Опытная станция
Однако, если следовать самому точному значению термина, это резонансный трансформатор, который помимо данных свойств точно соответствует земному шару и его электрическим константам и свойствам, и благодаря такой конструкции он становится высокоэффективным при беспроводной передаче энергии. При этом расстояние полностью несущественно, и совсем не происходит снижения интенсивности передаваемых импульсов. Можно даже увеличить активность с ростом расстояния от электростанции в соответствии с точным математическим законом.
Это резонансный трансформатор со вторичной обмоткой, в которой части, заряженные до высокого потенциала, занимают большую область и расположены в пространстве вдоль идеальных обертывающих поверхностей, очень большого радиуса кривизны и на должном расстоянии друг от друга, таким образом повсеместно обеспечивая малую плотность поверхностного заряда, так, чтобы не могла произойти утечка, даже если проводник неизолированный. Это подходит для любой частоты от нескольких герц до тысяч герц и может использоваться для производства тока огромных объемов и небольшого напряжения или малой силы тока и огромной электродвижущей силы. Максимальное напряжение просто зависит от кривизны поверхности, на которой расположены заряженные элементы, и от ее площади.
Интерьер лаборатории в Колорадо-Спрингс. Фотомонтаж
На третий год работы в лаборатории на Хаустон-стрит Тесле стало совершенно ясно, что в условиях большого города никогда не удастся развернуть полномасштабные исследования систем дистанционной передачи энергии. Для запланированных натурных опытов требовалась малонаселенная пустынная местность с достаточно мощным источником электрической энергии. Тут изобретатель получил приглашение от своего давнего знакомого – инженера-электрика Леонарда Кертиса, работавшего на электростанции курорта Колорадо-Спрингс в Скалистых горах. Воспользовавшись финансовой помощью нескольких своих хороших знакомых, осведомленных о бедственном положении Теслы, он за три весенних месяца 1899 года на высокогорном плато Пайк вблизи местечка Теллурайд, штата Колорадо, организовал единственную в своем роде лабораторию для исследования высоковольтных систем передачи энергии. Она размещалась в небольшом деревянном здании барачного типа, над крышей которого возвышалась открытая снизу решетчатая башня, сквозь которую была пропущена шестидесятиметровая мачта-антенна, заканчивающаяся массивным медным шаром диаметром около восьмидесяти сантиметров. Этот шар играл роль антенны-разрядника и заземлялся через обмотку высокого напряжения резонансного трансформатора, имеющего в поперечнике три метра при той же высоте. Диаметр первичной обмотки трансформатора удалось расширить до полутора десятков метров. Кроме этого основного оборудования, испытательная станция была оснащена вращающимся высокочастотным генератором, преобразователем переменного тока в постоянный, конденсаторами и индуктивными катушками самых разных характеристик, регистрирующими приборами, распределительным щитом. Электроснабжение обеспечивалось от специально выделенного трехфазного генератора близлежащей электростанции Колорадской электрической компании.
Свою колорадскую установку Тесла назвал «Усилительный передатчик», и работала она на максимальной частоте полутора сотен колебаний в секунду, что соответствовало двухкилометровой длине электромагнитных волн при мощности где-то в две сотни киловатт. Уже первые опыты показали правильность расчетов изобретателя, и на вторичной обмотке резонансного трансформатора напряжение достигло дюжины миллионов вольт. Это позволило Тесле получить молниеобразные разряды длиной в десятки метров, а самый рекордный из них протянулся на три десятка метров, имея весьма устрашающий вид. В ходе подобных экспериментов выяснилось, что на величину рукотворных молний в значительной степени влияет влажность воздуха, температура, сила ветра и атмосферное давление на плато.
На протяжении всей работы Колорадской лаборатории Тесла вел постоянные наблюдения над грозами и сопровождавшими их изменениями потенциала Земли. Для этого он сконструировал специальную установку, состоящую из резонансного трансформатора собственной конструкции, один конец первичной обмотки которого был заземлен, а второй заканчивался уже описанным медным шаром-разрядником. Так как относительный электропотенциал шара зависел от высоты его подъема над землей, сама мачта имела телескопическую конструкцию, позволяющую изменять электроемкость всей системы в ходе подъема или спуска разрядника. При этом во вторичную обмотку этого трансформатора были включены несколько различных детекторов разного уровня чувствительности, данные с которых поступали на сконструированное изобретателем специальное записывающее устройство, которое назвали «самописцем».
Всякое изменение потенциала Земли вызывало в витках первичной обмотки импульсы тока, создававшие во вторичной обмотке вторичные токи, регистрируемые прибором-самописцем. Дальнейшие кропотливые наблюдения и анализ полученных суточных диаграмм убедительно показали, что потенциал Земли непрерывно колеблется. Тесла с большим интересом занялся изучением этих явлений, пытаясь найти им приемлемое физическое объяснение. Первое, что бросалось тут в глаза, – это то, что колебания земного потенциала были наиболее значительны в период формирования грозовых облаков и последующих разрядов молний. Причем от изобретателя не ускользнул довольно странный, на первый взгляд, факт, постоянно отмечаемый приборами – самописец фиксировал наиболее существенные колебания земного потенциала при отдаленных грозовых сполохах, а не при молниевых разрядах, сверкающих прямо над крышей лаборатории.
Как объяснить этот совершенно непонятный геофизический парадокс? Казалось бы, далекие грозовые разряды должны были вызвать меньшие колебания электрического потенциала Земли в месте установки аппаратуры, чем более близкие. Однако Тесла со своими ассистентами наблюдал нечто полностью обратное, когда отдаленные разряды в определенный момент вызывали более сильные колебания потенциала.
Изобретатель очень долго и напряженно размышлял над этим явлением, и вот однажды его охватило настоящее озарения, и Тесла понял, как можно было бы передавать Ниагары электроэнергии в планетарном масштабе. Для этого фантастического процесса надо было лишь создать на земной поверхности стоячие волны, вызывая их появление изменением потенциала Земли. Если его умозаключения были верны, то именно это явление и наблюдалось в детекторах исследовательской станции при прохождении далеких гроз!
Инстинктивно Тесла чувствовал, что напал на правильный след и окончательная разгадка странных наблюдений находится где-то совсем близко. И вот наступил долгожданный момент истины! 3 июля 1899 года изобретатель получил первое неопровержимое экспериментальное доказательство истины, имеющей, по его мнению, огромное значение для прогресса человечества.
Плотная масса сильно заряженных облаков скопилась на западе, и к вечеру разразилась страшная гроза. Растратив большую часть своей ярости в горах, она понеслась с невероятной скоростью над равнинами. Через почти регулярные интервалы времени возникали длительные грозовые разряды. Тесла приготовился к наблюдениям, которые теперь значительно облегчились и стали более точными за счет приобретенного опыта в оперировании измерительными приборами.
Итак, регистрирующие приборы были соответствующим образом отрегулированы, и их показания становились все слабее по мере возрастания расстояния до грозы, пока совсем не исчезли. Тесла наблюдал, полный страстного ожидания, и, как он и думал, немного погодя показания прибора появились вновь, становясь все сильнее, и, пройдя через максимум, постепенно спадали и снова прекращались. То же самое повторялось много раз через регулярные интервалы времени, до тех пор пока гроза, которая, как следовало из простых подсчетов, двигалась с почти неизменной скоростью, не удалилась на расстояние примерно трех сотен километров. Однако и тогда эти странные явления не прекратились, а продолжались с неубывающей интенсивностью. Впоследствии аналогичные наблюдения были выполнены изобретателем со своим ассистентом Фрицем Левенштейном, и вскоре собранные сведения позволили неопровержимо установить истинную природу этого необычного явления. Не оставалось никаких сомнений – команда Теслы наблюдала стоячие волны. Тут надо заметить, что одной из важнейших задач, которую изобретатель так стремился разрешить в Колорадской лаборатории, являлось получение четкого ответа на вопрос: обладает ли наша планета электрическим зарядом, и если это так, то как можно оценить это количество электричества?
Именно поэтому Тесла и придавал такое значение наблюдениям явлений проявления стоячих волн в земной поверхности, ведь это вполне определенно указывало бы и на наличие электрического заряда у нашей планеты, из чего следовала бы принципиальная возможность вызывать искусственные стоячие волны в земной коре. Все эти догадки и соображения подвели изобретателя к организации эксперимента, имевшего большое значение для всех дальнейших планов. Цель этого необычного опыта была сформулирована так: можно ли создавать путем серии мощных электрических разрядов искусственные стоячие волны в земной поверхности, вызывая гармонические пучности резонансных колебаний, пригодных для дальнейшей утилизации?
Вся «колорадская миссия» тщательно готовилась к этому масштабному эксперименту. Прежде всего была заготовлена специальная обувь на толстых резиновых и пробковых подошвах, надежно изолирующих от земной поверхности, будь то деревянный пол лаборатории или просто земляная почва. В комплект к изолирующим сапогам и ботинкам входили и беруши из пакли, пропитанной воском. Впоследствии Тесла отмечал, что эти крайне необходимые меры все же оказались недостаточными, и после эксперимента у всех еще долго сильно гудело в ушах, так что, похоже, экспериментаторы только чудом избежали повреждения барабанных перепонок. На протяжении же самих опытов и особенно непосредственно во время разрядов боль и жужжание в ушах иногда становились просто невыносимы.
Готовя план экспериментальных исследований, Тесла учел результаты, полученные Герцем в 1888 году, когда он полностью подтвердил электродинамику Максвелла и показал, что электромагнитные волны распространяются по прямой линии, имея совершенно ту же природу, что и лучи света. Потому, в общем-то, и считалось, что распространение линий беспроволочного телеграфа так или иначе будет ограничиваться кривизной земной поверхности. Тесла же полагал, что поскольку земной шар является хорошим проводником, то в верхних слоях атмосферы должны также существовать проводящие слои. Более того, наблюдая за движением грозовых облаков и молниевыми разрядами, он определил, что слои воздуха на сравнительно небольшой высоте могли бы предоставлять токопроводящую линию.
Итак, еще раз глубоко продумав этот весьма сложный опыт, Тесла несколько раз проверил все оборудование лаборатории, включающее не только резонансный усиливающий трансформатор, но и множество других аппаратов, главным образом катушек индуктивности с различными характеристиками обмоток. Наконец все было готово, и по команде изобретателя его бессменный ассистент Колман Чито рукой в толстой резиновой перчатке отважно замкнул на несколько секунд рубильник. Тут же возникло множество молний в виде переплетающихся искровых разрядов, окутавших обмотки вторичной катушки и рассыпавшихся с медного шара на вершине мачты. Убедившись, что все идет по плану, Тесла дал команду на длительное включение. Тут же раздался характерный треск разрядов, вскоре принявший зловещие размеры. Звуки становились громче и громче и напоминали артиллерийскую канонаду. Здание лаборатории озарилось голубоватым светом, все оборудование испускало огненные иглы, разнесся характерный запах озона. Непрерывные разряды создавали шум, дополнивший грохот на вершине мачты. Чито рассказывал потом, что, стоя у рубильников распределительного щита, видел, как из его резиновых рукавиц вылетают длинные искры, колющие, как раскаленные иголки, и с волнением думал, что не сможет выключить ток, когда услышит сигнал Теслы. Но в то время изобретатель и не думал давать сигнал на прекращение эксперимента, с восхищением любуюсь фантастическими переливами ореола призрачного белого света, пронзенного молниями, вокруг медного шара мачтового разрядника, а грохот между тем все усиливался.
Тем временем картина разрядов стала угрожающе меняться: из шара выскакивали все более и более крупные искусственные молнии, сплетенные из голубых и синих нитей. Затем они переросли в огненные древовидные образования, которые в свою очередь сменились уже совершенно чудовищными разрядами. Их длина составляла десятки метров, а сопутствующий гром был слышим по всем окрестностям. От восторга Тесла даже попытался зааплодировать в своих прорезиненных перчатках, готовясь к наблюдению искусственных стоячих волн. Но внезапно все прекратилось, все электрические огни потухли, и настала какая-то совершенно нереальная ватная звенящая тишина, пронизанная тусклыми красными огнями керосиновых аварийных фонарей.
– Чито, Чито! – неистово закричал изобретатель, выдергивая паклю из ушей. – Что ты сделал? Немедленно возобнови питание!
Но когда в проеме выхода появилась фигура ассистента, горестно разводящего руками, Тесла понял, что линия питания обесточена. Он тут же принялся звонить на электростанцию курорта Колорадо-Спрингс и в ответ услышал гневную тираду дежурного инженера, у которого, оказывается, сгорел питающий линию электрогенератор.
Эту катастрофическую возможность изобретатель почему-то совсем упустил из внимания. Наверное, сыграло роль то, что все свое оборудование он приготовил с большим запасом прочности, рассчитывая на все возможные токи, которые только могли бы возникнуть в ходе эксперимента, но генератор на электростанции не был защищен от таких перегрузок, и его обмотка сразу же сгорела. Администрация станции отказалась подключить линию к другому генератору и сообщила, что в будущем экспериментатор сможет получать электроэнергию только от сгоревшего генератора – после оплаты его ремонта, который займет не менее месяца.
В конце концов Тесле удалось уговорить руководство электростанции, пригласив его на обед в лучший ресторан Колорадо-Спрингс, доверить ему самому руководство ремонтом. После этого он так сумел организовал сдельную работу с большими премиальными, что генератор был отремонтирован за неделю. На этот раз изобретатель лично рассчитал его обмотку в режиме короткого замыкания и обеспечил соответствующую защиту. Через десять дней эксперименты были продолжены, и вскоре идея Теслы вызвать в земной коре явление электрического резонанса с участием стоячих волн получила первые подтверждения.
Изобретатель предполагал, что распространение возникших в ней волн происходило именно от медного разрядника Колорадской лаборатории, происходя по всем направлениям, концентрически расширяющимися окружностями. По естественным законам геометрии, волны, пройдя ровно половину земного шара, должны были со все возрастающей интенсивностью сходиться в точке, диаметрально противоположной Скалистым горам Колорадо. После долгих навигационных построений Тесла выяснил, что точка обратного резонанса должна была располагаться где-то около французских островов Амстердам и Сен-Поль, между южной оконечностью Африки и юго-западной частью побережья Австралии. Возвращаясь обратно в Колорадскую испытательную станцию, отраженное эхо волны вновь бы усиливалось осциллятором резонансного трансформатора и отправлялось в очередной раз в путешествие к противоположной точке земного шара.
Закончив основную серию экспериментов, изобретатель оказался перед непростыми вопросами о дальнейшей интерпретации своих опытов: что могла дать модель стоячих волн для практических целей и реально ли уловить пучности такого волнового процесса в любой точке земного шара? Как создать аппаратуру, с помощью которой можно было бы реализовать хотя бы мощность, затраченную на создание стоячей волны?
Тесла искренне надеялся, что в дальнейшем с помощью различных натурных экспериментов и лабораторных опытов ему удастся ответить хотя бы на часть этих непростых вопросов. Самое главное, считал изобретатель, что им наработан очень большой опыт модельных представлений для самых разнообразных возможностей использования токов высокой частоты. С помощью подобного микроволнового излучения Тесла собирался передавать энергию стоячими волнами для освещения, нагрева, управления, передвижения электрического транспорта на земле и в воздухе, действия телеавтоматов. В общем, можно подытожить, что «колорадская миссия» изобретателя преследовала двоякую цель: экспериментально доказать наличие электрического заряда у земного шара и создать искусственные стоячие волны, способные произвести полезную работу на далеком от излучателя расстоянии.
Окончание «Колорадской экспедиции» ознаменовалось очень странным событием, которое до сих пор не находит однозначного объяснения у историков науки и биографов Теслы. Дело в том, что, рассказывая в своем первом нью-йоркском интервью об итогах исследований в Скалистых горах, Тесла уверенно заявил, что его принимающая аппаратура несколько раз четко фиксировала радиосигналы, приходящие из космоса, а однажды ему даже удалось приблизительно сопоставить расположение источника сигналов с планетой Марс!
Надо сказать, что слова изобретателя об установлении межпланетного радиоконтакта упали на благодатную почву, ведь в то время трудами астрономов и популяризаторов науки, таких, как Эжен Мишель Антониади (1870–1944), Никола Камиль Фламмарион (1842–1925) и Джованни Вирджинио Скиапарелли (1835–1910), было чуть ли не доказано наличие жизни на Марсе. По крайней мере, так воспринимало рисунки «каналов» на лике красной планеты подавляющее большинство журналистов и обывателей. Не отставали от астрономов и писатели – Герберт Уэллс (1866–1946) и, особенно впоследствии, Эдгар Райс Берроуз (1875–1950). Эта сенсация существовала в виде своеобразной научной интриги до самой смерти изобретателя.
История «марсианской жизни» началась еще в 1877 году, когда итальянский астроном Скиапарелли открыл так называемые марсианские каналы, которыми он назвал якобы видимые пересекающиеся линии на поверхности планеты. Благодаря этому впоследствии не подтвердившемуся «открытию», в конце XIX – начале XX века тема существования марсиан, создавших планетарную оросительную систему, была очень популярна.
В те далекие годы на грани веков Тесла восторженно обрисовал дальнейшие перспективы развития разработанного им оборудования для передачи энергии и информации в многочисленных газетных интервью, где горячо обещал вскоре установить связь не только на сотни миль между земными городами и континентами, но и выйти на космические просторы. Для выполнения своего замысла изобретатель закупил большое количество баллонных аэростатов специальной конструкции. Кроме того, он приобрел несколько многокилометровых бухт медного многожильного кабеля, способного выдержать нагрузку до трех миллионов вольт.
В научном мире проекты межпланетной связи Теслы встретили резкую критику. Это легко понять из-за пространных и путаных комментариев в прессе, где «генерация радиолучей в космическом эфире» связывалась с совершенно иным проектом изобретателя – постройкой «эфирного осциллятора, посылающего мировые электроэнергетические волны вокруг планеты с односторонним заземлением». Естественно, что говорить об отправке беспроводных сигналов на тот же Марс в подобном контексте казалось очевидной ерундой, «поскольку резонансных явлений в атмосфере и на поверхности Земли совершенно недостаточно для покрытия космических дистанций».
Однако мнение ученых, тем более совершенно не разобравшихся в сущности вопроса, совершенно не интересовало Теслу; наоборот, он начал проектирование оборудования, монтируемого на связках аэростатов, представляющих собой своеобразный колоссальный воздушный конденсатор переменной емкости. Сейчас трудно восстановить всю схему из множества катушек плоско-изогнутых форм и различных размеров, высокочастотных резонансных трансформаторов и прочих приборов, с помощью которых изобретатель «сотрясал колебаниями многомиллионновольтной электродвижущей силы мировой электрический эфир».
По возвращении в Нью-Йорк Тесла организовал ряд интервью и пресс-конференций, в результате которых его близкий друг, редактор журнала «Century Illustrated Monthly Magazine» Роберт Андервуд Джонсон, предложил написать обширный обзор «эпопеи ужасающих экспериментов в Скалистых горах». Впоследствии Тесла признавался, что эта публикация далась ему очень нелегко, слишком много было еще не обработанных и не до конца осмысленных материалов, слишком многие выводы еще ждали своего часа.
Наконец, после трехкратных переделок, в июньском номере за 1900 год появился обширный обзор «Проблема увеличения запасов энергии человечества, со специальными рекомендациями по использованию энергии Солнца». Знаменательно, что эта публикация увидела свет в последний год уходящего XIX столетия, которое журналисты окрестили «веком пара и электричества». В ней Тесла обращался к людям будущего, пытаясь охватить взором некоторые из важнейших научно-технических свершений, выпавших на долю его поколения. При этом он рискнул предсказать то, что впоследствии стало очевидным: строительство гигантских гидроэлектростанций и вытеснение железа алюминием; возникновение кибернетики и изобретение радиолокации; телемеханику и межпланетные радиосообщения. Однако о самом главном – о колорадских опытах – изобретатель рассказывал настолько расплывчато, насколько это было возможно, вероятно, потому, что опасался применения «стоячих волн электрического эфира» в качестве страшного оружия будущего. Именно поэтому и в последующих публикациях, посвященных «Усилительному передатчику», он старался не приводить конкретные данные, касающиеся генерации «электроэфирных сгустков резонансной энергии».
Тем не менее тщательное изучение и сопоставление доступных источников позволило бы любому любопытствующему со всей определенностью понять, что в Колорадо-Спрингс команда Теслы добилась целого ряда феноменальных результатов. Среди них было генерация токов высокой частоты и сверхвысокого напряжения, имитация грозовых явлений, доказательство наличия электрического заряда Земли. Кроме того, была показана реальность беспроводной посылки сигналов на тысячекилометровые расстояния и их демодуляция на приемной станции, зажигавшая электролампы, удаленные от передатчика на километры.
Два последних эффекта Тесла довольно подробно объяснял действием стоячих волн, существование которых его исследовательской команде доподлинно удалось установить 3 июля 1899 года во время сильной грозы. Это наблюдение окончательно утвердило изобретателя в реальности давнишних догадок. Так Тесла пришел к парадоксальному выводу, что электромагнитные возмущения, вызываемые мощными разрядами «Усилительного передатчика», есть не что иное, как искусственно образованные стоячие волны в земной коре, способные канализировать практически без потерь потоки электрической энергии.
Несмотря на то что большинство ученых посчитало гипотезу Теслы о резонансе стоячих электрических волн несостоятельной, он сам продолжал считать, что сама идея о беспроводной передаче силовой энергии полностью приемлема в границах современных ему знаний о природе электричества. Таким образом изобретатель предвидел наступление эры совершенно новой энергетики, основывающейся на использовании сверхвысоких частот и антенных устройств. При этом он вполне справедливо предрекал, что существующие способы транспорта электроэнергии, как переменным, так и постоянным током, когда-нибудь уже не смогут обеспечить экономичную передачу все возрастающих электрических мощностей на очень большие расстояния.