Когда будущее стало светом. Никола Тесла: жизнь, открытия и цена великого замысла

Я старался лежать в затемнённой комнате и избегал разговоров. Но тишина не приносила полного облегчения. В ней становились слышны собственное дыхание и удары сердца, а ожидание следующего шума было почти столь же мучительно, как сам шум.

Врачи не могли предложить убедительного объяснения, а назначенное лечение почти не приносило облегчения. Некоторое время я опасался, что не смогу вернуться ни к работе, ни к обычной жизни. Я сохранял способность наблюдать за собственным состоянием, но не мог прекратить его усилием воли.

Прежде я гордился способностью управлять вниманием. Теперь внимание как будто обратилось против меня.

В те месяцы рядом со мной был мой друг и помощник Антал Сигети. Он интересовался механикой и понимал мои технические рассуждения, но во время болезни его помощь состояла прежде всего не в обсуждении машин. Он убеждал меня регулярно есть, выходить из комнаты и понемногу возвращаться к прогулкам.

Выздоровление было постепенным. Сначала я мог пройти лишь небольшое расстояние; затем прогулки становились длиннее, сон — спокойнее, а звуки понемногу утрачивали болезненную силу. Мне приходилось заново осваивать то, что прежде казалось само собой разумеющимся: идти ровным шагом, дышать холодным воздухом, смотреть на прохожих и не превращать каждую минуту в продолжение мысленного опыта.

Сигети старался не позволять мне превращать прогулки в продолжение рабочего дня. Стоило мне заговорить о катушках и магнитных полюсах, как он переводил разговор на городские новости, литературу или встреченных нами людей. Поначалу это раздражало меня. Позднее я заметил, что мысль, освобождённая от непрерывного принуждения, не слабеет.

Я не могу сказать, что болезнь была необходима или полезна. Она показала опасность моей неспособности вовремя остановиться и могла иметь гораздо более тяжёлые последствия. Однако выздоровление изменило моё отношение к работе. Я начал понимать, что настойчивость не равна непрерывному напряжению, а временно отступить от задачи — не значит отказаться от неё.

К началу 1882 года силы в основном вернулись. Я снова занимался электрическими устройствами, но уже не пытался каждую минуту удерживать задачу двигателя в сознании. Решения всё ещё не было, однако накопленные наблюдения получили возможность соединяться без прежнего насилия над вниманием.

В один из февральских дней 1882 года мы с Сигети гуляли по Варошлигету, городскому парку Будапешта.

День клонился к вечеру. Снег почти сошёл, на дорожках проступала влажная земля. Между деревьями лежали длинные тени, а низкое солнце окрашивало края облаков медным и красноватым светом. Мы шли медленно, и я по привычке стал читать наизусть строки из первой части „Фауста“ Гёте.

Я помнил большие отрывки поэмы по-немецки. В этой сцене Фауст смотрит на заходящее солнце и мечтает обрести крылья, чтобы следовать за ним, пока здесь день уступает место ночи, а над другой стороной земли вновь возникает свет.

Я следил, как свет скользит по краям облаков, и внезапно мысль, которую несколько лет не мог выразить до конца, предстала передо мной с необычайной ясностью.

Позднее я сравнивал этот миг со вспышкой. Сравнение передаёт внезапность озарения, но не означает, что решение возникло из ничего. За ним стояли машина Грамма, возражение Пешля, множество неудачных мысленных конструкций и ежедневная работа с электрическими цепями. Новым был не каждый отдельный элемент, а способ соединить их в общий принцип.

До сих пор я пытался заставить одно пульсирующее поле поддерживать непрерывное вращение. Теперь я понял: не нужно механически переносить единственное магнитное воздействие от одного полюса к другому. Следовало создать несколько переменных полей, смещённых относительно друг друга в пространстве и по фазе.

Я остановился.

Перед внутренним взором возникло неподвижное железное кольцо с двумя системами обмоток, магнитные оси которых были взаимно перпендикулярны. В идеализированной схеме по ним проходили синусоидальные токи одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые по фазе на четверть периода.

В выбранный начальный момент ток в первой обмотке достигал максимума, а ток во второй был равен нулю, поэтому результирующее поле совпадало с осью первой обмотки. Затем первый ток уменьшался, второй возрастал, и вектор результирующего поля поворачивался к оси второй обмотки. В следующие четверти периода токи поочерёдно меняли знак, а поле продолжало вращаться в том же направлении.

Поле каждой отдельной обмотки по-прежнему пульсировало вдоль своей неподвижной оси. Однако векторная сумма двух полей уже не оставалась на одной линии. В идеальной симметричной двухфазной системе результирующее поле сохраняло постоянную величину и непрерывно вращалось внутри статора.

Для последовательного перемещения поля механический переключатель больше не требовался: его вращение создавалось пространственным расположением обмоток и фазовым сдвигом токов.

Я схватил Сигети за руку, подвёл его к краю дорожки и палкой начал чертить схему на влажном песке.

Сначала я провёл окружность, обозначавшую статор, затем начертил через её центр две взаимно перпендикулярные оси и отметил расположение обмоток. Рядом изобразил две волны тока, сдвинутые на четверть периода. Указывая на последовательные моменты, я показывал: здесь первый ток максимален, здесь возрастает второй, здесь первый уже изменил знак.

— Видишь, — говорил я, указывая на рисунок, — каждое поле пульсирует вдоль своей оси, но вместе они создают результирующее поле, которое непрерывно поворачивается.

В центре нарисованного статора я обозначил ротор.

Если поместить во вращающееся поле ротор с замкнутыми проводящими контурами, поле будет перемещаться относительно его проводников и наводить в них токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора создаст электромагнитный момент, направленный вслед за вращением поля. Ротор начнёт разгоняться в ту же сторону.

Ротор должен был вращаться несколько медленнее поля — не только под нагрузкой, но и при холостом ходе, пока машина преодолевала собственные потери. Без разности угловых скоростей, называемой скольжением, в проводниках ротора не возникали бы токи, необходимые для создания асинхронного момента.

Так становилось возможным непрерывное вращение без коллектора на роторе и без скользящих контактов, которые переключали бы ток в роторной цепи.

В поздней автобиографии я передавал свои слова так:

— Смотри на мой двигатель! Сейчас я заставлю его вращаться в обратную сторону.

На рисунке я изменил взаимную фазировку токов. В двухфазной системе достаточно было изменить полярность подключения одной из обмоток, чтобы последовательность фаз стала обратной и поле начало вращаться в противоположную сторону. Вслед за ним должен был изменить направление вращения и ротор.

Сигети следил за линиями и задавал вопросы. Я отвечал, стирал отдельные части рисунка и чертил их заново. Схема на песке ещё не доказывала работоспособности реальной машины, но впервые моя внутренняя модель отвечала на главный вопрос: откуда возникает направленный вращающий момент?

Ответ больше не требовал скрытой механической коммутации.

Разумеется, найденный принцип ещё не означал, что готов двигатель. У меня не было рассчитанной магнитной системы, подходящего источника двухфазного тока и проверенной конструкции ротора. Предстояло выбрать число полюсов, рассчитать расположение обмоток и магнитопровод, определить частоту питания, параметры электрических цепей и условия пуска. Следовало учитывать нагрев, потери в меди и стали, рассеяние магнитного потока и поведение машины под нагрузкой.

Но логический пробел, на который указал Пешль в Граце, теперь был устранён.

Одна однофазная обмотка с переменным током действительно не обеспечивала того самозапуска, который я когда-то пытался ей приписать. Пешль был прав, требуя объяснить происхождение направленного момента. Решение состояло не в том, чтобы приписать единственному пульсирующему полю свойства вращающегося, а в том, чтобы создать систему пространственно и фазово согласованных полей.

В последующие недели я мысленно проверял найденный принцип в разных вариантах: изменял число фаз, расположение полюсов и форму ротора. Я представлял машины, в которых токи возникали в роторе благодаря электромагнитной индукции, и системы, где вращающееся поле взаимодействовало с подвижной частью, возбуждённой иным способом.

Некоторые варианты казались непрактичными, другие заслуживали дальнейшей проверки. Теперь их можно было сравнивать на основе общего физического принципа. Я больше не перебирал комбинации контактов: у меня был способ создавать вращающееся магнитное поле без механической коммутации в двигателе.

Изменился и мой способ мысленной работы. Прежде я мог сначала увидеть внутреннюю машину движущейся и лишь затем спросить, какие силы поддерживают это движение. Теперь я начинал с токов, магнитных полей и их фазовых соотношений. Ротор мог повернуться лишь тогда, когда из устройства системы следовал электромагнитный момент.

Озарение в парке не отменяло расчёта и эксперимента. Напротив, оно впервые придавало им определённое направление. До этого я перебирал множество конструкций, не зная, какой физический принцип должен лежать в основе решения. Теперь таким принципом стало вращающееся магнитное поле, создаваемое без механической коммутации в двигателе.

Рисунок на песке вскоре исчез: его затоптали прохожие, а остатки линий размыли снег и дождь. Но сама схема уже не нуждалась в сохранении. Я мог восстановить её в любой момент: две пространственно смещённые обмотки, два переменных тока с фазовым сдвигом и результирующее поле, которое в простейшей двухполюсной системе совершало один оборот за период.

Между этой схемой и надёжной машиной оставалась большая инженерная работа. Предстояло изготовить магнитопровод, создать подходящий источник многофазных токов, выбрать конструкцию ротора и проверить поведение двигателя при пуске, на холостом ходу и под нагрузкой. Сопротивление обмоток, рассеяние магнитного потока, потери в стали, механические потери и нагрев не исчезали оттого, что внутренняя картина была ясна.

Но впервые с того дня, когда я увидел искрящий коллектор машины Грамма, я знал, в каком направлении следует двигаться.

Будапешт дал мне практический опыт, тяжёлое предупреждение о пределах собственного организма и физический принцип, которого мне недоставало в Граце. Но здесь у меня не было условий, чтобы немедленно построить и всесторонне испытать новую систему. Для этого требовались мастерские, материалы, измерительные приборы и доступ к более мощным электрическим установкам.

В том же 1882 году мне предложили работу в парижской компании, связанной с европейскими предприятиями Эдисона. Служба обещала непосредственное знакомство с действующими электрическими машинами и условиями их эксплуатации.

Я принял предложение.

Осенью 1882 года я отправился в Париж, увозя с собой не готовый двигатель, а принцип, работоспособность которого ещё предстояло подтвердить расчётом, изготовлением и испытанием реальной машины.

Глава 5. Париж, Страсбург и билет в неизвестность

В Париже я поступил на службу в Континентальную компанию Эдисона. После телефонной станции в Будапеште масштаб работы заметно изменился. Там я имел дело главным образом с аппаратами связи и протяжёнными, но сравнительно маломощными цепями; здесь — с генераторами, распределительными сетями и осветительными установками, от которых зависела работа зданий, мастерских и предприятий.

Компания устанавливала и обслуживала системы электрического освещения, основанные преимущественно на машинах постоянного тока. Мои обязанности не ограничивались чертежами и расчётами: я осматривал генераторы, проверял обмотки, регулировал положение щёток, устранял перегрев и чрезмерное искрение, искал повреждения в распределительных цепях. Причина неисправности могла находиться в самой машине, в неверном соединении, неравномерном распределении нагрузки или механической части установки.

Эта работа заставляла рассматривать электрическую установку как единое целое. Исправный генератор не обеспечивал надёжного освещения, если сеть была плохо рассчитана; верно выбранное сечение проводников не помогало при повреждённой изоляции или ненадёжных контактах. Дефект коллектора мог вызвать искрение, оно усиливало нагрев, а продолжительный перегрев разрушал изоляцию и ухудшал работу машины.

Я не считал системы постоянного тока бесполезными. Они уже освещали фабрики, вокзалы, улицы и дома, ежедневно выполняя практическую задачу и принося владельцам доход. Но близкое знакомство с действующими установками позволяло яснее увидеть их ограничения. Коллекторы и щётки изнашивались, требовали обслуживания и становились источниками потерь и неисправностей. При расширении низковольтных сетей постоянного тока особенно существенными оказывались падение напряжения в проводах, расход меди и ограниченная дальность экономичной передачи энергии.

Найденный в Будапеште принцип позволял отказаться от механической коммутации в самом двигателе. Однако в Париже я особенно ясно понял, что бесколлекторная машина не может существовать отдельно от системы питания. Требовалось получить согласованные переменные токи, передать их к двигателю, обеспечить управление и защиту, а затем доказать, что вся система будет не только физически работоспособной, но и надёжной, экономичной и пригодной для эксплуатации.

Я обсуждал эту идею с инженерами и руководителями компании. Одни слушали внимательно и задавали вопросы, другие видели в моём предложении ненужное отклонение от текущих задач. Их осторожность была понятна: предприятие развивало установки, которые уже продавались и приносили прибыль, тогда как я предлагал не усовершенствование отдельной машины, а основу иной электрической системы.

У меня не было ни патента, ни испытанного двигателя, ни результатов измерений. Я мог объяснить, как пространственно смещённые обмотки, питаемые токами с соответствующим фазовым сдвигом, должны создавать вращающееся магнитное поле. Но без действующей модели это объяснение оставалось гипотезой, требовавшей экспериментального подтверждения. Я ещё не мог показать, что поле действительно создаст устойчивый пусковой момент и приведёт ротор во вращение.

Днём я занимался установками компании, а в свободные часы возвращался к собственной задаче. Теперь было недостаточно представлять безупречно движущуюся машину: предстояло определить устройство магнитопровода и воздушного зазора, расположение обмоток, способ получения фазового сдвига и конструкцию ротора с замкнутыми проводящими контурами.

Особенно трудным оставался вопрос питания. Идеальная двухфазная схема, возникшая в Будапеште, предполагала два синусоидальных тока одной частоты, сдвинутых по фазе на четверть периода. Но математическая схема ещё не давала доступного источника питания. Требовалось либо создать многофазный генератор, либо получить нужный фазовый сдвиг с помощью соответствующих соединений и дополнительных элементов цепи.

Компания не выделила мастерскую и средства на опыт, практическая ценность которого ещё не была доказана. Поэтому в Париже я мог продолжать лишь расчёты; возможность построить модель появилась позднее, в Страсбурге.

В начале 1883 года меня направили в Страсбург, который после Франко-прусской войны входил в состав Германской империи. Служебное задание требовало не только привести в порядок электрическую осветительную установку, но и добиться её окончательной приёмки местной администрацией.

Необходимо было проверить генераторы и распределительные цепи, устранить неисправности и представить установку местной администрации. Техническая работа перемежалась ожиданием осмотров, разрешений и окончательного решения о приёмке; исправление, занимавшее у инженера день, могло задержать всю процедуру на недели.

Необходимо было проверить генераторы и распределительные цепи, устранить неисправности, провести повторные испытания и представить установку местной администрации. Техническая работа перемежалась ожиданием осмотров, разрешений и окончательного решения о приёмке; исправление, занимавшее у инженера день, могло задержать всю процедуру на недели.

Задержка оказалась обременительной, но дала мне время и доступ к механической мастерской. Впервые после будапештского озарения я мог изготовить модель, предназначенную проверить не убедительность мысленной схемы, а сам физический принцип.

Страсбургская модель была ранним демонстрационным аппаратом, предназначенным для проверки основного физического принципа. Неподвижные обмотки должны были создавать вращающееся магнитное поле без механической коммутации в двигателе, а ротор — получать под его действием направленный электромагнитный момент. До завершённых конструкций будущих двигателей и генераторов было ещё далеко, но модель позволяла проверить, способна ли сама идея воплотиться в реальном движении.

Часть материалов я привёз из Парижа, а остальные подбирал на месте. Работа над моделью сразу обнаружила различие между идеальной геометрией мысленного опыта и реальным аппаратом. В воображении обмотки были симметричны, железо — однородно, воздушный зазор — одинаков по всей окружности, а токи имели заданные форму и фазу. В мастерской провод и изоляция занимали конечный объём, свойства сердечника зависели от доступного материала, а неточность установки ротора увеличивала трение и могла исказить результат.

Требовалось пространственно разнести магнитные оси обмоток и обеспечить временной сдвиг токов; при их синфазном изменении вращающееся поле не возникло бы. Если модель действительно действовала по асинхронному принципу, ротору были необходимы замкнутые проводящие контуры, а трение в опорах следовало уменьшить настолько, чтобы электромагнитный момент проявился в устойчивом движении.

На бумаге можно было изобразить два идеальных синусоидальных тока со сдвигом на четверть периода; в мастерской требовалось получить реальное поле, достаточно близкое к вращающемуся, чтобы создать наблюдаемый момент.

Служебные обязанности оставались первоочередными, поэтому над моделью я работал в свободные часы — утром или после завершения проверок. Возможность испытать собственную идею увлекала меня, но опыт болезни в Будапеште не был забыт.

Я уже знал, чем может закончиться привычка считать сон и отдых препятствиями, устранимыми усилием воли. Измениться сразу не удалось: порой я задерживался в мастерской до ночи. Но теперь увлечённость идеей не казалась мне доказательством её правильности. Чем безупречнее выглядела схема, тем внимательнее следовало её проверять.

Я проверял соединения и сопротивления цепей, свободу вращения ротора и последовательность возбуждения обмоток. Нужно было исключить случайный толчок, перекос ротора и его притяжение к устойчивому неподвижному положению. Убедительным результатом могло считаться лишь повторяемое вращение, направление которого менялось бы при соответствующем изменении электрических соединений.

Летом 1883 года модель была готова к испытанию.

После проверки обмоток я подал питание. Модель загудела; этот звук сам по себе ничего не доказывал, поскольку переменный магнитный поток мог вызывать вибрацию сердечника и деталей. Затем ротор пришёл в движение и продолжил вращаться.

Я отключил питание, проверил свободу вращения ротора и повторил опыт. Модель снова начала вращаться в том же направлении. Затем я изменил соединения так, чтобы изменить направление вращения магнитного поля, и ротор начал вращаться в обратную сторону.

То, что в Будапеште существовало как схема на влажном песке, теперь, получило воплощение в действующей модели. Вращение возникало и меняло направление при изменении электрических соединений; коллектора и щёток для коммутации тока в роторной цепи не требовалось.

Я испытывал не столько восторг, сколько облегчение.

Со времени лекции профессора Пешля в Граце меня преследовал вопрос: не приписываю ли я машине движение, для которого в ней нет физической причины? В Будапеште я нашёл принцип вращающегося магнитного поля; в Страсбурге модель впервые дала ему экспериментальное подтверждение.

Однако модель ещё не была промышленным двигателем. У меня не было оборудования для точного измерения мощности, коэффициента полезного действия и отдельных составляющих потерь; не были исследованы нагрев, продолжительная работа, пуск под нагрузкой и поведение при изменении напряжения. Не существовало и рассчитанной системы питания. Опыт мог подтвердить возникновение направленного момента, но не экономичность и эксплуатационную надёжность будущей машины.

Демонстрационный аппарат мог убедить инженера в работоспособности принципа. Для промышленного применения требовалось определить мощность и коэффициент полезного действия двигателя, его надёжность, стоимость изготовления и требования к питающей сети.

Я показывал модель нескольким людям, в том числе господину Баузену. Он заинтересовался опытом и пытался найти для дальнейшей работы финансовую поддержку, однако привлечь средства не удалось.

Потенциальным вкладчикам предлагали не готовое изделие, а программу дальнейших разработок: источник многофазных токов, аппаратуру управления, питающую сеть и пригодные для разных задач двигатели. Каждый элемент требовал расчёта, изготовления и испытаний, а сроки и стоимость перехода к коммерческой установке оставались неизвестными.

Тогда эта осторожность раздражала меня: казалось, достаточно показать устойчивое вращение без коллектора, чтобы значение метода стало очевидным. Позднее я понял, что экспериментальное подтверждение принципа и решение о вложении капитала отвечают на разные вопросы. Первое показывает, может ли устройство работать; второе — можно ли производить и эксплуатировать его надёжно, в нужном масштабе и с приемлемыми затратами.