разработок Элиу Томсона и других конкурентов. Во-первых, Тесла сохранял простоту конструкции своего двигателя, концентрируясь на способе вращения ротора – индуцируя в нем вихревые токи, а не подавая ток. Во-вторых, в основу разработки двигателя он положил явление, которое не было очевидно по своей природе, – вращающееся магнитное поле. И в-третьих, в отличие от своих современников, Тесла стремился использовать несколько переменных токов, чтобы создать магнитное поле.
К концу 1887 года Пек и Браун признали, что Тесла изобрел замечательный новый электродвигатель переменного тока, и убедили его запатентовать свои идеи. Пек предложил Тесле проконсультироваться с юридической фирмой Duncan, Curtis & Page. Пек доверял этой фирме и заверил Теслу, что они получат сильные патенты для его изобретений. В Duncan, Curtis & Page патентом Теслы занялся один из партнеров фирмы, Паркер В. Пейдж (1862–1937). Получивший образование в Гарварде, Пейдж, по всей видимости, проявил особый интерес к двигателям Теслы, так как его отец, Чарльз Графтон Пейдж, работал над электродвигателями – и даже полномасштабным работающим от аккумулятора локомотивом – в 1840-х и 1850-х годах. Кроме того, патенты имели большое значение для семьи Пейджа. На склоне лет Чарльз Графтон Пейдж зарегистрировал через конгресс специальный патент на общую конструкцию индукционной катушки, и после его смерти его вдова Присцилла убедила Western Union выкупить права на этот патент за 25 000 долларов плюс выплату роялти прав[48]. Учитывая работу его отца над электродвигателями и успех матери в выгодной продаже патента Western Union, Паркер Пейдж был идеальным адвокатом для работы над моторными патентами Теслы{228}.
Офис компании Duncan, Curtis & Page был расположен по адресу Бродвей, 120, в том же самом здании, что и офис Пека, за углом от лаборатории Теслы на Либерти-стрит. Тесла регулярно посещал офис Пейджа и приносил ему эскизы и технические описания своих идей. Тесла тщательно готовил свои технические отчеты не только потому, что во время своих экспериментов он консультировался с Пейджем, но еще и потому, что он надеялся написать книгу под названием «История тысячи и одного двигателя переменного тока». По словам Пейджа, в своих отчетах Тесла описывал общие принципы работы двигателей, а не конкретных конструкций. Используя отчеты и эскизы Теслы, Пейдж составлял заявки на патенты, которые Тесла затем проверял{229}.
В ходе своего сотрудничества Пейдж и Тесла столкнулись со стратегическим вопросом: как он сможет защитить свои изобретения? До сих пор Тесла шел по пути большинства изобретателей и подавал патентные заявки на конструкцию отдельных компонентов; например, для системы дугового освещения он подал отдельные заявки на динамо, лампу и регулятор. Однако в случае с его многофазным двигателем Пейдж и Тесла решили, что серия заявок на отдельные конструкции двигателя не отразит сущность изобретения. Со студенческих времен Тесла думал о своем двигателе как о системе, и теперь он хотел представить миру свое изобретение именно как систему. Поэтому Пейдж и Тесла выбрали смелую стратегию регистрации заявления, подав заявку на систему передачи энергии с использованием многофазных двигателей.
Убежденный, что его двигатель должен рассматриваться как полнокомплектная система, Тесла зарегистрировал комплексную заявку на патент 12 октября 1887 года{230}. По этой заявке Тесла претендовал не только на изобретение нового электродвигателя переменного тока, но также и новой системы передачи электроэнергии. Подозревая, что эксперты в Патентном бюро не поймут принцип работы его нового двигателя, Тесла объяснил свою теорию относительно того, как вращающееся магнитное поле вызывало вращение ротора.
Осенью Тесла и Пейдж подали в Патентное бюро еще четыре документа на различные разработки для двигателей, относящиеся ко времени его обучения в Праге{231}. Однако все эти заявки были расценены Патентным бюро как слишком общие; в частности, патентные эксперты были против того, чтобы Тесла заявлял двигатель и систему передачи энергии в одном патенте. В связи с этим в марте 1888 года Пейджу и Тесле пришлось разделить на части три своих заявки и отдельно подать документы на двигатель и на конструкцию системы. В результате Тесла получил семь патентов, охватывающих его идеи о многофазных токах, и все были выпущены 1 мая 1888 года{232}.
Более практичное изобретение Теслы: двигатели с расщепленной фазой
Тесла был довольно горд своим многофазным двигателем и идеями для передачи энергии – он потратил много сил на получение этих патентов. Он был увлечен разработкой полнокомплектных систем передачи электроэнергии, в которых двигатель и генератор были бы тщательно подобраны друг к другу. Тесла был уверен, что, разрабатывая полные системы, он сможет производить наиболее эффективные двигатели и генераторы в том смысле, что для их веса они имели бы самую большую производительность{233}.
Но Браун, технически подкованный покровитель Теслы, не был полностью уверен в том, что системный подход был наилучшим способом для развития двигателей переменного тока. Браун был обеспокоен тем, что многофазные схемы Теслы задействовали четыре или даже шесть проводов между генератором и двигателем. Действительно, установки дугового освещения Браша в конце 1870-х годов использовали четыре и более проводов, чтобы соединить лампы и динамо, но, учитывая высокую стоимость медных проводов, инженеры-электрики переключились в конце 1880-х годов на двух- и трехпроводные схемы электрического освещения{234}. Многофазная система Теслы просто не соответствовала двухпроводным системам переменного тока, которые строили и эксплуатировали компании Westinghouse и Thomson-Houston в то время. Поскольку многофазные двигатели Теслы задействовали четыре или шесть проводов, их было невозможно подключить к существующей электрической системе. Для эксплуатации многофазной системы Теслы требовалось переоборудовать центральные электростанции и установить специальный генератор и заменить систему электропроводки. Поэтому несмотря на то, что Тесла считал свою многофазную систему идеальной, по мнению Брауна, она имела ограниченный коммерческий потенциал{235}.
В сентябре 1887 года, сразу после того, как Тесла продемонстрировал двигатель с банкой гуталина, Браун спросил Теслу, сможет ли он спроектировать электродвигатель переменного тока, который бы работал от существующей однофазной сети переменного тока, – двигатель, который будет соединен с генератором только двумя проводами. Поскольку он увлекся созданием своего идеала для многофазной системы передачи электроэнергии, Тесле не приходило в голову, что кому-то нужны двигатели, которые работали бы от существующих линий переменного тока{236}.
Однако через несколько дней Тесла начал показывать Брауну двигатели, которые могли работать от двух проводов, используя однофазный переменный ток. Для этих двигателей он разделил поступающий переменный ток на две ветви и затем использовал несколько методов, чтобы заставить ток в одной ветви быть в противофазе относительно тока в другой ветви. Для этого Тесла поместил катушки сопротивления, конденсаторы и катушки индукции на одной ветви электроцепи на входе в двигатель. Каждая из этих цепей была связана с катушками на противоположных сторонах статора в двигателе, и противофазный ток создавал вращающееся магнитное поле. Когда Браун выразил беспокойство, что дополнительные устройства, такие, как катушки сопротивления, производили теплоотходы и снижали эффективность двигателя, Тесла устранил их, используя два вида провода в катушках статора. При помощи толстого провода с низким сопротивлением для одного набора катушек статора и тонкой проволоки с высоким сопротивлением для другого набора он получил два противофазных тока и, следовательно, вращающееся магнитное поле точно так же, как в его многофазных двигателях{237}.
Впечатленный работой Теслы над разработкой целой линейки двигателей с расщепленной фазой, Браун дал «добро» на подготовку патентной заявки на все его идеи. Браун хорошо разбирался в электротехнической области и сразу почувствовал ценность патентов на электродвигатели переменного тока, которые можно внедрить в существующие распределительные сети. Тесла, однако, не соглашался с Брауном, утверждая, что он должен был придумать проект двигателя с расщепленной фазой, который будет столь же эффективен, как и его многофазные двигатели. Очевидно, Тесла был очарован своей идеальной многофазной системой, и его намного больше интересовало то, как эта система могла передавать электроэнергию из одной точки в другую. Тесла был уверен, что может повысить эффективность своих двигателей с расщепленной фазой, но пока этого не произошло, он зарегистрирует патентные заявки только на многофазные разработки. В результате Тесла решил не подавать никаких заявок на двигатели с расщепленной фазой, которые он создавал осенью 1887 года{238}.
Таким образом, в течение следующих нескольких месяцев Тесла продолжил готовить заявки на многофазные двигатели и ничего не сообщил своему адвокату, Пейджу, о двигателях с расщепленной фазой. Тем не менее в апреле 1888 года Пейдж спросил Теслу об этих двигателях. Работая с Теслой над патентом на трансформатор для регулирования сдвига фаз между двумя токами, Пейдж случайно спросил, мог ли двигатель, описанный в этой заявке, работать от двух проводов. Когда он ответил положительно, вспоминал Тесла, «г-н Пейдж посмотрел на меня в изумлении и попросил объяснить более полно. Я помню это очень хорошо, потому что это испугало меня почти до смерти». Пейдж не мог поверить, что Тесла не знал о растущем спросе на электродвигатель переменного тока, пригодный для практического применения, и что он не потрудился сообщить, что изобрел двухпроводный двигатель. Между тем Тесла переживал, что если бы Пейдж узнал о его двухпроводных проектах, то не отнесся бы серьезно к многофазной системе. Как вспоминал Пейдж, Тесла «намеренно держал от меня в тайне информацию об этих [двухпроводных] двигателях из опасения, что если бы я знал, что его многофазные двигатели могли работать от одной электроцепи, как и другие двигатели, то я бы счел его изобретение [т. е. многофазную систему] бесперспективным»{239}.
Как только к нему вернулось самообладание, Пейдж озаботился регистрацией сильных патентов для двигателей Теслы с расщепленной фазой. Ситуация была сложной, потому что широкие патенты на многофазные двигатели должны были быть выпущены Патентным бюро 1 мая 1888 года. В ожидании этого Пейдж готовил заявления на полдюжины дополнительных многофазных изобретений узкого профиля и должен был подать остающиеся заявки, прежде чем выйдут широкие патенты{240}. Если бы он этого не сделал, эксперты могли бы исключить определенные проекты, утверждая, что эти изобретения уже были покрыты широкими патентами. Кроме того, Пейдж подал патентные заявки в нескольких зарубежных странах, включая Англию и Германию, и теперь волновался, потому что иностранные патенты на многофазные двигатели должны были регистрироваться на основе того, что было покрыто американскими патентами. Если бы Пейдж исправил заявки и добавил в них двигатели с расщепленной фазой, он рисковал значительно задержать выпуск иностранных патентов. Чтобы уладить эти затруднения, Пейдж спешно отправился в Патентное бюро в Вашингтоне и по возвращении начал готовить проекты заявок на двухпроводные двигатели, которые затем передал Тесле на рассмотрение{241}.
Из нежелания Теслы запатентовать свои двигатели с расщепленной фазой можно сделать вывод, что, как и у других изобретателей, у него отсутствовало правильное представление о коммерческих последствиях его работы. Элиу Томсон, например, до конца не оценил важности развития однофазной системы переменного тока с использованием трансформаторов и получил патенты только в 1885 году, когда его к этому подтолкнул покровитель, Чарльз А. Коффин{242}.
Однако этот эпизод с двигателями с расщепленной фазой показывает еще более сильную особенность стиля Теслы как изобретателя. Тесла стремился развивать свою многофазную систему, потому что в ней воплотился идеальный принцип. Работая над двигателем переменного тока, он был очарован симметрией его системы переменного тока: как движение ротора сквозь магнитное поле генератора создавало несколько переменных токов, так и многофазные переменные токи могли вызвать движение в двигателе посредством вращающегося магнитного поля. Тесла смог отразить эту идеальную симметрию в своей многофазной системе, но ему не удавалось сделать то же самое с двигателями с расщепленной фазой. Да, он мог разделить ток, используя множество изобретательных уловок, но эти уловки не были равноценны использованию красивого принципа.
Как мы увидим на протяжении всей карьеры Теслы, его сильной стороной было умение идентифицировать главную идею и стремиться разработать систему вокруг нее. Трудность такого подхода состояла в том, что Тесла ожидал, что бизнесмены и потребители будут приспосабливаться к его системам, а не Тесла будет приспосабливать свои системы к потребностям и пожеланиям общества. В случае противопоставления его многофазной системы двигателям с расщепленной фазой Тесла полагал, что общество должно принять его красивую многофазную систему, даже если бы это потребовало замены существующих двухпроводных однофазных систем более дорогими четырехпроводными сетями. Практические соображения и стоимость мало значили для Теслы по сравнению с идеалом. В этом Тесла похож на Стива Джобса, который часто призывал своих инженеров не думать о затратах, но вместо этого проектировать «безумно великие продукты» с новыми возможностями{243}.
В результате разногласий и споров с Брауном и Пейджем были зарегистрированы две группы патентов: одна из них покрывала идеи Теслы для многофазных, многопроводных двигателей и систем, а другая была для более практичных двигателей с расщепленной фазой, или двухпроводных двигателей. Было досадно, что Тесла задержал подачу заявлений на двигатели с расщепленной фазой, так как эта задержка ослабила его приоритетные права и повлекла за собой запатентную тяжбу, которая длилась в течение следующих пятнадцати лет. Тем не менее, как мы увидим, благодаря патентам, покрывающим и общие принципы, и практические проекты, Тесла дал своим покровителям хороший задел для переговоров с производителями электрооборудования.