برق بی‌سیم
«یک بار وقتی پسرم سه ساله بود، به دیدن مادربزرگ و پدربزرگش رفتیم. آن‌ها یک تلفن بیست ساله داشتند و پسرم گوشی را برداشت و پرسید: بابا، چرا این تلفن با یک سیم به دیوار وصل شده؟ این طرز فکر کودکی است که در جهانی بی‌سیم رشد کرده‌است. بهترین پاسخی که توانستم به او بدهم، این بود: خیلی عجیب و غریب است، نه؟ امیدوارم به زودی از دست سیم‌های بیشتری خلاص شویم و از باتری‌ها هم.» این‌ها را مارین سولیاچیچ می‌گوید؟ استادیار فیزیک در MIT و یکی از پژوهش‌گرانی که روی انتقال بی‌سیم برق کار می‌کند.
ما به موج‌های
حامل اطلاعات عادت کرده‌ایم. موج‌هایی که در هوای اطراف ما و درون سیم‌ها، بیت‌های
اطلاعات یا سیگنال‌های قابل تبدیل شدن به صدا و تصویر را این طرف و آن طرف می‌برند.
از سویی این را هم می‌دانیم که این امواج در درجه نخست حامل انرژی هستند، پس چرا
انرژی الکتریکی را نیز به همین روش منتقل نکنیم؟ فرض کنید، شما یک دستگاه رادیو
می‌خرید که علاوه بر برنامه‌های رادیویی، انرژی خود را هم از امواج
الکترومغناطیسی‌ای می‌گیرد که از یک منبع زمینی یا ماهواره‌ای فرستاده‌شده‌اند.
رادیو شاید مثالی از مد افتاده باشد. همه این روزها به گوشی‌های موبایل
می‌اندیشند.
طبعاً
چشم‌انداز دورتر، انتقال انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمان‌های مسکونی و تجاری به
این روش است. اما در این مدت، همین که بتوانیم دستگاه‌هایی نظیر تلفن‌های همراه و
لپ‌تاپ‌ها را از باتری و شارژر بی‌نیاز کرد، به قدر کافی برای پژوهش در این زمینه
اشتیاق ایجاد می‌کنیم. اگر بتوانیم چنین فناوری‌ای را به طور مؤثر پیاده‌سازی کنیم،
حتی در محدوده‌هایی چندمتری، تحول بزرگی در زندگی ما ایجاد می‌شود. فقط همین را به
یاد بیاورید که برای تغییر دکوراسیون خانه، یکی از نخستین قیدها، مکان پریزهای برق
است. نمی‌توانید تلویزیون خود را هر جایی که می‌خواهید بگذارید، زیرا باید به پریز
نزدیک باشد. کابل‌های واسط هم ممکن است خطرناک باشند یا اتاق شما را از ریخت
بیاندازند! اما فراتر از آن، تصور کنید که سیم‌کشی برق در ساختمان‌های نوساز لازم
نباشد یا لااقل حجم آن کاهش چشم‌گیری پیدا کند. برای این که یک چراغ از سقف اتاقی
بیاویزید، مجبور نباشید سیم برق را هم تا سقف برسانید؛ بی‌سیم کردن ارتباطات
تقریباً به طور کامل ممکن است. تصور کنید برق هم بی‌سیم شود. آیا می‌توان بالاخره
از دست این سیم‌های دوست‌داشتنی خلاص شد؟
چگونه چنین کاری انجام دهیم؟ چه طور است با ایستگاه‌های رادیویی و تلویزیونی تماس بگیریم و از آن‌ها بخواهیم شعله آنتن‌های‌شان را قدری بالا بکشند؟! مشکل اصلی این خواهدبود که این گونه انتشار انرژی، چندان جهت‌مند نیست. یک آنتن رادیویی محدوده وسیعی را تحت پوشش قرار می‌دهد. پوشش دادن تمام نقطه‌ها در این محدوده شاید لازم نباشد، اما آسان‌ترین شیوه ممکن است. حال فرض کنید، بخواهیم از سیستم مشابهی برای انتقال انرژی استفاده کنیم. انرژی الکتریکی در نقطه‌های معینی توسط آنتن‌های مصرف‌کنندگان دریافت می‌شود و در بقیه ناحیه‌ها انرژی زیادی هدر می‌رود و به گرما تبدیل می‌شود. چنین اتلافی در کاربردهای مخابراتی قابل توجیه است، زیرا در آنجا فقط لازم است سیگنال دریافتی آن قدر قوی باشد که بتوان اطلاعات گنجانده‌شده در آن را بازیابی کرد، اما برای انتقال انرژی، جدا از بحث اقتصادی نبودن این شیوه، مسئله امنیت آن (به خاطر گسیل شدت بالایی از میدان‌های الکترومغناطیسی) و همچنین آثار زیست‌محیطی آن (هم به دلیل شدت بالای میدان و هم به خاطر جذب شدن بیشتر انرژی توسط محیط و تبدیل شدنش به گرما) مطرح خواهدبود. خوب، پس به ظاهر اگر انتقال انرژی به صورت بی‌سیم اساساً ممکن باشد، راهش این نیست. اما، آیا اصولاً راهی وجود دارد؟
شکل 1- تصویری از برج و آنتن آزمایشگاه تسلا در کلرادو اسپرینگز، جایی که بر اساس برخی روایت‌ها تسلا توانست در آن انتقال بی‌سیم برق را در فواصل نسبتاً دور با بازدهی بالا به انجام رساند.
یک راه ممکن،
استفاده از تابش جهت‌مند الکترومغناطیسی است. برای نمونه، فرض کنید بخواهیم انرژی
را در قالب باریکه‌های لیزر منتقل کنیم. انتقال انرژی با لیزر یکی از گزینه‌های
مورد توجه است، اما با مشکلات فراوانی همراه است: مشکل نخست، آن‌که تبدیل انرژی
الکتریکی به لیزر بازدهی چندان بالایی ندارد (کمتر از پنجاه درصد)؛ مشکل دوم،
انتقال انرژی به این شیوه از نقطه‌ای به نقطه دیگر، به دید مستقیم نیاز دارد. برای
مقایسه، به این بیاندیشید که تاکنون چند بار آنتن رادیویی‌ای که از آن سیگنال‌های
رادیو را دریافت می‌کنید، از نزدیک دیده‌اید. علاوه بر نیاز به دید مستقیم، غبار و
بخار آب موجود در هوا نیز مقداری از انرژی باریکه لیزری را جذب می‌کنند و همچنین
باعث واگرایی آن می‌شوند.
| "تلاش تسلا برای ادامه کارش در برج Wardenclyffe پس از چند سال کش و قوس، درنهایت به شکست انجامید. کل این سازه در سال ۱۹۱۷ و در جریان جنگ جهانی اول، به دستور دولت وقت امریکا با دینامیت منهدم شد." |
مشکل سوم در
مقصد است؛ تبدیل دوباره انرژی تابش لیزر به انرژی الکتریکی با استفاده از سلول‌های
نوری، باز هم بازدهی چندان بالایی ندارد. در ضمن، این شیوه چندان برای هدف‌های
متحرک قابل استفاده نیست، زیرا باید باریکه لیزر را دائم به سوی مکان جدید گیرنده
هدف‌گیری کرد.با وجود تمام این مشکلات،
انتقال انرژی با استفاده از لیزر همچنان یکی از گزینه‌های قابل بحث است، چرا که
ممکن است در نهایت برای مرحله‌های مشخصی از توزیع و انتقال انرژی یا در شرایطی خاص
به کار آید و از نظر اقتصادی هم توجیه‌پذیر باشد.
شکل 2- تسلا در حال مطالعه در آزمایشگاه کلرادو اسپرینگز، در حالی که دستگاه ساخته او صاعقه‌هایی مصنوعی را درون ساختمان آزمایشگاه ایجاد می‌کرد.
روش دیگر
انتقال بی‌سیم برق، استفاده از امواج مایکروویو (با طول موج‌هایی در حدود میلی‌متر
تا چند ده متر) یا امواج رادیویی (با طول موج حدوداً ده متر تا مرتبه کیلومتر) است.
آنتن‌هایی برای انتقال جهت‌مند امواج رادیویی ساخته شده‌اند و امروزه به طور گسترده
در مخابرات به کار می‌روند، اما استفاده از آن‌ها برای انتقال انرژی با دشواری‌هایی
همراه است. می‌توان انرژی الکتریکی را با استفاده از آنتن‌هایی که برای تابش متمرکز
امواج رادیویی طراحی شده‌اند، در فاصله‌های بسیار زیاد منتقل کرد و استفاده از
امواج مایکروویو هم گزینه‌ای نسبتاً مشابه است، با تفاوت‌هایی در مهندسی
آن.
به طور کلی، در
میان شیوه‌های مختلف انتقال بی‌سیم انرژی الکتریکی، روش‌هایی که میدان الکتریکی در
آن‌ها نقش دارد، مشکلات بیشتری را در انتقال ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی
تقریباً با هر جسم مادی در مسیر انتقال انرژی وارد برهم‌کنش می‌شود و بسته به طول
موج، آثار نامطلوب گوناگونی را موجب می‌شود. در برابر، آثار محیطی و زیستی میدان
مغناطیسی بسیار کمتر است. پس بهتر است به شیوه‌های ممکن استفاده از میدان مغناطیسی
نگاهی بیاندازیم. آیا اصلاً چنین روشی وجود دارد؟
شکل 3- تصویری از برج و آنتن نیمه‌تمام آزمایشگاه تسلا در Wardenclyffe.
همه ما روزمره
از انتقال انرژی برق به وسیله میدان مغناطیسی استفاده می‌کنیم. در حقیقت، تمام برقی
که از سیستم برق شهری دریافت می‌کنیم، در چندین مرحله با استفاده از میدان‌های
مغناطیسی منتقل شده‌است: ترانسفورماتورها که برای تغییر ولتاژ به کار می‌روند،
اساساً بر این اساس کار می‌کنند (از این جهت می‌توان گفت که بین خانه‌ها و
نیروگاه‌ها اتصال مستقیم الکتریکی وجود ندارد). در یک ترانسفورماتور، معمولاً دو
سیم‌پیچ وجود دارد که با عبور جریان متناوب از سیم‌پیچ اول، میدان مغناطیسی متناوبی
داخل چنبره سیم‌پیچ ایجاد می‌شود و این میدان جریانی متناوب را در سیم‌پیچ دوم القا
می‌کند. این پدیده را القای الکترومغناطیسی می‌خوانند و حدود دو قرن پیش توسط مایکل
فارادی کشف و توضیح داده‌شد. خوب، چه طور است سیم‌پیچ اول را سر جایش نگه داریم و
سیم‌پیچ دوم را ببریم و در نقطه‌ای که می‌خواهیم قرار دهیم؟ چنین کاری اساساً ممکن
است، فقط با این محدودیت که زیاد نمی‌توان از سیم‌پیچ اول دور شد، زیرا هندسه میدان
مغناطیسی سیم‌پیچ بسیار متمرکز است و با دور شدن از هسته مرکزی آن، به سرعت اتلاف
انرژی افزایش می‌یابد. با این حال از این شیوه هم نمی‌توان چشم پوشید و در حقیقت،
هم‌اکنون ابزارهایی الکتریکی در بازار هستند که با انتقال انرژی به شیوه القای
الکترومغناطیس شارژ می‌شوند (مانند مسواک‌های الکتریکی
بی‌سیم).
آن مرد هم برق داشت
در روز ششم ژوئن سال ۱۸۸۴، جوانی به نام نیکولا تسلا برای
نخستین بار پا به ایالات متحده گذاشت. او به جز یک توصیه‌نامه از چارلز بچلور،
کارفرمای سابقش، توشه چندانی به همراه نداشت. چارلز‌بچلور در این توصیه‌نامه
به‌خصوص خطاب به توماس ادیسون نوشته‌بود: «من دو مرد بزرگ می‌شناسم و شما
یکی از آن‌ها هستید. دیگری، این مرد جوان
است.» ادیسون، تسلای جوان را در
شرکت Edison Machine Works به کار گماشت.
بچلور در تشخیص خود اشتباه نکرده‌بود. پیش از پایان دهه ۱۸۸۰، ادیسون و تسلا
تقریباً تبدیل به دشمنان یکدیگر شده‌بودند. چرا؟ تسلا ادعا می‌کرد که توزیع انرژی
الکتریکی با استفاده از جریان متناوب (AC) به‌صرفه‌تر از توزیع با جریان مستقیم
است. ادعای تسلا درست بود و در نهایت هم جریان متناوب برنده «جنگ جریان‌ها» شد، اما
در آن زمان موتوری که چنین جریانی تولید کند وجود نداشت و ادیسون با فروش قطعه‌ها و
سیستم‌های تولید و انتقال جریان مستقیم، اسکناس چاپ می‌کرد (اگرچه خود او سال‌ها
بعد، بزرگ‌ترین اشتباه زندگیش را مخالفت با ایده جریان متناوب تسلا دانست). نخستین
موتور تولید جریان متناوب را چند سال بعد، تسلا خود اختراع کرد. ادیسون سوار بر موج
بود و تسلا و همکارش وستینگ‌هاوس را به مرز ورشکستگی رساند (داستان مشابهی سراغ
دارید؟). شاید چندان بی‌راه نباشد که بگوییم ادیسون برای نجات‌دادن تجارت خود، تا
مرز جنایت هم پیش رفت. ادیسون یکی از کارکنان خود به نام هارولد براون را به طراحی
وسیله‌ای برای اعدام با جریان متناوب گماشت تا به همگان نشان دهد که جریان متناوب
چه قدر خطرناک است! حاصل کار، صندلی الکتریکی بود که از جریان متناوب استفاده
می‌کند، در حالی که خطر برق‌گرفتگی با جریان مستقیم به مراتب بیشتر از برق‌گرفتگی
با جریان متناوب است.
شکل 4- طرحی از برج و آنتن تکمیل‌شده Wardenclyffe. این سازه عملاً هرگز تکمیل نشد.
ادیسون در
تجاری‌کردن ایده‌هایش چالاک بود و تسلا به دنبال پیدا کردن بهترین راه برای انجام
دادن کارها می‌گشت. تسلا در نهایت تمامی حقوق خود را در طراحی سیستم جریان متناوب
به قیمت یک میلیون دلار به همکارش وستینگ‌هاوس فروخت و پس از پرداختن سهم
سرمایه‌گذارانش، باقی‌مانده این پول را صرف پژوهش روی سیستم انتقال برق به شکل
بی‌سیم کرد. در دهه ۱۸۹۰ تسلا با جدیت بسیار به دنبال شیوه‌ای برای انتقال انرژی
الکتریکی بود که از نظر فنی و اقتصادی توجیه‌پذیر باشد. تسلا در سال ۱۸۹۳ در
نمایشگاه جهانی Columbian در شیکاگو، انتقال انرژی الکتریکی به شکل بی‌سیم را به
نمایش گذاشت: او یک لامپ خلأ را که در وسط اتاقی از سقف آویخته‌بود (بی‌آن‌که سیم
برق به آن متصل باشد)، روشن کرد. برای برق رساندن به این لامپ، او از القای
الکترومغناطیس و سیم‌پیچی که به نام خودش نام‌گذاری شد، استفاده کرد. تسلا از آن پس
اگر قرار بود در جلسه‌ای شرکت کند، معمولاً اصرار داشت که محیط اتاق به همین ترتیب
نورپردازی شده‌باشد!
| "اگر ایده برق‌رسانی بی‌سیم در سطح جهانی روزی تحقق یابد، حتی اگر بر مبنای شیوه‌ای اساساً متفاوت از ر‌هیافت‌های تسلا باشد، باید تسلا را دست‌کم از نظر معنوی طلایه‌دار و انگیزاننده آن دانست." |
بعد از ماجرای
جریان متناوب، تسلا سرمایه‌گذاران جدیدی یافت که او را در پروژه برق بی‌سیمش
پشتیبانی کنند. او در سال ۱۸۹۹ به کلرادو اسپرینگز رفت تا آزمایشگاهش را در آنجا
بنا کند و به خبرنگاران گفت می‌خواهد
سیگنال‌هایی رادیویی را از کوه Pikes Peak
به پاریس بفرستد، اما جزئیاتی ارائه نداد.تأسیساتی که تسلا در کلرادو اسپرینگز ایجاد کرد، در نوع
خود بی‌نظیر بود و آزمایش‌ها و محاسبات بسیار دقیق و هوشمندانه‌ای در آنجا به انجام
رساند. او برجی چوبی به بلندی ۲۴ متر ساخت. آنتنی ۴۳ متری را روی این برج نصب کرد و
کره مسی بزرگی را بر سر این آنتن قرار داد. یک سیم‌پیچ بزرگ در داخل برج چوبی ساخته
شد که وظیفه آن فرستادن تکانه‌های الکتریکی بزرگی به درون زمین بود. تسلا با
استفاده از این سازه، نخستین صاعقه مصنوعی را ایجاد کرد، که البته باعث سوختن موتور
برق نیروگاه El Paso شد و تمام شهر کلرادو اسپرینگز را در خاموشی فرو
برد.
شکل 5- یک نمونه از لامپ‌های القایی ساخت فیلیپس.
آزمایش‌های
تسلا در این آزمایشگاه برای نه ماه ادامه داشت و او برنامه دقیقی برای هر روز از
آزمایش‌ها در نظرداشت. با این حال، هنوز هم به درستی نمی‌دانیم که آیا او حقیقتاً
توانست انرژی الکتریکی را در مقیاس بزرگی از توان و در فاصله‌های چندین کیلومتری با
بازدهی خوب منتقل کند یا نه؟ دو رهیافت عمده توسط خود او گزارش شده و فقط به شکل
کلی از آن‌ها خبر داریم: انتقال بی‌سیم برق از طریق رسانش زمین (که تسلا خود آن را
ثابت کرد) و انتقال از راه لایه یونیسفر جو. یونیسفر بالاترین لایه اتمسفر است که
به خاطر تماس دائمش با پرتوهای خورشیدی و کیهانی، از اتم‌های یونیزه‌شده و
الکترون‌های پرانرژی تشکیل‌شده و در حقیقت، در فاز پلاسمایی است. از این لایه
امروزه برای فرستادن امواج رادیویی در فواصل دور استفاده می‌شود. ایده تسلا آن بود
که امواجی الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار بسیار پایین را در ناحیه میان سطح زمین و
لایه یونیسفر ارسال کند. او فرکانس تشدید این ناحیه را حدود هشت هرتز محاسبه
کرده‌بود. سال‌ها بعد، در دهه ۱۹۵۰، این فرکانس دوباره محاسبه شد و باعث شد توجه
دوباره‌ای به آثار تسلا جلب شود. ایده تسلا جهانی بود. او به دنبال راهی برای
رساندن انرژی الکتریکی به تمام نقاط کره زمین با استفاده از یونیسفر
بود.
گفته می‌شود،
تسلا موفق شد در سال ۱۸۹۹ در پایگاه خود در کلرادو اسپرینگز، انرژی الکتریکی را به
شکل جریانی با فرکانس بالا و ولتاژی به بزرگی یک‌صد‌میلیون ولت در فاصله‌ای ۲۶
مایلی منتقل کند. رهیافت او در این آزمایش، استفاده از رسانش زمین در فرکانس تشدید
آن بود. براساس این روایت، تسلا برای این کار از سیم‌پیچ عظیم درون برج مشهورش
استفاده کرد و ۲۶ مایل دورتر، توانست دویست لامپ را به این شکل در کنار هم روشن
کرده و یک موتور الکتریکی را به کار اندازد. باز هم بر مبنای همین روایت، تسلا ادعا
می‌کرد که فقط پنج درصد اتلاف انرژی در این شیوه وجود داشته‌است. با این همه، در
همان زمان بودجه او تمام شد و مجبور شد دوباره به دنبال سرمایه‌گذارهایی جدید
بگردد. تسلا در ژانویه ۱۹۰۰ کلرادو اسپرینگز را ترک کرد. آزمایشگاهش در آنجا بسته
شد و تجهیزاتش را فروخت تا قرض‌هایش را بپردازد. اما در این زمان آماده بود تا
پروژه بعدی خود را در این راه آغاز کند.
جی‌پی‌مورگان
قبول کرد، از پروژه تسلا پشتیبانی کند و ۱۵۰ هزار دلار روی طرح سرمایه گذاشت. پس از
آن، ساخت سازه‌ای بزرگ و افسانه‌ای در Wardenclyffe در لانگ‌آیلند آغاز شد و
تقریباً تا مرحله تکمیل سازه نیز پیش رفت. این سازه شبکه بزرگی از چوب بود که
کلاهکی مانند قارچ بر سر آن نصب شده بود و بیش از شصت متر ارتفاع داشت. برج
Wardenclyffe برای دو منظور متفاوت بنا شده‌بود: ارتباطات رادیویی و انتقال برق به
شکل بی‌سیم با بهره‌گیری از یونیسفر. اما مورگان به ناگاه در سال ۱۹۰۴ پشتیبانی
خود را قطع کرد. گفته می‌شود، دلیل این تصمیمش آن بود که سودی اقتصادی در برق‌رسانی
بی‌سیم به تمام نقاط دنیا نمی‌دید. سایر سرمایه‌گذاران پروژه نیز پشتیبانی خود را
قطع کردند و تلاش تسلا برای ادامه کارش در برج Wardenclyffe پس از چند سال کش و
قوس، درنهایت به شکست انجامید. کل این سازه در سال ۱۹۱۷ و در جریان جنگ جهانی اول،
به دستور دولت وقت امریکا با دینامیت منهدم شد. در آن زمان این واهمه وجود داشت که
جاسوسان آلمانی از این برج برای مقاصد ارتباطی خود استفاده کنند.
شکل 6- قطاری شهری در نیوزلند که برق مورد نیاز خود را به شکل بی‌سیم با القای تشدیدی و بر پایه فناوری توسعه یافته در گروه John Boys دریافت می‌کند.
در حقیقت،
دستاوردهای تسلا در برق بی‌سیم، همچون برخی دیگر از ابداعات او امروزه حالتی
رمزآلود و گنگ دارند. جدا از منافع شرکت‌های تولید انرژی در حفظ‌کردن شیوه کنونی
انتقال نیرو، شاید یک دلیل رمزآلودگی میراث تسلا، برخی اختراع‌های نظامی او باشد که
ساز و کار آن‌ها در ظاهر به طرح‌های انتقال انرژی بی‌سیم او بی‌ربط نبوده‌است. گفته
شده که تسلا بیش از هشتاد صندوق داشته که حاوی اسناد و نقشه‌های مربوط به
آزمایش‌های او بوده و در مکان‌های مختلفی قرار داشتند. برخی از این مدارک هنوز هم
گم‌شده محسوب می‌شوند. اگر ایده برق‌رسانی بی‌سیم در سطح جهانی روزی تحقق یابد، حتی
اگر بر مبنای شیوه‌ای اساساً متفاوت از ر‌هیافت‌های تسلا باشد، باید تسلا را دست‌کم
از نظر معنوی طلایه‌دار و انگیزاننده آن دانست
