Come funziona la turbina Tesla

Un ragazzo guarda una barca radiocomandata nella città di Smiljan, in Croazia, città natale di Nikola Tesla. Nelle vicinanze si trova una turbina a ruota idraulica senza lama progettata da Tesla. Lo stesso principio alimenta il suo famoso motore a turbina. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

La maggior parte delle persone conosce Nikola Tesla, l'eccentrico e brillante uomo arrivato 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 aziende. Ma Tesla era un inventore prodigioso che ha applicato il suo genio a una vasta gamma di problemi pratici. Nel complesso, deteneva 272 brevetti in 25 paesi, con 112 brevetti solo negli Stati Uniti. Si potrebbe 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 al suo cuore. Ma nel 1913 Tesla ricevette un brevetto per quella che definì la sua invenzione più importante. Quell'invenzione era una turbina, conosciuta oggi come turbina Tesla, turbina dello strato limite o turbina a disco piatto.

È interessante notare che l'uso della 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 delle ventole, attaccate ad essa. In effetti, il dizionario Webster definisce una turbina come un motore fatto girare dalla forza del gas o dell'acqua sulle pale del ventilatore. Ma la turbina Tesla non ha pale. Ha una serie di dischi paralleli strettamente imballati 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 ruotano, il che a sua volta fa ruotare l'albero. Questo movimento rotatorio può essere utilizzato in vari modi, dall'alimentazione di pompe, soffianti e compressori alla corsa di automobili e aeroplani. In effetti, Tesla affermò che la turbina era il motore rotativo più efficiente e dal design 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 corrente alternata? 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 pagina successiva, avremo un'idea migliore del problema specifico che Tesla sperava di risolvere con la sua nuova invenzione.

Contenuti

1. Il motore a turbina Tesla
2. Parti della turbina Tesla
3. Funzionamento della turbina Tesla
4. Ostacoli alla commercializzazione delle turbine Tesla
5. Il futuro della turbina Tesla

Le turbine eoliche, come queste a Palm Springs, in California, sono esempi di altre turbine utilizzate per generare elettricità. A differenza del modello di Tesla, queste sono turbine a lame. David McNew / Getty Images

Il 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: turbine a lame, azionate da acqua in movimento o vapore generato dall'acqua riscaldata, e motori a pistoni, azionati da 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 che erano difficili e richiedeva tempo da costruire.

Considera un pistone come esempio. Un pistone è un pezzo di metallo cilindrico che si muove su e giù, solitamente 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 complesso.

Le turbine a pale avevano meno parti mobili, ma presentavano i loro problemi. La maggior parte erano enormi pezzi di macchinari con tolleranze molto strette. Se non sono costruite correttamente, le lame potrebbero rompersi o incrinarsi. In effetti, è stata un'osservazione fatta in un cantiere navale che ha ispirato Tesla a concepire qualcosa di meglio: "Ho ricordato i bushel di pale rotte che erano stati raccolti dagli involucri delle turbine del primo piroscafo dotato di turbina ad attraversare l'oceano, e ho realizzato l'importanza di questo [nuovo motore] "[fonte: The New York City Herald Tribune].

Il nuovo motore di Tesla era una turbina senza lama, che avrebbe comunque utilizzato un fluido come veicolo di energia, ma sarebbe stato molto più efficiente nel convertire l'energia del fluido in movimento. Contrariamente alla credenza popolare, non ha inventato la turbina senza lama, 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 in realtà ha ricevuto tre brevetti relativi alla macchina:

• Brevetto numero 1.061.142, "Fluid Propulsion", depositato il 21 ottobre 1909 e brevettato il 6 maggio 1913
• Brevetto numero 1.061.206, "Turbine", depositato il 17 gennaio 1911 e brevettato il 6 maggio 1913
• Brevetto numero 1.329.559, "Valvular Conduit", depositato il 21 febbraio 1916, rinnovato il 18 luglio 1919 e brevettato il 3 febbraio 1920

Nel primo brevetto, Tesla ha introdotto il suo design 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 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.

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Rispetto a un pistone o un motore a vapore, la turbina Tesla è la semplicità stessa. In effetti, Tesla lo descrisse in questo modo in un'intervista che apparve sul New York Herald Tribune il 15 ottobre 1911: "Tutto ciò che serve sono dei dischi montati su un albero, distanziati di poco 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 uno sguardo alle due parti fondamentali della turbina - il rotore e lo statore - in maggiore dettaglio.

Il rotore

In una turbina tradizionale, il rotore è un albero con le 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 correlati a una particolare applicazione. La documentazione del brevetto di Tesla non definisce un numero specifico, ma utilizza una descrizione più generale, dicendo che il rotore dovrebbe contenere una "pluralità" di dischi con un "diametro adeguato". Come vedremo più avanti, 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 porte 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.

Lo statore

Il gruppo rotore è alloggiato all'interno di uno statore cilindrico, o la parte fissa della turbina. Per accogliere il rotore, il diametro della camera interna del cilindro deve essere leggermente più grande dei dischi del rotore stessi. Ogni estremità dello statore contiene un cuscinetto per l'albero. Lo statore contiene anche uno o due ingressi, in cui sono inseriti gli ugelli. Il design originale di Tesla richiedeva due ingressi, che consentivano alla turbina di funzionare 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 porte di scarico al centro della turbina.

Una delle grandi cose della turbina Tesla è la sua semplicità. Può essere costruito con materiali prontamente 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 dettagliato per costruire un ventilatore utilizzando un design di turbina Tesla realizzato in cartone!

Ma esattamente come fa una serie di dischi a generare il moto rotatorio che ci aspettiamo da una turbina? Questa è la domanda che tratteremo nella prossima sezione.

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Potresti chiederti come l'energia di un fluido possa far ruotare un disco di metallo. Dopo tutto, 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 può essere trovato in due proprietà fondamentali di tutti i fluidi: adesione e viscosità. L'adesione è la tendenza di molecole dissimili ad aderire tra loro a causa di forze attrattive. La viscosità è la resistenza di una sostanza al flusso. Queste due proprietà lavorano insieme nella turbina Tesla per trasferire energia dal fluido al rotore o viceversa. Ecco come:

1. Quando il fluido si sposta oltre ogni disco, le forze adesive fanno sì che le molecole del fluido appena sopra la superficie metallica rallentino e aderiscano.
2. Le molecole appena sopra quelle in superficie rallentano quando entrano in collisione con le molecole attaccate alla superficie.
3. Queste molecole a loro volta rallentano il flusso appena sopra di loro.
4. Più ci si allontana dalla superficie, minori sono le collisioni interessate dalla superficie dell'oggetto.
5. Allo stesso tempo, le forze viscose fanno sì che le molecole del fluido resistano alla separazione.
6. Questo genera una forza di trazione che viene trasmessa al disco, provocando il movimento del disco nella direzione del fluido.

Il sottile strato di fluido che interagisce con la superficie del disco in questo modo 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 pale, subisce cambiamenti graduali di velocità e direzione. Ciò significa che più energia viene fornita alla turbina. In effetti, Tesla dichiarò 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 realizzata così facilmente nei modelli di produzione.

Lo strato limite: è una vera resistenza

L'effetto del livello 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 forze sia adesive che viscose. Quando l'aria si attacca alla superficie dell'ala, produce una forza che resiste al movimento in avanti dell'aereo.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, così come molti scienziati e industriali contemporanei, credevano che la sua nuova turbina fosse rivoluzionaria sulla base di una serie di attributi. Era piccolo e facile da produrre. 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 renderebbe difficile lo sviluppo continuo della macchina. Il rotore ha raggiunto velocità così elevate - 35.000 giri al minuto (rpm) - che i dischi metallici 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 sviluppa 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.

Sostenuto da questi successi su piccola scala, Tesla costruì una doppia unità più grande, che aveva intenzione di testare a vapore nella centrale elettrica principale della New York Edison Company. Ogni turbina aveva un rotore che porta dischi di 18 pollici (45,7 centimetri) di diametro. Le due turbine sono state poste in linea su un'unica base. Durante il test, Tesla è stata in grado di raggiungere 9.000 giri al minuto e generare 200 cavalli. Tuttavia, alcuni ingegneri presenti al test, fedeli ad Edison, hanno affermato che la turbina era un guasto sulla base di un malinteso su come misurare la coppia nella nuova macchina. Questa cattiva stampa, combinata con il fatto che le principali compagnie elettriche avevano già investito molto in turbine a pale, ha reso difficile per Tesla attirare investitori.

Nell'ultimo tentativo di Tesla di commercializzare la sua invenzione, persuase 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 rpm. Il terzo aveva 15 dischi da 60 pollici (1,5 metri) di diametro ed era progettato per funzionare a 3.600 giri / min, generando 675 cavalli di potenza. 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 distorti 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 presso l'Arizona State University, ha creato una versione della turbina Tesla che funzionava al 41% di efficienza. Alcuni hanno sostenuto che il modello di Rice deviava dalle specifiche esatte di Tesla. Ma la Rice, esperta in fluidodinamica e turbina Tesla, ha condotto una revisione della letteratura della ricerca fino agli anni '90 e ha scoperto che nessuna versione moderna dell'invenzione di Tesla supera il 30-40 percento 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 supportandola. Se la turbina Tesla non è di un ordine di grandezza superiore, allora lo sarebbe versare soldi nel buco del topo perché l'industria non verrà rovesciata così facilmente ... "[fonte: Cheney].

Allora, dove va a finire la turbina Tesla oggi? Come vedremo nella prossima sezione, ingegneri e progettisti automobilistici stanno nuovamente rivolgendo la loro attenzione a questa tecnologia vecchia di 100 anni.

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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 raggiunto un'efficienza superiore al 27-28% nella conversione del carburante in lavoro. Anche a tassi di efficienza del 40 percento, Tesla ha visto la sua turbina come un miglioramento. Ha persino progettato, sulla carta, un'automobile a turbina, che secondo lui sarebbe stata così efficiente da poter guidare attraverso gli Stati Uniti con un solo serbatoio di benzina.

Tesla non ha mai visto l'auto prodotta, ma oggi potrebbe essere gratificato nel vedere che la sua rivoluzionaria turbina viene 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 della turbina a disco con un combustore a detonazione a impulsi in un motore che secondo la società offre efficienze senza precedenti. Ci sono 29 dischi attivi, ciascuno di 10 pollici (25,4 centimetri) di diametro, inseriti tra due dischi terminali rastremati. 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 con Kevlar.

Chiaramente, questi materiali più resistenti e durevoli sono fondamentali se la turbina Tesla avrà successo commerciale. Se materiali come il Kevlar fossero stati disponibili durante la vita di Tesla, è abbastanza probabile che la turbina avrebbe visto un maggiore utilizzo. 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 pagina successiva.

L'auto elettrica di Nikola Tesla

Sebbene Tesla non abbia mai testato la sua turbina in un'auto, secondo alcuni ha sviluppato 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 al minuto invece di un motore a gas. Secondo la storia, Tesla assemblò una misteriosa scatola nera contenente tubi a vuoto, fili e resistenze. 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 una velocità di 90 miglia all'ora (145 chilometri all'ora). 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 mai stata vista di nuovo. Fino ad oggi, i principi di funzionamento fondamentali dell'auto elettrica di Tesla rimangono un mistero.

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• La rivoluzione industriale

Altri ottimi link

• Tesla: Master of Lightning su PBS
• Il sito Web del Museo Nikola Tesla
• La Fondazione Tesla del Nord America
• Tesla Engine Builders Association
• Articoli, brevetti e collegamenti su turbine / pompe a disco

fonti

• Allan, Sterling D. "Tesla Turbine: Engine of the 21st Century?" Notizie Pure Energy Systems. 14 aprile 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
• Cheney, Margaret. "Tesla: Man Out of Time" Simon & Schuster. New York. 1981.
• Articoli, brevetti e collegamenti su turbina / pompa a disco http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
• Encyclopedia Britannica 2005. "Tesla, Nikola". CD-ROM, 2005.
• Gingery, Vincent R., Gingery, David J. "Building the Tesla Turbine" David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
• Germano, Frank. "Nikola Tesla's Disk Turbine" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "The Cool Scientist: Tesla's Turbine." Saipan Tribune. 13 maggio 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Sistemi di alimentazione a turbina laser. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
• "L'auto da turismo" Black Magic "di Nikola Tesla." EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
• PBS. "Tesla: Master of Lightning." http://www.pbs.org/tesla/
• Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
• Tesla Engine Builders Association http://www.teslaengine.org/main.html
• Libri del ventunesimo secolo http://www.tfcbooks.com/default.htm
• World Book 2005. "Tesla, Nikola".