Vorwort

Das neue Tesla-Buch steht unter dem Schwerpunkt „Strom ohne Batterie und Kabel” und gliedert sich in mehrere interessante Experimente und Themenbereiche wie z. B.

–  Energieübertragung nach Tesla mit bis zu 100 Watt übertragener Leistung

–  Röhrenbetriebener Tesla-Hochleistungsgenerator

–  Exotische Tesla-Anwendungen, wie z. B. ein Schiffsmodell ohne Kabel und Batterie oder ein ferngesteuertes Teelicht

–  Betrachtungen zur Gravitation für Hobby-Wissenschaftler

–  Der Resonanzeffekt als Motor erfolgreicher Experimente

Es ist unübersehbar, dass die Ideen Teslas noch nach 100 Jahren in modernste Techniken mit einfließen. Dies betrifft in erster Linie die drahtlose Energieübertragung und die Telekommunikationstechnik. Dabei ist es bedauerlich, dass Tesla außerhalb der Fachwelt weitgehend unbekannt ist.

Das Buch soll damit beitragen, Tesla als genialem Experimentator ein bescheidenes Denkmal zu setzen.

Inhaltsverzeichnis

1Demo-Modell einer drahtlosen Energieübertragung mittels zweier Spulen bei f₀ = 13.6 kHz

2Energieübertragung nach Tesla mit 100 Watt übertragener Leistung bei f₀ = 30 kHz

3Drahtloses Tesla-Boot

4Tesla-Röhrengenerator ohne Funkenstrecke bei f₀ = 191 kHz (Meißner-Oszillator)

5Das Tesla-Teelicht

6Die wandernde Tesla-Lichtwelle in der Leuchtstoffröhre

7Tesla-Generator mit der Röhre PL504

8Experimente mit Magnetrons

9Antigravitation

10Experimentelle Erforschung von Fernwirkungen

Anhang

11Resonanz überall - Grundlagen und Beispiele

12Literatur

1Demo-Modell einer drahtlosen Energieübertragung mittels zweier Spulen bei f₀ = 13.6 kHz

Warum kann man Strom eigentlich nicht funken? Eine Frage, die sich bereits Nikola Tesla stellte, der vor mehr als hundert Jahren vergeblich an der drahtlosen Übertragung elektrischer Energie forschte. Als eines der Hauptprobleme entpuppte sich die Natur elektromagnetischer Wellen. Nur im Nahfeld eines Senders lässt sich eine bemerkenswerte Energiemenge übertragen. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, dass Sender und Empfänger miteinander in Resonanz sind.

Forscher vom MIT in den USA haben eine Lampe ohne Stromanschluss zum Leuchten gebracht. Sie nutzten dafür das Resonanzphänomen, ähnlich dem „Zersingen” von Gläsern. Trifft ein Opernsänger mit seiner Stimmhöhe die Eigenfrequenz eines Glases, zerbricht es. Vergleichbar funktioniert die kabellose Lampe vom Massachusetts Institute of Technology. Eine Spule, die als Sender dient, erzeugt elektromagnetische Wellen. Eine Empfangsspule schwingt auf der gleichen Frequenz wie die Sendespule. Die Empfangsspule entzieht der Sendespule Energie. Die entzogene Energie lässt eine Glühlampe aufleuchten.

Eine derartige Technik mit dem Namen „WiTricity” (Wireless Electricity) könnte die Kabel bei vielen elektrischen Geräten bald überflüssig machen.

Abb. 1 zeigt das Prinzip der drahtlosen Energieübertragung. Der Sender (links) überträgt elektromagnetische Wellen an einen Empfänger (rechts) und lässt die Glühlampe leuchten.

Prinzipiell kann man mit den Wellen zwar Energie übertragen. Sie breiten sich jedoch in alle Richtungen aus, wodurch die Effizienz extrem klein wird.

Wissenschaftler glauben nun, dem Traum Teslas ein großes Stück näher gekommen zu sein: Marin Soljacic und seine Kollegen konnten eine 60-W-Lampe aus 2 m Entfernung mit Strom versorgen, ohne dazu eine Leitung legen zu müssen. Stattdessen nutzten sie die sogenannte magnetische Resonanz im Nahfeld. „Es war sehr aufregend”, sagte Soljacic. Der Versuch sei „sehr gut reproduzierbar”. Man habe eine Effizienz von 40 Prozent erreicht, berichten die Forscher im Wissenschaftsmagazin „Science”.

Hohe Effizienz, simpler Aufbau

Der Versuchsaufbau ist simpel: Im Abstand von 2 m hängen zwei große Kupferspiralen. Durch die eine Spule fließt Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 10 MHz. Die Energie des magnetischen Nahfelds kann von der anderen Spule angezapft werden.

„Dass man Energie aus dem Nahfeld entnehmen kann, ist schon länger bekannt”, sagte Jürgen Haase, Festkörperphysiker an der Universität Leipzig. Um die magnetische Resonanz zu nutzen, müsse man jedoch sehr nah an die Quelle heran, und zwar dichter als die Wellenlänge. Bei der von den MIT-Forschern genutzten Frequenz sind das nur wenige Meter.

Das Verfahren lässt sich sehr gut mit einem Resonanzexperiment eines Opernsängers vergleichen. Wenn dieser in einem Raum einen bestimmten Ton singt, in dem Hunderte identische, aber unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllte Weingläser stehen, dann kann ein einzelnes Glas zur Resonanz gebracht werden und sogar zerspringen. Die anderen Gläser nehmen hingegen kaum Energie aus den akustischen Wellen auf, weil ihre Eigenfrequenz nicht zu der Schallfrequenz passt.

Auf jede Spule passt ein Resonator

Genauso funktioniert die magnetische Resonanz im Nahfeld: Energie kann aus dem Feld nur entnommen werden, wenn ein Resonator ins Spiel kommt. Die MIT-Forscher haben den Aufbau der Kupferspulen natürlich genau so konzipiert, dass es zur Resonanz kommt. „Man kann aus dem Wechselfeld nur Energie entnehmen, wenn man einen zur Frequenz passenden Resonator hat”, sagte Haase. Eine anders gebaute Spule kann das magnetische Wechselfeld deshalb nicht nutzen – somit geht auch keine Energie verloren.

Ein Vorteil der genutzten Frequenz von 9 bis 10 MHz sei, so der Leipziger Physiker, dass das Feld nicht tief in den menschlichen Körper eindringe. Soljacic und seine MITKollegen betonen genau aus diesem Grund, dass der Aufenthalt in dem hochfrequenten Magnetfeld für Menschen und Tiere sicher sei. Bei den Experimenten hätten auch Kreditkarten, Handys und andere elektrische Geräte keinerlei Schaden genommen. Allerdings müssten die Wechselwirkungen des Felds noch genauer untersucht werden, betonten die Wissenschaftler.

Die Wissenschaftler haben längst eine klare Vision, wie ihr Verfahren künftig genutzt werden soll: Laptops könnten drahtlos aufgeladen werden – oder aber ganz ohne Akkus funktionieren, deren Produktion und Entsorgung ohnehin eine Belastung für die Umwelt darstellten. Stattdessen würden die Rechner ihren Strom aus dem magnetischen Feld im Raum beziehen.

Doch nun genug der Vorrede. In Abb. 2 ist die Schaltung eines niederfrequenten Senders mit einer Resonanzfrequenz von f₀ = 13,6 kHz angegeben. In einigem Abstand von der Sendespule kann sowohl ein Fahrradbirnchen mit 6 V/2,4 W als auch eine 230-V/25-W-Lampe betrieben werden. Beide Lampenarten brauchen, um in Resonanz zu kommen, parallel geschaltete Kondensatoren von 10 µF/50 V und 3 x 5 nF/1.500 V. Mit dem 100-kΩ-Potentiometer kann für jede Lampe Resonanz und damit die größte Helligkeit eingestellt werden. Die MOSFET-Transistoren sollten mit Kühlkörpern versehen werden.

In Abb. 3 ist der Versuchsaufbau mit der Sendespule und der übergeordneten Empfangsspule inklusive 6-V/2.4-W-Birnchen zu sehen. Um die 230-V/25-W-Lampe zum Leuchten zu bringen, müssen auf die Papprolle etwa 356 Windungen gewickelt werden. Der komplette Aufbau der 230-V-Version ist in Abb. 4 zu sehen.

Einen Blick in den Schaltungsaufbau ermöglicht Abb. 5. Die beiden schwarzen 12-V-Akkus sind im unteren Bildbereich zu sehen. Links neben dem Amperemeter sind die mit Kühlkörpern versehenen MOSFET-Transistoren IRF 540 IF deutlich sichtbar. Ein kleiner 12-V-Lüfter sorgt für zusätzliche Kühlung. Weitere Fragen zum Versuchsaufbau werden vom Autor gerne beantwortet.

2Energieübertragung nach Tesla mit 100 Watt übertragener Leistung bei f₀ = 30 kHz

Bevor wir uns diesem Experiment zuwenden, wollen wir einige theoretische Fragen zu energieabsorbierenden Funkantennen erörtern. Es geht um kleine Antennen, die große elektromagnetische Wellen absorbieren können.

Nehmen wir als Beispiel Folgendes an: Der Sender ist ein Zeilentrafo, der bei 30 kHz mit 30 kV arbeitet. Der Empfänger ist eine völlig identische Vorrichtung. An beiden Transformatoren wird eine kleine vertikale Antenne angebracht. Wie viel Energie kann der Empfänger nun vom Sender extrahieren? Wenn die Antenne des Senders 10 pF zur Erde aufweist, dann trägt sie, wenn sie geladen ist, die Energie 1/2 CU², also 4.5 mJ. Der Sender lädt und entlädt elektromagnetische Energie von 270 W 30.000-mal pro Sekunde. Wenn der Empfänger jeden 4.5-mJ-Impuls aus den Feldern „saugen” könnte, könnte er höchstens 270 W extrahieren, falls der Zeilentransformator den Strom handhaben kann.

Eine bessere Schätzung ergibt sich aus dem Verbinden der zwei Antennen mit einem Kondensator. Es wird angenommen, dass die Kapazität zwischen den Antennen 1 pF beträgt. Wenn der Lastwiderstand des Empfängers die Resonanzspannung am Empfänger auf einen Wert ansteigen lässt, der 1.414-mal kleiner als die Senderspannung ist, dann liegt ein einfacher Spannungsteiler vor, 30 kV an der Senderantenne, 21 kV am Empfänger. Bei so hohen Spannungen wird das eine Picofarad zwischen den Antennen ein signifikanter Leiter. Der Empfänger kann 35 W ziehen. Wenn es keine Last am Empfänger gibt, würde die Spannung sogar ansteigen, bis sie in der Nähe von 30 kV liegt. Um 35 W aus dem freien Raum zu ziehen, wird eine Sekundärwicklung auf den Kern des empfangenden Zeilentransformators gewickelt und eine Glühlampe angeschlossen.

Falls Tesla einen 1-MW-Sender bei 5 kHz verwendet hat, konnte er wahrscheinlich einige Glühlampen aus 100 km Entfernung zum Leuchten bringen.

Dies ermöglicht im Idealfall, dass 2.500 W empfangen werden. Angenommen, es wird bei 100 Hz gesendet. Die Wellenlänge beträgt 3.000 km, wobei sich der Empfänger wahrscheinlich im Nahfeldbereich des Senders befindet, deshalb kann er einen signifikanten Teil der Energie erfassen. Glaubte Tesla nicht, dass niedrigere Funkfrequenzen besser als hohe Funkfrequenzen wären? Für die Resonanzleistungsübertragung sind sie es, weil die Nahfeldzone einer resonanten Empfangsantenne bei einer niedrigen Frequenz größer ist, gleichwohl bei nicht weniger Leistung vom Sender und nicht weniger an der Antenne vorbeifließender Leistung. Eine kleine Niederfrequenz-Resonatorspule ist „größer”, deshalb fängt sie mehr Strahlung auf.

Nichts davon berücksichtigt jedoch den Schumann-Resonator. Wenn die VLF-Funkwellen nicht aus der Atmosphäre entkommen können, dann gilt das inverse quadratische Gesetz nicht länger, wobei die elektromagnetischen Wellen in der Nähe des Empfängers viel stärker sind. Wenn die VLF-Wellen innerhalb des atmosphärischen Resonators gefangen bleiben, dann könnte eine ideale energieabsorbierende Antenne die gesamte Energie des Senders einfangen.

Für Funkempfänger mit rauscharmen Verstärkern wird das ganze Problem unwichtig. Wenn die Antenne zu klein ist, kann das Signal einfach verstärkt werden. Wenn aber Motoren an drahtloser Leistung betrieben werden sollen, ist Funk mit 1 kHz viel besser als mit 1 MHz.

Doch nun zum Experiment 2: Sender und Empfänger arbeiten hier mit jeweils vier Zeilentrafos. Bei f₀ = 30 kHz lassen sich 100 W auf den Empfänger übertragen. Zur Kontrolle dient eine 12-V/100-W-Halogenlampe. In Abb. 6 wird die komplette Schaltung, bestehend aus dem Sender und dem 100-W-Empfänger, gezeigt. Um die Leistung von 100 W zu übertragen, muss zwischen Punkt A und Punkt B eine leitende Verbindung vorhanden sein. Dafür eignet sich auch ein Bindfaden mit einer Stahlseele von 0,04 mm Durchmesser, und dies, obwohl der Widerstand der Stahlseele fast 1 kΩ pro Meter beträgt. Diese Energieübertragung funktioniert bis auf Entfernungen von 2 bis 3 m. Die Punkte A und B dürfen dabei keinesfalls mit dem Schutzleiter einer 230-V-Steckdose verbunden werden. In diesem Fall kommt keine Energieübertragung mehr zustande. Es wäre auch zu schön gewesen, wenn man an jeder Antenne gegen Schutzleiter Energie hätte abzapfen können. In Abb. 7 ist die Gesamtanordnung des Experiments 2 zu sehen. Das einadrige Kabel vom Sender zum Empfänger ist rechts im Bild zu sehen. Abb. 8 zeigt einen detaillierten Blick auf den Sender. Deutlich sichtbar sind die vier Zeilentrafos N3 bis N6 und die mittig angeordnete bifilar gewickelte Spuleneinheit N1/N2. Ein 12-V/17-Ah-Bleiakku versorgt den Sender mit Strom. Links in Abb. 8 ist der SG 3525-Rechteckgenerator mit den zwei auf Kühlkörper gesetzten MOSFETs zu sehen. Der aufgeklappte Empfänger in Abb. 9 besteht aus den Zeilentrafo-Spulen N7 bis N10. Die Auskoppelspule N11 befindet sich zwischen den vier Zeilentrafo-Spulen. Links unten am Tragegriff ist die 12-V/100-W-Halogenlampe zu sehen.

3Drahtloses Tesla-Boot

Eine interessante Tesla-Applikation ist in Abb. 10 dargestellt. Einem kleinen Spielzeugboot soll die Antriebsenergie drahtlos zugesandt werden. Als „Erdleitung” dienen zwei in Salzwasser eingetauchte Kupferfolien. Der Ausgang eines Gegentaktoszillators wird auf einen CB-Nachbrenner (gibt es vereinzelt noch im Internet zu kaufen!) geführt. Von dort wird ein Resonanzkreis zum Schwingen angeregt. Über die Luft und die ins Wasser getauchten Kupferfolien wird die Energie auf einen Empfangsschwingkreis übertragen. Von dort wird ein Teil der HF-Energie mit Schottky-Dioden gleichgerichtet und auf den Antriebsmotor des Tesla-Bootes gegeben. Das Boot hat keine Batterie. Es empfängt die Energie über eine kleine mit Metallfolie überzogene Styroporkugel und das Salzwasser.

Abb. 11Abb. 13Abb. 11Abb. 12Abb. 13