La maggior parte delle persone conosce Nikola Tesla, l'eccentrico e brillante uomo che arrivò a New York City nel 1884, come il padre della corrente alternata, la forma di elettricità che fornisce energia a quasi tutte le case e le imprese. Ma Tesla fu un inventore prodigioso che applicò il suo genio a un'ampia gamma di problemi pratici. Nel complesso, deteneva 272 brevetti in 25 paesi, con 112 brevetti solo negli Stati Uniti. Potresti pensare che, di tutto questo lavoro, Tesla avrebbe tenuto le sue invenzioni nell'ingegneria elettrica - quelle che descrivevano un sistema completo di generatori, trasformatori, linee di trasmissione, motore e illuminazione - le più care. Ma nel 1913 Tesla ricevette un brevetto per quella che descrisse come la sua invenzione più importante. Quell'invenzione era una turbina, conosciuta oggi come la turbina di Tesla, la turbina dello strato limite o la turbina a disco piatto.
È interessante notare che usare la parola "turbina" per descrivere l'invenzione di Tesla sembra un po' fuorviante. Questo perché la maggior parte delle persone pensa a una turbina come a un albero con delle pale, come le pale dei ventilatori, attaccate ad esso. In effetti, il dizionario di Webster definisce una turbina come un motore azionato dalla forza del gas o dell'acqua sulle pale del ventilatore. Ma la turbina Tesla non ha pale. Ha una serie di dischi paralleli ravvicinati attaccati a un albero e disposti all'interno di una camera sigillata. Quando un fluido può entrare nella camera e passare tra i dischi, i dischi girano, il che a sua volta fa ruotare l'albero. Questo movimento rotatorio può essere utilizzato in vari modi, dall'alimentazione di pompe, ventilatori e compressori alla corsa di automobili e aeroplani. In effetti, Tesla affermò che la turbina era il motore rotativo più efficiente e più semplice mai progettato.
Se questo è vero, perché la turbina Tesla non ha goduto di un uso più diffuso? Perché non è diventato onnipresente come l'altro capolavoro di Tesla, la trasmissione di potenza CA? Queste sono domande importanti, ma sono secondarie rispetto a domande più fondamentali, come come funziona la turbina Tesla e cosa rende la tecnologia così innovativa? Risponderemo a tutte queste domande nelle prossime pagine. Ma prima, dobbiamo rivedere alcune nozioni di base sui diversi tipi di motori sviluppati nel corso degli anni. Nella prossima pagina, avremo un'idea migliore del problema specifico che Tesla sperava di risolvere con la sua nuova invenzione.
ContenutiIl compito di qualsiasi motore è convertire l'energia da una fonte di carburante in energia meccanica. Che la fonte naturale sia l'aria, l'acqua in movimento, il carbone o il petrolio, l'energia in ingresso è un fluido. E per fluido intendiamo qualcosa di molto specifico:è qualsiasi sostanza che scorre sotto uno stress applicato. Sia i gas che i liquidi, quindi, sono fluidi, che possono essere esemplificati dall'acqua. Per un ingegnere, l'acqua liquida e l'acqua gassosa, o vapore, funzionano come un fluido.
All'inizio del XX secolo erano comuni due tipi di motori:le turbine a pale, azionate dall'acqua in movimento o dal vapore generato dall'acqua riscaldata, e i motori a pistoni, azionati dai gas prodotti durante la combustione della benzina. Il primo è un tipo di motore rotativo, il secondo un tipo di motore alternativo. Entrambi i tipi di motori erano macchine complicate, difficili e dispendiose in termini di tempo da costruire.
Considera un pistone come esempio. Un pistone è un pezzo cilindrico di metallo che si muove su e giù, di solito all'interno di un altro cilindro. Oltre ai pistoni e ai cilindri stessi, altre parti del motore includono valvole, camme, cuscinetti, guarnizioni e anelli. Ognuna di queste parti rappresenta un'opportunità di fallimento. E, collettivamente, aumentano il peso e l'inefficienza del motore nel suo insieme.
Le turbine a pale avevano meno parti mobili, ma presentavano i loro problemi. La maggior parte erano enormi macchinari con tolleranze molto strette. Se non costruite correttamente, le lame potrebbero rompersi o rompersi. In effetti, è stata un'osservazione fatta in un cantiere navale che ha ispirato Tesla a concepire qualcosa di meglio:"Mi sono ricordato dei moggi di pale rotte che erano state raccolte dalle carcasse delle turbine del primo piroscafo dotato di turbina ad attraversare l'oceano, e mi sono reso conto l'importanza di questo [nuovo motore]" [fonte:The New York City Herald Tribune].
Il nuovo motore di Tesla era una turbina senza pale, che avrebbe comunque utilizzato un fluido come veicolo di energia, ma sarebbe stata molto più efficiente nel convertire l'energia del fluido in movimento. Contrariamente alla credenza popolare, non ha inventato la turbina senza pale, ma ha preso il concetto di base, brevettato per la prima volta in Europa nel 1832, e ha apportato diversi miglioramenti. Ha perfezionato l'idea nell'arco di quasi un decennio e ha ricevuto tre brevetti relativi alla macchina:
Nel primo brevetto, Tesla ha introdotto il suo design di base senza lama configurato come pompa o compressore. Nel secondo brevetto, Tesla ha modificato il design di base in modo che funzionasse come una turbina. E infine, con il terzo brevetto, ha apportato le modifiche necessarie per far funzionare la turbina come un motore a combustione interna.
Il design fondamentale della macchina è lo stesso, indipendentemente dalla sua configurazione. Nella prossima sezione, esamineremo più da vicino quel design.
Rispetto a un motore a pistoni oa vapore, la turbina Tesla è la semplicità stessa. In effetti, Tesla lo descrisse così in un'intervista apparsa sul New York Herald Tribune il 15 ottobre 1911:"Tutto ciò che serve sono dei dischi montati su un albero, distanziati un po' l'uno dall'altro e rivestiti in modo che il fluido possa entra in un punto ed esci in un altro". Chiaramente questa è una semplificazione eccessiva, ma non di molto. Diamo un'occhiata alle due parti fondamentali della turbina, il rotore e lo statore, in modo più dettagliato.
In una turbina tradizionale, il rotore è un albero con pale attaccate. La turbina Tesla elimina le pale e utilizza invece una serie di dischi. La dimensione e il numero dei dischi possono variare in base a fattori relativi a una particolare applicazione. La documentazione sui brevetti di Tesla non definisce un numero specifico, ma utilizza una descrizione più generale, affermando che il rotore dovrebbe contenere una "pluralità" di dischi con un "diametro adeguato". Come vedremo in seguito, lo stesso Tesla ha sperimentato parecchio con le dimensioni e il numero di dischi.
Ogni disco è realizzato con aperture che circondano l'albero. Queste aperture fungono da luci di scarico attraverso le quali esce il fluido. Per assicurarsi che il fluido possa passare liberamente tra i dischi, le rondelle metalliche vengono utilizzate come divisori. Anche in questo caso, lo spessore di una rondella non è fissato rigidamente, sebbene gli spazi intermedi in genere non superino i 2 o 3 millimetri.
Un dado filettato tiene i dischi in posizione sull'albero, il pezzo finale del gruppo rotore. Poiché i dischi sono calettati sull'albero, la loro rotazione viene trasferita all'albero.
Il gruppo rotore è alloggiato all'interno di uno statore cilindrico, o parte stazionaria della turbina. Per ospitare il rotore, il diametro della camera interna del cilindro deve essere leggermente più grande dei dischi del rotore stessi. Ciascuna estremità dello statore contiene un cuscinetto per l'albero. Lo statore contiene anche uno o due ingressi, in cui sono inseriti gli ugelli. Il progetto originale di Tesla prevedeva due ingressi, che consentivano alla turbina di girare in senso orario o antiorario.
Questo è il design di base. Per far funzionare la turbina, un fluido ad alta pressione entra negli ugelli agli ingressi dello statore. Il fluido passa tra i dischi del rotore e fa girare il rotore. Alla fine, il fluido esce attraverso le luci di scarico al centro della turbina.
Una delle grandi cose della turbina Tesla è la sua semplicità. Può essere costruito con materiali facilmente disponibili e la spaziatura tra i dischi non deve essere controllata con precisione. È così facile da costruire, infatti, che diverse riviste tradizionali hanno incluso istruzioni di montaggio complete utilizzando materiali domestici. Il numero di settembre 1955 di Popular Science presentava un piano passo dopo passo per costruire un ventilatore utilizzando un progetto di turbina Tesla realizzato in cartone!
Ma esattamente come fa una serie di dischi a generare il movimento rotatorio che ci si aspetta da una turbina? Questa è la domanda che tratteremo nella prossima sezione.
Potresti chiederti come l'energia di un fluido possa far girare un disco di metallo. Dopotutto, se un disco è perfettamente liscio e non ha lame, palette o secchi per "catturare" il fluido, la logica suggerisce che il fluido scorrerà semplicemente sul disco, lasciando il disco immobile. Questo, ovviamente, non è ciò che accade. Non solo il rotore di una turbina Tesla gira, ma gira rapidamente.
Il motivo è da ricercare in due proprietà fondamentali di tutti i fluidi:adesione e viscosità. L'adesione è la tendenza di molecole dissimili ad aggrapparsi insieme a causa di forze attrattive. La viscosità è la resistenza di una sostanza a fluire. Queste due proprietà lavorano insieme nella turbina Tesla per trasferire energia dal fluido al rotore o viceversa. Ecco come:
Il sottile strato di fluido che interagisce in questo modo con la superficie del disco è chiamato strato limite , e l'interazione del fluido con la superficie solida è chiamata effetto strato limite . Come risultato di questo effetto, il fluido propulsore segue un percorso a spirale rapidamente accelerato lungo le facce del disco fino a raggiungere un'opportuna uscita. Poiché il fluido si muove in percorsi naturali di minor resistenza, libero dai vincoli e dalle forze dirompenti causate da palette o lame, subisce cambiamenti graduali di velocità e direzione. Ciò significa che viene fornita più energia alla turbina. In effetti, Tesla ha affermato un'efficienza della turbina del 95 percento, molto più alta rispetto ad altre turbine dell'epoca.
Ma come vedremo nella prossima sezione, l'efficienza teorica della turbina Tesla non è stata così facilmente realizzata nei modelli di produzione.
Lo strato limite:è un vero ostacoloL'effetto strato limite spiega anche come viene creata la resistenza sull'ala di un aeroplano. L'aria che si muove sopra l'ala si comporta come un fluido, il che significa che le molecole d'aria possiedono sia forze adesive che viscose. Quando l'aria si attacca alla superficie dell'ala, produce una forza che resiste al movimento in avanti dell'aereo.
Tesla, così come molti scienziati e industriali contemporanei, credevano che la sua nuova turbina fosse rivoluzionaria in base a una serie di attributi. Era piccolo e facile da fabbricare. Aveva solo una parte mobile. Ed era reversibile.
Per dimostrare questi vantaggi, Tesla fece costruire diverse macchine. Juilus C. Czito, il figlio del macchinista di lunga data di Tesla, ne costruì diverse versioni. Il primo, costruito nel 1906, presentava otto dischi, ciascuno di sei pollici (15,2 centimetri) di diametro. La macchina pesava meno di 10 libbre (4,5 chilogrammi) e sviluppava 30 cavalli. Ha anche rivelato una carenza che avrebbe reso difficile lo sviluppo continuo della macchina. Il rotore ha raggiunto velocità così elevate - 35.000 giri al minuto (rpm) - che i dischi di metallo si sono allungati notevolmente, ostacolando l'efficienza.
Nel 1910, Czito e Tesla costruirono un modello più grande con dischi di 12 pollici (30,5 centimetri) di diametro. Ruotava a 10.000 giri/min e sviluppava 100 cavalli. Quindi, nel 1911, la coppia costruì un modello con dischi di 9,75 pollici (24,8 centimetri) di diametro. Ciò ha ridotto la velocità a 9.000 giri/min ma ha aumentato la potenza a 110 cavalli.
Forte di questi successi su piccola scala, Tesla costruì una doppia unità più grande, che aveva in programma di testare con il vapore nella centrale elettrica principale della New York Edison Company. Ogni turbina aveva un disco del cuscinetto del rotore di 18 pollici (45,7 centimetri) di diametro. Le due turbine erano poste in linea su un'unica base. Durante il test, Tesla è stata in grado di raggiungere 9.000 giri/min e generare 200 cavalli. Tuttavia, alcuni ingegneri presenti al test, fedeli a Edison, hanno affermato che la turbina era un guasto basato su un malinteso su come misurare la coppia nella nuova macchina. Questa cattiva stampa, unita al fatto che le principali società elettriche avevano già investito molto in turbine a pale, ha reso difficile per Tesla attirare gli investitori.
Nell'ultimo tentativo di Tesla di commercializzare la sua invenzione, convinse la Allis-Chalmers Manufacturing Company di Milwaukee a costruire tre turbine. Due avevano 20 dischi di 18 pollici di diametro e sviluppavano velocità rispettivamente di 12.000 e 10.000 giri/min. Il terzo aveva 15 dischi di 60 pollici (1,5 metri) di diametro ed era progettato per funzionare a 3.600 giri al minuto, generando 675 cavalli. Durante i test, gli ingegneri di Allis-Chalmers si sono preoccupati sia dell'efficienza meccanica delle turbine, sia della loro capacità di sopportare un uso prolungato. Hanno scoperto che i dischi si erano deformati in larga misura e hanno concluso che alla fine la turbina si sarebbe guastata.
Anche negli anni '70, i ricercatori avevano difficoltà a replicare i risultati riportati da Tesla. Warren Rice, professore di ingegneria all'Arizona State University, ha creato una versione della turbina Tesla che funzionava con un'efficienza del 41%. Alcuni hanno sostenuto che il modello di Rice si discostasse dalle specifiche esatte di Tesla. Ma Rice, esperta di fluidodinamica e turbina Tesla, ha condotto una revisione della letteratura sulla ricerca fino agli anni '90 e ha scoperto che nessuna versione moderna dell'invenzione di Tesla superava il 30-40% di efficienza.
Questo, più di ogni altra cosa, ha impedito alla turbina Tesla di diventare più ampiamente utilizzata.
Come ha affermato chiaramente l'Office of Naval Research di Washington, DC:"La turbina Parsons esiste da molto tempo con intere industrie costruite attorno ad essa e la supportano. Se la turbina Tesla non è un ordine di grandezza superiore, allora sarebbe versare soldi nel buco dei topi perché l'industria non verrà ribaltata così facilmente ..." [fonte:Cheney].
Allora, dove finisce oggi la turbina di Tesla? Come vedremo nella prossima sezione, ingegneri e designer automobilistici stanno ancora una volta rivolgendo la loro attenzione a questa tecnologia centenaria.
Tesla è sempre stato un visionario. Non vedeva la sua turbina senza lama come un fine in sé, ma come un mezzo per un fine. Il suo obiettivo finale era sostituire il motore a combustione a pistoni con un motore molto più efficiente e affidabile basato sulla sua tecnologia. I motori a combustione a pistoni più efficienti non hanno ottenuto un'efficienza superiore al 27-28% nella conversione del carburante in lavoro. Anche con tassi di efficienza del 40 percento, Tesla vedeva la sua turbina come un miglioramento. Ha persino progettato, sulla carta, un'autovettura a turbina, che secondo lui sarebbe stata così efficiente da poter attraversare gli Stati Uniti con un solo pieno di benzina.
Tesla non ha mai visto l'auto prodotta, ma oggi potrebbe essere gratificato nel vedere che la sua rivoluzionaria turbina è stata finalmente incorporata in una nuova generazione di veicoli più puliti ed efficienti. Una società che sta facendo seri progressi è Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), con sede a Munising, Michigan. PNGinc ha combinato la tecnologia delle turbine a disco con un combustore a detonazione a impulsi in un motore che secondo l'azienda offre efficienze senza precedenti. Ci sono 29 dischi attivi, ciascuno di 10 pollici (25,4 centimetri) di diametro, inseriti tra due dischi terminali conici. Il motore genera 18.000 giri/min e 130 cavalli. Per superare le forze centrifughe estreme inerenti alla turbina, PNGinc utilizza una varietà di materiali avanzati, come fibra di carbonio, plastica impregnata di titanio e dischi rinforzati in Kevlar.
Chiaramente, questi materiali più resistenti e durevoli sono fondamentali se la turbina Tesla avrà un successo commerciale. Se materiali come il Kevlar fossero stati disponibili durante la vita di Tesla, è molto probabile che la turbina avrebbe visto un uso maggiore. Ma, come spesso accadeva con il lavoro dell'inventore, la turbina Tesla era una macchina molto in anticipo sui tempi.
Per ulteriori informazioni su Tesla, elettricità e argomenti correlati, passa come un fulmine alla sezione successiva.
L'auto elettrica di Nikola TeslaSebbene Tesla non abbia mai testato la sua turbina su un'auto, secondo alcuni sviluppò un'auto elettrica nel 1931. L'auto era una Pierce-Arrow, che era stata configurata con un motore elettrico da 80 cavalli e 1.800 giri/min invece di un motore a gas. Secondo la storia, Tesla ha assemblato una misteriosa scatola nera contenente tubi a vuoto, cavi e resistori. Due canne fuoriuscite dalla scatola. Quando le aste sono state spinte nella scatola, l'auto ha ricevuto energia. Tesla ha guidato l'auto per una settimana, fino a velocità di 90 miglia orarie (145 chilometri orari). Sfortunatamente, molti credevano che avesse attinto a una forza della natura sconosciuta e pericolosa. Altri lo chiamavano pazzo. In preda alla rabbia, ha rimosso la scatola dall'auto, l'ha riportata al suo laboratorio e non è più stata vista. Ad oggi, i principi di funzionamento fondamentali dell'auto elettrica di Tesla rimangono un mistero.
Pubblicato originariamente:14 luglio 2008
