De meeste mensen kennen Nikola Tesla, de excentrieke en briljante man die in 1884 in New York City arriveerde, als de vader van wisselstroom, de vorm van elektriciteit die stroom levert aan bijna alle huizen en bedrijven. Maar Tesla was een wonderbaarlijke uitvinder die zijn genialiteit toepaste op een breed scala aan praktische problemen. Alles bij elkaar had hij 272 patenten in 25 landen, met alleen al 112 patenten in de Verenigde Staten. Je zou kunnen denken dat Tesla van al dit werk zijn uitvindingen op het gebied van elektrotechniek -- diegene die een compleet systeem van generatoren, transformatoren, transmissielijnen, motor en verlichting beschreef -- hem het meest dierbaar waren. Maar in 1913 kreeg Tesla een patent op wat hij omschreef als zijn belangrijkste uitvinding. Die uitvinding was een turbine, tegenwoordig bekend als de Tesla-turbine, de grenslaagturbine of de platte-schijfturbine.
Interessant genoeg lijkt het gebruik van het woord "turbine" om de uitvinding van Tesla te beschrijven een beetje misleidend. Dat komt omdat de meeste mensen een turbine zien als een as met bladen - zoals ventilatorbladen - eraan vastgemaakt. In feite definieert Webster's woordenboek een turbine als een motor die wordt aangedreven door de kracht van gas of water op ventilatorbladen. Maar de Tesla-turbine heeft geen wieken. Het heeft een reeks dicht opeengepakte parallelle schijven die aan een as zijn bevestigd en zijn gerangschikt in een afgesloten kamer. Wanneer een vloeistof de kamer binnenkomt en tussen de schijven passeert, draaien de schijven, wat op zijn beurt de as roteert. Deze roterende beweging kan op verschillende manieren worden gebruikt, van het aandrijven van pompen, blowers en compressoren tot het laten draaien van auto's en vliegtuigen. Tesla beweerde zelfs dat de turbine de meest efficiënte en eenvoudigste rotatiemotor was die ooit is ontworpen.
Als dit waar is, waarom is de Tesla-turbine dan niet op grotere schaal gebruikt? Waarom is het niet zo alomtegenwoordig geworden als Tesla's andere meesterwerk, wisselstroomtransmissie? Dit zijn belangrijke vragen, maar ondergeschikt aan meer fundamentele vragen, zoals hoe werkt de Tesla-turbine en wat maakt de technologie zo innovatief? We zullen al deze vragen op de volgende pagina's beantwoorden. Maar eerst moeten we enkele basisprincipes bekijken over de verschillende soorten motoren die in de loop der jaren zijn ontwikkeld. Op de volgende pagina krijgen we een beter idee van het specifieke probleem dat Tesla met zijn nieuwe uitvinding hoopte op te lossen.
InhoudDe taak van elke motor is om energie van een brandstofbron om te zetten in mechanische energie. Of de natuurlijke bron nu lucht, stromend water, steenkool of aardolie is, de input-energie is een vloeistof. En met vloeistof bedoelen we iets heel specifieks -- het is elke substantie die stroomt onder uitgeoefende spanning. Zowel gassen als vloeistoffen zijn daarom vloeistoffen, zoals water. Voor een ingenieur functioneren vloeibaar water en gasvormig water, of stoom, als vloeistof.
Aan het begin van de 20e eeuw waren er twee soorten motoren:turbines met bladen, aangedreven door bewegend water of stoom gegenereerd uit verwarmd water, en zuigermotoren, aangedreven door gassen die vrijkomen bij de verbranding van benzine. De eerste is een type rotatiemotor, de laatste een type zuigermotor. Beide typen motoren waren gecompliceerde machines die moeilijk en tijdrovend waren om te bouwen.
Neem als voorbeeld een zuiger. Een zuiger is een cilindrisch stuk metaal dat op en neer beweegt, meestal in een andere cilinder. Naast de zuigers en cilinders zelf, omvatten andere delen van de motor kleppen, nokken, lagers, pakkingen en ringen. Elk van deze onderdelen vertegenwoordigt een kans op mislukking. En samen dragen ze bij aan het gewicht en de inefficiëntie van de motor als geheel.
Bladturbines hadden minder bewegende delen, maar ze gaven hun eigen problemen. De meeste waren enorme machines met zeer nauwe toleranties. Als de messen niet goed zijn gebouwd, kunnen de messen breken of barsten. In feite was het een observatie op een scheepswerf die Tesla inspireerde om iets beters te bedenken:"Ik herinnerde me de koren gebroken bladen die waren verzameld uit de turbinebehuizingen van het eerste met turbine uitgeruste stoomschip dat de oceaan overstak, en realiseerde me dat het belang van deze [nieuwe engine]" [bron:The New York City Herald Tribune].
Tesla's nieuwe motor was een bladloze turbine, die nog steeds een vloeistof zou gebruiken als het voertuig van energie, maar veel efficiënter zou zijn in het omzetten van de vloeibare energie in beweging. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, vond hij de bladloze turbine niet uit, maar nam hij het basisconcept, voor het eerst gepatenteerd in Europa in 1832, en bracht verschillende verbeteringen aan. Hij verfijnde het idee in de loop van bijna een decennium en ontving zelfs drie patenten met betrekking tot de machine:
In het eerste patent introduceerde Tesla zijn basisontwerp zonder blad, geconfigureerd als een pomp of compressor. In het tweede patent wijzigde Tesla het basisontwerp zodat het als een turbine zou werken. En ten slotte bracht hij met het derde patent de nodige wijzigingen aan om de turbine als verbrandingsmotor te laten werken.
Het fundamentele ontwerp van de machine is hetzelfde, ongeacht de configuratie. In het volgende gedeelte zullen we dat ontwerp nader bekijken.
Vergeleken met een zuiger- of stoommachine is de Tesla-turbine de eenvoud zelf. Tesla beschreef het zelfs zo in een interview dat verscheen in de New York Herald Tribune op 15 oktober 1911:"Het enige dat je nodig hebt, zijn enkele schijven die op een as zijn gemonteerd, op een kleine afstand van elkaar en in een behuizing zodat de vloeistof kan ga de ene plek binnen en ga op een andere plek weer uit." Dit is duidelijk een te grote vereenvoudiging, maar niet veel. Laten we de twee basisonderdelen van de turbine - de rotor en de stator - in meer detail bekijken.
In een traditionele turbine is de rotor een as waaraan bladen zijn bevestigd. De Tesla-turbine rekent af met de wieken en gebruikt in plaats daarvan een reeks schijven. De grootte en het aantal schijven kan variëren op basis van factoren die verband houden met een bepaalde toepassing. Tesla's patentpapier definieert geen specifiek aantal, maar gebruikt een meer algemene beschrijving, waarin staat dat de rotor een "meervoud" van schijven met een "geschikte diameter" zou moeten bevatten. Zoals we later zullen zien, heeft Tesla zelf nogal wat geëxperimenteerd met de grootte en het aantal schijven.
Elke schijf is gemaakt met openingen rond de as. Deze openingen fungeren als uitlaatpoorten waardoor de vloeistof naar buiten komt. Om ervoor te zorgen dat de vloeistof vrij tussen de schijven kan stromen, worden metalen ringen gebruikt als verdelers. Nogmaals, de dikte van een ring is niet strak ingesteld, hoewel de tussenliggende ruimtes meestal niet groter zijn dan 2 tot 3 millimeter.
Een moer met schroefdraad houdt de schijven op hun plaats op de as, het sluitstuk van het rotorsamenstel. Omdat de schijven op de as zijn vastgezet, wordt hun rotatie overgebracht op de as.
Het rotorsamenstel is ondergebracht in een cilindrische stator, of het stationaire deel van de turbine. Om plaats te bieden aan de rotor, moet de diameter van de binnenkamer van de cilinder iets groter zijn dan de rotorschijven zelf. Elk uiteinde van de stator bevat een lager voor de as. De stator bevat ook een of twee inlaten, waarin mondstukken worden gestoken. Het oorspronkelijke ontwerp van Tesla vereiste twee inlaten, waardoor de turbine met de klok mee of tegen de klok in kon draaien.
Dit is het basisontwerp. Om de turbine te laten draaien, komt een hogedrukvloeistof in de sproeiers bij de statorinlaten. De vloeistof passeert tussen de rotorschijven en zorgt ervoor dat de rotor gaat draaien. Uiteindelijk verlaat de vloeistof de uitlaatpoorten in het midden van de turbine.
Een van de geweldige dingen van de Tesla-turbine is de eenvoud. Het kan worden gebouwd met gemakkelijk beschikbare materialen en de afstand tussen de schijven hoeft niet nauwkeurig te worden gecontroleerd. Het is zelfs zo eenvoudig te bouwen dat verschillende reguliere tijdschriften complete montage-instructies hebben opgenomen met huishoudelijk materiaal. In het septembernummer van Popular Science van september 1955 stond een stappenplan om een ventilator te bouwen met een Tesla-turbineontwerp gemaakt van karton!
Maar hoe genereert een reeks schijven precies de roterende beweging die we van een turbine gewend zijn? Dat is de vraag die we in de volgende sectie zullen behandelen.
Je vraagt je misschien af hoe de energie van een vloeistof een metalen schijf kan laten draaien. Immers, als een schijf perfect glad is en geen bladen, schoepen of emmers heeft om de vloeistof te "vangen", suggereert de logica dat de vloeistof gewoon over de schijf zal stromen, waardoor de schijf onbeweeglijk blijft. Dit is natuurlijk niet wat er gebeurt. Niet alleen draait de rotor van een Tesla-turbine -- hij draait snel.
De reden waarom is te vinden in twee fundamentele eigenschappen van alle vloeistoffen:hechting en viscositeit. Adhesie is de neiging van ongelijke moleculen om aan elkaar te kleven als gevolg van aantrekkende krachten. Viscositeit is de weerstand van een stof om te vloeien. Deze twee eigenschappen werken samen in de Tesla-turbine om energie over te dragen van de vloeistof naar de rotor of omgekeerd. Dit is hoe:
De dunne laag vloeistof die op deze manier in wisselwerking staat met het schijfoppervlak wordt de grenslaag . genoemd , en de interactie van de vloeistof met het vaste oppervlak wordt het grenslaageffect . genoemd . Als gevolg van dit effect volgt het voortstuwende fluïdum een snel versneld spiraalvormig pad langs de schijfvlakken totdat het een geschikte uitgang bereikt. Omdat de vloeistof langs natuurlijke paden van de minste weerstand beweegt, vrij van de beperkingen en verstorende krachten veroorzaakt door schoepen of bladen, ervaart het geleidelijke veranderingen in snelheid en richting. Dit betekent dat er meer energie aan de turbine wordt geleverd. Tesla claimde inderdaad een turbinerendement van 95 procent, veel hoger dan andere turbines van die tijd.
Maar zoals we in de volgende paragraaf zullen zien, is de theoretische efficiëntie van de Tesla-turbine niet zo gemakkelijk gerealiseerd in productiemodellen.
De grenslaag:het is een echte belemmeringHet grenslaageffect verklaart ook hoe luchtweerstand wordt gecreëerd op een vliegtuigvleugel. Lucht die over de vleugel beweegt, gedraagt zich als een vloeistof, wat betekent dat luchtmoleculen zowel adhesieve als viskeuze krachten bezitten. Als lucht aan het vleugeloppervlak blijft kleven, produceert het een kracht die weerstand biedt aan de voorwaartse beweging van het vliegtuig.
Tesla, evenals vele hedendaagse wetenschappers en industriëlen, geloofden dat zijn nieuwe turbine revolutionair was op basis van een aantal attributen. Het was klein en gemakkelijk te vervaardigen. Het had maar één bewegend deel. En het was omkeerbaar.
Om deze voordelen te demonstreren, liet Tesla verschillende machines bouwen. Juilus C. Czito, de zoon van Tesla's oude machinist, bouwde verschillende versies. De eerste, gebouwd in 1906, had acht schijven met een diameter van elk 15,2 centimeter. De machine woog minder dan 10 pond (4,5 kilogram) en ontwikkelde 30 pk. Het bracht ook een tekortkoming aan het licht die de verdere ontwikkeling van de machine bemoeilijken. De rotor bereikte zulke hoge snelheden -- 35.000 omwentelingen per minuut (rpm) -- dat de metalen schijven aanzienlijk uitrekten, wat de efficiëntie belemmerde.
In 1910 bouwden Czito en Tesla een groter model met schijven met een diameter van 12 inch (30,5 centimeter). Hij draaide met 10.000 tpm en ontwikkelde 100 pk. Toen, in 1911, bouwde het paar een model met schijven met een diameter van 9,75 inch (24,8 centimeter). Dit verminderde het toerental tot 9.000 tpm maar verhoogde het vermogen tot 110 pk.
Gesterkt door deze successen op kleine schaal bouwde Tesla een grotere dubbele eenheid, die hij van plan was te testen met stoom in de belangrijkste krachtpatser van de New York Edison Company. Elke turbine had een rotor met schijven van 18 inch (45,7 centimeter) in diameter. De twee turbines werden in een lijn op een enkele basis geplaatst. Tijdens de test wist Tesla 9.000 tpm te halen en 200 pk te genereren. Sommige ingenieurs die bij de test aanwezig waren, loyaal aan Edison, beweerden echter dat de turbine een storing was, gebaseerd op een misverstand over hoe het koppel in de nieuwe machine moest worden gemeten. Deze slechte pers, gecombineerd met het feit dat de grote elektriciteitsbedrijven al zwaar hadden geïnvesteerd in turbines met bladen, maakte het voor Tesla moeilijk om investeerders aan te trekken.
In Tesla's laatste poging om zijn uitvinding te commercialiseren, haalde hij de Allis-Chalmers Manufacturing Company in Milwaukee over om drie turbines te bouwen. Twee hadden 20 schijven met een diameter van 18 inch en ontwikkelden snelheden van respectievelijk 12.000 en 10.000 tpm. De derde had 15 schijven met een diameter van 60 inch (1,5 meter) en was ontworpen om te werken bij 3.600 tpm en 675 pk te genereren. Tijdens de tests maakten ingenieurs van Allis-Chalmers zich zorgen over zowel de mechanische efficiëntie van de turbines als hun vermogen om langdurig gebruik te doorstaan. Ze ontdekten dat de schijven in hoge mate waren vervormd en concludeerden dat de turbine uiteindelijk zou zijn uitgevallen.
Zelfs in de jaren zeventig hadden onderzoekers moeite om de door Tesla gerapporteerde resultaten te repliceren. Warren Rice, een professor in engineering aan de Arizona State University, creëerde een versie van de Tesla-turbine die werkte met een efficiëntie van 41 procent. Sommigen beweerden dat het model van Rice afweek van de exacte specificaties van Tesla. Maar Rice, een expert op het gebied van vloeistofdynamica en de Tesla-turbine, deed in de jaren negentig een literatuuronderzoek naar onderzoek en ontdekte dat geen enkele moderne versie van Tesla's uitvinding een efficiëntie van meer dan 30 tot 40 procent overschreed.
Dit zorgde er vooral voor dat de Tesla-turbine niet op grotere schaal werd gebruikt.
Zoals het Office of Naval Research in Washington DC duidelijk stelde:"De Parsons-turbine bestaat al een lange tijd met hele industrieën eromheen gebouwd en ondersteund. Als de Tesla-turbine niet een orde van grootte superieur is, dan zou het geld in het rattenhol gieten omdat de industrie niet zo gemakkelijk omvergeworpen zal worden ..." [bron:Cheney].
Dus waar blijft de Tesla-turbine vandaag? Zoals we in het volgende gedeelte zullen zien, richten ingenieurs en auto-ontwerpers hun aandacht opnieuw op deze 100 jaar oude technologie.
Tesla was altijd een visionair. Hij zag zijn bladloze turbine niet als een doel op zich, maar als een middel om een doel te bereiken. Zijn uiteindelijke doel was om de verbrandingsmotor met zuigers te vervangen door een veel efficiëntere, betrouwbaardere motor op basis van zijn technologie. De meest efficiënte verbrandingsmotoren met zuigers haalden niet meer dan 27 tot 28 procent efficiëntie bij het omzetten van brandstof naar werk. Zelfs bij een efficiëntie van 40 procent zag Tesla zijn turbine als een verbetering. Hij ontwierp zelfs, op papier, een auto met turbinemotor, waarvan hij beweerde dat hij zo efficiënt zou zijn dat hij op één tank benzine door de Verenigde Staten zou kunnen rijden.
Tesla heeft de auto nooit in productie gezien, maar hij zou vandaag blij kunnen zijn om te zien dat zijn revolutionaire turbine eindelijk wordt ingebouwd in een nieuwe generatie schonere, efficiëntere voertuigen. Een bedrijf dat serieuze vooruitgang boekt, is Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), gevestigd in Munising, Michigan. PNGinc heeft schijfturbinetechnologie gecombineerd met een pulsdetonatiebrander in een motor die volgens het bedrijf ongekende efficiëntie levert. Er zijn 29 actieve schijven, elk met een diameter van 25,4 centimeter, geklemd tussen twee taps toelopende eindschijven. De motor genereert 18.000 tpm en 130 pk. Om de extreme centrifugale krachten die inherent zijn aan de turbine te overwinnen, gebruikt PNGinc een verscheidenheid aan geavanceerde materialen, zoals koolstofvezel, met titanium geïmpregneerd plastic en Kevlar-versterkte schijven.
Het is duidelijk dat deze sterkere, duurzamere materialen van cruciaal belang zijn als de Tesla-turbine enig commercieel succes zal hebben. Als materialen zoals Kevlar beschikbaar waren geweest tijdens Tesla's leven, is de kans groot dat de turbine meer gebruikt zou zijn. Maar zoals vaak het geval was met het werk van de uitvinder, was de Tesla-turbine een machine die zijn tijd ver vooruit was.
Ga voor meer informatie over Tesla, elektriciteit en gerelateerde onderwerpen als een speer naar het volgende gedeelte.
Nikola Tesla's elektrische autoHoewel Tesla zijn turbine nooit in een auto heeft getest, ontwikkelde hij, volgens sommige verhalen, in 1931 een elektrische auto. De auto was een Pierce-Arrow, die was geconfigureerd met een 80 pk sterke, 1800 tpm elektromotor in plaats van een benzinemotor. Volgens het verhaal heeft Tesla een mysterieuze zwarte doos met vacuümbuizen, draden en weerstanden in elkaar gezet. Twee hengels staken uit de doos. Toen de staven in de doos werden geduwd, kreeg de auto stroom. Tesla reed een week lang met de auto - tot snelheden van 90 mijl per uur (145 kilometer per uur). Helaas geloofden velen dat hij een onbekende en gevaarlijke natuurkracht had aangeboord. Anderen noemden hem gek. Woedend haalde hij de doos uit de auto, bracht hem terug naar zijn lab en hij werd nooit meer gezien. Tot op de dag van vandaag blijven de fundamentele werkingsprincipes van Tesla's elektrische auto een mysterie.
Oorspronkelijk gepubliceerd:14 juli 2008
