Tesla był genialnym myślicielem i wynalazcą. Jego umysł przewidział ostateczne rozwiązanie potrzeb energetycznych ludzkości. Podobnie jak Sherlock Holmes, stosując potęgę swojej dedukcji, uznał, że kiedy wszystko, co jest „nieprawdopodobne” i „niemożliwe”, zostanie wyeliminowane, to to, co pozostanie, musi być rozwiązaniem. Ciepło atmosferyczne było największym, nienaruszonym zbiornikiem energii planety. Tesla odmawiał ignorowania rzeczy oczywistych. Był rzadkim gatunkiem ryby zdolnej do rozważania natury wody, w której pływa. Mało kto był w stanie prześledzić i zrozumieć jego idee. Jeszcze mniej ludzi było w stanie kontynuować jego prace.

Kiedy pierwszy raz czytałem ten artykuł w Century Magazine, byłem zafascynowany jego częścią poświęconą „samoczynnym” silnikom. Jednak pomysł Tesli, aby pozyskiwać energię przez odprowadzanie ciepła do niewyczerpanego „zimnego miejsca” wydawał się niewykonalny. Mój umysł nie mógł przeniknąć niewiadomych związanych z tym pomysłem. Na szczęście, inne umysły nie były tak ograniczone.

Chcąc zrozumieć pomysł Tesli, należy zapoznać się najpierw z podstawami termodynamiki gazów. Jeśli gaz (na przykład powietrze) jest zamknięty w ograniczonej przestrzeni, trzy jego cechy stają się od siebie wzajemnie zależne. Są to:

1) objętość, czyli przestrzeń, jaką zajmuje gaz;

2) temperatura, czyli ilość zawartego ciepła;

3) ciśnienie, czyli siła, z jaką cząsteczki gazu napierają na ścianki zbiornika.

Na przykład, jeśli rozmiary zbiornika (czyli objętość) się nie zmieniają i podnosimy temperaturę powietrza wewnątrz, to ciśnienie działające na ścianki zbiornika też wzrasta. Podobnie, jeśli objętość się nie zmienia i obniżamy ciśnienie, to temperatura również musi spaść. Z kolei jeśli zwiększamy objętość, to spadnie albo temperatura albo ciśnienie (albo oba te parametry). Widać z tego, że ciśnienie i temperatura są zależne od siebie wprost proporcjonalnie, natomiast odwrotnie proporcjonalnie od objętości. Właśnie tak dr Carl Linde skroplił powietrze w swoim „samoschładzającym” się procesie. Korzystając z tych zasad – manipulując ciśnieniem i objętością gazowego powietrza – był w stanie je skroplić.

Sto lat temu było to zdumiewające dokonanie. Obecnie proces ten jest przemysłowo wykorzystywany na co dzień. Aby go zademonstrować, potrzebna jest tylko pewna użyteczna nowinka dostępna w sprzedaży wysyłkowej. Obecnie wiele gazów można nabyć w postaci sprężonej. Jeden z nich to dwutlenek węgla. Za niecałe 30 dolarów można kupić butlę sprężonego dwutlenku węgla połączoną ze specjalną dyszą. Kiedy ulatnia się przez tę dyszę, powstaje „suchy lód”. Rozszerzając się szybko w temperaturze pokojowej w kontrolowanych warunkach, dwutlenek węgla zamraża się sam do postaci „suchego lodu”. Tą metodą można skroplić lub jak w tym przypadku zestalić około 20 procent sprężonego gazu. Właśnie za pomocą takiego procesu, który Tesla określił jako „samoschładzanie”, dr Carl Linde skroplił w roku 1895 powietrze. Tesla natychmiast pojął wynikające z tego implikacje. Twierdzi, że jego wynalazek mógłby być napędzany skraplanym powietrzem, lecz „jego temperatura jest niepotrzebnie niska”. Wszystko, czego było trzeba, to płyn roboczy, który przechodziłby z postaci gazowej w płynną w temperaturze niższej od otoczenia.

Proces dra Linde wymaga nakładu energii mechanicznej niezbędnej do sprężenia gazu. Lecz Tesla wiedział, że procesy mechaniczne są odwracalne. Maszyna, którą sobie wyobrażał, korzystałaby z procesu odkrytego przez dra Linde, lecz zmieniałaby kierunek przemiany na odwrotny. Aby zrozumieć, jak to może działać, wystarczy skorzystać z apteczki domowej. W temperaturze pokojowej alkohol izopropylowy roztarty na ręku wywołuje „uczucie zimna”. Uczucie zimna wywołane jest jego parowaniem. Paruje zaś z powodu różnicy „ciśnienia pary” między zamkniętą butelką i otwartym powietrzem. Ta zmiana ciśnienia „wymusza” parowanie. Lecz alkohol potrzebuje ciepła, aby wyparować (przejść z płynu w gaz). Ponieważ nie ma żadnego dostępnego źródła ciepła, pobiera niezbędne ciepło z najbliższego otoczenia, czyli z ręki. To dlatego ręka odczuwa zimno. Można w to wierzyć lub nie, ale Tesla widział w tym wszystkim maszynę energetyczną. Jedną ze stron równania, która nie jest tu tak oczywista, jest to, że objętość przestrzeni zajmowanej przez parujący alkohol raptownie wzrasta. Ta wzrastająca objętość gazu mogłaby być ograniczona, co wywołałoby wzrost ciśnienia, które mogłoby napędzać silnik. Tesla widział to wszystko i wiedział, co to znaczy. Spędził całe lata na rozwiązywaniu wszystkich związanych z tym problemów technicznych, aby społeczeństwo przyszłości mogło dzięki tym procesom zaspokoić wszystkie swoje potrzeby energetyczne.

 

 

Rys. 1. Silnik parowy.

 

 

Jak więc naprawdę wygląda „samoczynny” silnik Tesli? Żeby to sobie uzmysłowić, dobrze jest zapoznać się przedtem z funkcjonowaniem dwóch innych systemów działających w „układzie płynu dwufazowego” (czyli cieczy i jej par) – pierwszy z nich to silnik parowy, a drugi to pompa cieplna. Na rysunku 1 woda jest podgrzewana w kotle, aż zamieni się w parę o dużym ciśnieniu, po czym para o wysokim ciśnieniu i temperaturze jest użyta do napędzania turbiny, zamieniając wysokie ciśnienie na pracę mechaniczną. Z turbiny wychodzi para o niskim ciśnieniu i temperaturze, która ulega dalszemu schłodzeniu w kondensatorze i ponownej zamianie w wodę. Woda jest przepompowywana do kotła i cykl się powtarza. Na tym przykładzie łatwo można zobaczyć, że system pobiera ciepło do kotła i oddaje je w skraplaczu.

 

 

Rys. 2. Pompa cieplna.

 

 

Rysunek 2 to schemat pompy cieplnej. Para o niskiej temperaturze trafia do sprężarki, gdzie zostaje sprężona do wysokiej temperatury i ciśnienia. Para ta jest skraplana (zamieniana w ciecz) w skraplaczu. Następnie ciecz przepuszczana jest pod ciśnieniem przez specjalną przepustnicę, obniżając swoje ciśnienie i temperaturę. Obniżenie ciśnienia pozwala pewnej części cieczy wyparować. Ta „dwufazowa ciecz” – częściowo ciecz i częściowo para – trafia z kolei do parownika, w którym pozostała część cieczy zostaje zagotowana. Otrzymana para o niskiej temperaturze ponownie trafia do sprężarki, zamykając cykl. Na tym przykładzie widać, że system pobiera ciepło z parownika i oddaje je w skraplaczu.

Oba te systemy są w wysokim stopniu do siebie podobne. Oba mają taki element, w którym ciepło jest absorbowane (kocioł i parownik). Oba mają taki element, w którym obniżane jest ciśnienie (turbina i przepustnica). Oba mają taki element, w którym ciepło jest oddawane (skraplacz). I oba mają taki element, w którym ciecz robocza jest sprężana, żeby zamknąć cykl (pompa i sprężarka). W maszynie parowej energia cieplna dostarczana jest do systemu w kotle, a energia mechaniczna jest pobierana z systemu w turbinie. Ta część ciepła, która nie została zamieniona na energię mechaniczną, jest tracona w skraplaczu i obrazuje ubytek wydajności urządzenia. W pompie cieplnej do systemu energia mechaniczna dostarczana jest do sprężarki, a energia cieplna jest pobierana ze skraplacza. Ta część cieczy, która zamienia się w parę przy wyjściu z przepustnicy, obrazuje ubytek wydajności urządzenia, bowiem w tym momencie do odparowania tej części cieczy nie jest pobierane żadne ciepło z otoczenia.