Miért nem lehet vezeték nélkül továbbítani az elektromosságot?

Nikola Teslának, a zseniális fizikusnak és feltalálónak száz évvel ezelőtt volt egy hatalmas álma: rájönni, hogyan lehetne az elektromos áramot a levegőn keresztül továbbítani, hogy az emberiség örökre elfelejthesse a vezetékeket és a konnektorokat.

Ha ez az elképzelés sikerrel járt volna, az emberiség dollármilliárdokat és több milliárd tonna acélt spórolt volna meg. De vajon miért nem váltották még valóra Tesla álmát a modern tudósok, akik az elmúlt évszázadban már megszámlálhatatlanul sok mindent kiderítettek az elektromosság természetéről? Egy kutató most lerántja a leplet.

Már az általános iskolai fizikaórákról is tudjuk, hogy az elektromos áram nem más, mint a töltéssel rendelkező részecskék rendezett mozgása. A fémekben ezek a szabad elektronok, a gázokban és folyadékokban pedig a szabad ionok. Ha egy ilyen töltéshordozókkal teli anyagot elektromos mezőbe helyezünk – vagyis az egyik végére pozitív, a másikra negatív töltést kapcsolunk –, ezen részecskék felhője azonnal megindul az elektromos mező hatásának irányába vagy épp azzal ellentétesen.

„A szilárd fémekben az elektronok kaotikusan mozognak a kristályrács csomópontjai közötti térben, amely rögzített helyzetű és az egyensúlyi állapotuk körül rezgő, elektrosztatikusan kötött atomokból áll. Az elektronok mozgás közben csak ritkán ütköznek az atomokkal, ezáltal alig veszítenek a sebességükből, vagy változtatják meg az irányukat. Folyadékokban és gázokban az ionok sokkal gyakrabban ütköznek, mivel ott hiányzik a határozott kristályszerkezet” – magyarázza Pavel Asztafjev fizikus.

Tehát egy fémvezetékben az elektromos áram nem más, mint a mínusztól a plusz felé áramló elektronfelhő. Sós vízben pedig a plusztól a mínusz felé (vagy éppen fordítva) áramló ionfelhő – attól függően, hogy az adott ion milyen töltésű. Mint tudjuk: a pozitívakat kationoknak, a negatívakat anionoknak hívjuk.

Ráadásul a pluszt és a mínuszt akár másodpercenként is fel lehet cserélni: ekkor a részecskék mozgásiránya ugyan megváltozik, de az általuk szállított energia mennyisége nem függ az iránytól. Amikor pedig egy vezeték túlságosan hosszúvá válik, az elektromos áramnak ez a sajátossága kifejezetten hasznossá válik.

„Amíg az elektronok haladnak a vezetéken keresztül, elkerülhetetlenül ütköznek az atomokkal, emiatt lelassulnak vagy irányt váltanak. Minél hosszabb a vezeték, annál több az ütközés, és annál nagyobb az ellenállás az elektronok mozgásával szemben. Éppen ezért, ha egy hosszú vezetőben ugyanolyan egyenáramot akarnánk létrehozni, mint egy rövidben, sokkal nagyobb feszültséget kellene a vezeték végeire kapcsolni, és rengeteg energia veszne kárba. Ha viszont az elektronfelhő irányát időről időre megfordítjuk, lerövidül az elektronok által megtett út, így az ellenállás és az energiaveszteség is kisebb lesz. Ezért használunk a mindennapi életben – a nagy távolságokra történő energiaátvitelnél – váltakozó áramot, mert sokkal hatékonyabb” – teszi hozzá a szakértő.

A valóságban azonban számos háztartási gépünk, különösen a mikrochippel rendelkezők, kizárólag egyenárammal működnek. A váltakozó áram használata sokszor kényelmetlen, néha egyenesen lehetetlen, ráadásul nehéz más energiaformákká alakítani. Emiatt sok készülékben találunk váltakozó áramot egyenárammá alakító konvertert. Ilyenek például a LED-lámpák is, mivel a LED-ek a hagyományos izzókkal ellentétben csak egyenárammal hajlandók világítani.

A vezetékekben tehát nem az elektromágneses hullám az energiahordozó, hanem maguk az elektronok. Mielőtt áttérnénk a hullámokra, érdemes megnézni: vajon rá lehet-e venni az elektronokat arra, hogy szabad térben mozogjanak?

„Léteznek olyan eszközök, amelyek hasonló elven működnek, ilyenek például az elektroncsövek. Ezek lezárt üveghengerek, amelyeknek két oldalán elektródák találhatók; a levegőt kiszivattyúzták belőlük, és ritkított gázzal töltötték fel őket. A töltött részecskék az üveghenger egyik végéből indulnak, és a külső mező hatására, a ritka közegen keresztül átrepülnek a másikra. Hasonló elven működött a régi, dobozos tévék képcsöve is” – mutat rá Asztafjev.

Nagy távolságokon viszont a töltött részecskék nyalábja egyszerűen szétszóródna a levegő atomjain, és esélye sem lenne eljutni a fogadó elektródáig. Ráadásul ha a fogadó elektróda közelében akad egy másik, erősebben töltött elektróda is, az elektronok vagy ionok azonnal afelé kezdenének repülni. Az elektromos áram tehát anyagi hordozók által szállított energia – annak minden velejáró nyűgével és problémájával együtt.

Az elektromágneses hullámok viszont teljesen más lapra tartoznak: bizonyos szempontból már nevezhetjük őket „tiszta energiának”, amelyeket ráadásul irányítottan is továbbíthatunk a levegőben. Ugyanakkor itt is akadnak bőven nehézségek.

„Az elektromágneses hullám is csillapodik a közegben, bár fizikai szempontból picit más okok miatt. Képletesen így magyarázhatnánk: az elektromágneses hullám változó elektromos és mágneses tere rezgésre, forgásra és mozgásra készteti annak a közegnek a töltött részecskéit, amelyben terjed. Emiatt a hullám energiája a közegben haladva folyamatosan elvész, részben a részecskék kinetikus energiájává, végső soron pedig szimpla hővé alakul” – fogalmaz a fizikus.

Aki járt már interaktív tudományos kiállításon, az valószínűleg a saját szemével is láthatta, ahogy az elektromosság a levegőn keresztül, mindenféle vezeték nélkül célba ér. Ezt a lenyűgöző jelenséget mutatja be a fénycsővel és a Tesla-tekerccsel végzett klasszikus kísérlet is.

Egy ilyen fénycső belsejében (a higany- vagy más fémgőzt is tartalmazó nemesgázban) az elektromágneses mező segítségével könnyedén lehet szabad ionokat létrehozni és elektromos kisülést kelteni. Amikor egy ilyen lámpát hagyományos módon, vezetékkel csatlakoztatnak, az ionizáció a lámpán belüli gázon keresztül, az egyik elektródáról a másikra mozgó elektronok révén jön létre. A Tesla-tekercs közelében viszont az ionizációt magának a tekercsnek a változó elektromágneses mezeje hozza létre.

Ez a mező azonban a távolság növekedésével drasztikusan gyengül, így a lámpa csak akkor gyullad fel, ha a tekercs közvetlen közelében van. Ráadásul az elektromágneses hullám energiája nem egy szűk nyalábban, hanem minden irányba szétterjed – azaz egy lámpa tekercs segítségével történő meggyújtásához többször annyi energiára van szükség, mintha egyszerűen bedugnánk a konnektorba.

„Emellett a rendkívül nagy teljesítményű elektromágneses hullámok súlyosan zavarhatják a hírközlő eszközöket, és az élő szervezetekre is káros hatással lehetnek. Nem véletlen, hogy az iparban nem használnak vezeték nélküli energiaátvitelt: a veszteségek a távolsággal ugrásszerűen nőnek, a hullámok fókuszálása pedig pokolian nehéz. Elvileg meg lehetne valósítani a vezeték nélküli energiaátvitelt egy keskeny, fókuszált nyalábbal (például lézerrel), de ez csakis légkör hiányában – mondjuk a világűrben vagy egy hold felszínén – lenne lehetséges” – mondja Asztafjev.

Nikola Tesla viszont pontosan a légkörön keresztül, méghozzá hatalmas távolságokra akart energiát továbbítani. Ennek a merész álomnak a megvalósítására kezdte el építeni 1901-ben a híres Wardenclyffe-tornyot. Az eredeti tervek szerint a torony elektromágneses hullámokat sugárzott volna, és feltöltött volna minden olyan eszközt a környéken, amely rendelkezett fogadó elektródával. A rádióhullám-tartományba eső elektromágneses hullámok azonban a terjedés során túl gyorsan elnyelődtek a közegben. Tesla nagyobb teljesítménnyel akarta folytatni a kísérletet, de menet közben teljesen elfogyott a pénze. Nem kizárt, hogy ha sikerül befejeznie a projektet, a Long Island-i üdülőövezet közelében magasodó torony egy olyan gigantikus Tesla-tekerccsé vált volna, amely még az arra járó nyaralókra is komoly veszélyt jelentett volna.

Természetesen eszünkbe se jusson azt hinni, hogy a Wardenclyffe-torony kudarca bármit is levon Nikola Tesla zsenialitásából. A legnagyobb tudósok sosem esnek kétségbe, ha egy-egy hipotézisük megdől a gyakorlatban. Teslának összesen több mint 700 találmánya és szabadalma volt, amelyek közül sok a modern elektromosság sziklaszilárd alapkövét jelenti.

Az internet sötétebb bugyraiban rendszeresen felbukkannak olyan összeesküvés-elméletek, miszerint Tesla vezeték nélküli árammal kapcsolatos kísérletei valójában óriási sikert arattak, csak egy titkos világkormány elrejti előlünk a technológiát, hogy továbbra is fizessünk a villanyszámláért. Ezen elméletek hívei szentül hiszik, hogy az elektromágneses hullám nem csillapodik a légkörben, hanem egy láthatatlan éteren keresztül a végtelenségig terjed.

„Az étert mint láthatatlan anyagot (folyadékot vagy gázt), amely az elektromágneses energiát hordozza, még René Descartes találta ki a 17. században az elektromágneses mező magyarázatára. Akkoriban James Clerk Maxwell modern elmélete és az elektromágneses hullámok fogalma még nem is létezett, így az emberek különféle kreatív módokon próbálták megmagyarázni a megfigyelt jelenségeket. Később rájöttek, hogy az elektromágneses mezők létezéséhez nincs szükség semmilyen anyagra, és a hullámok akár a tökéletes vákuumban is képesek terjedni. Ma az egész fizika Maxwell elméletén nyugszik. Minden modern technológia – a műholdaktól az okostelefonokon át egészen az internetig – ennek gyakorlati alkalmazásán alapul” – hangsúlyozza a szakértő.

Amint Maxwell és a többi zseniális tudós a 19. században felfedezte az elektromágneses hullámokat, egyből felmerült a kérdés: hol és mire lehetne ezt használni? A századfordulón Ernest Rutherford és más kutatók már nagyban dolgoztak az elektromágneses energia továbbítására szolgáló eszközökön.

És amíg Nikola Tesla minden idejét és pénzét a nagy teljesítményű elektromágneses berendezésekre áldozta, a többi tudós lassan rájött, hogy az energia vezeték nélküli továbbítása (legalábbis egyelőre) zsákutca. Arra viszont nagyon is rájöttek, hogy az elektromágneses hullámok tökéletesen alkalmasak információtovábbításra! Így született meg a vezeték nélküli kommunikáció, a rádió, a tévé és a Wi-Fi. Vezeték nélküli áramunk tehát továbbra sincs, de ha belegondolunk, mekkora pusztítást végezhetne egy rosszul fókuszált, szabadon kószáló energianyaláb, talán nem is baj, hogy így alakult.

Pavel Asztafjev szerint a közeljövőben az energia olcsóbbá válása nem valamilyen varázslatos, vezeték nélküli átvitelnek, hanem az új, forradalmi energiatároló eszközöknek lesz köszönhető. A zord időjárási körülmények között is bíráló, a töltést hihetetlenül sokáig megőrző, hatalmas kapacitású akkumulátorok hamarosan lehetővé teszik a sokkal hatékonyabb energiafelhasználást – a kutatók jelenleg is gőzerővel dolgoznak ezeken.

„A másik hatalmas ugrás a magfúziós technológia lehet. Jelenleg is épülnek olyan fúziós reaktorok (például a gigantikus, nemzetközi ITER-projekt), amelyek az ígéretek szerint az emberiség történetében először fognak pozitív nettó energiamérleget felmutatni. A fúziós energia azért is csodálatos, mert sokkal könnyebben szabályozható, nem termel rádióaktív hulladékot, és az előállításához végtelenül egyszerű üzemanyagra (például hidrogénre és lítiumra) van szükség – ellentétben a hagyományos atomerőművekkel, ahol uránt használnak” – meséli a fizikus.

Manapság a legnagyobb teljesítményt a vízerőművek nyújtják. Akadnak köztük 6400 MW-os óriások is, a világ rekorderének számító kínai Három-szurdok-gát kapacitása pedig az elképesztő 20 000 MW-ot is meghaladja.

A nagyon távoli jövőben pedig, amikor a Föld már minden könnyen hozzáférhető erőforrásából kifogy, a Nap marad az utolsó menedékünk. Persze ez egyelőre még inkább a sci-fi írók asztala. Felmerült például egy olyan futurisztikus ötlet, hogy a Nap körüli pályán naptükrök gigantikus raját hoznák létre. Ehhez persze egy egész bolygót (például a Merkúrt) szét kellene bontani nyersanyagként. Ezek a tükrök egyetlen pontba fókuszálnák a napfényt, amelynek energiáját aztán valahogyan elektromossággá alakítanák át.

A ma használt napenergiánk persze korántsem ennyire hatékony. Hiába a Nap a mi kimeríthetetlen energiaforrásunk, a szoláris állandó (vagyis a Föld felszínének egyetlen négyzetméterére jutó napsugárzás teljesítménye a légkört leszámítva) mindössze 1,3 kW.

„Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy ha a Föld körüli pályára állítanánk egy 1 négyzetméteres napelemet 80%-hoz közeli hatásfokkal, nagyjából 1 kW-ot nyernénk. Ez pont egy átlagos porszívó működtetésére elég. Ha 2,3 millió ilyen panelt lőnénk fel – ami egy nagyjából 4000 MW energiát termelő, 230 hektáros atomerőmű területének felel meg –, akkor összesen alig 2300 MW energiát kapnánk. Vagyis feleannyit, mint egy atomerőműtől, ami rengeteg pénzért és energiáért cserébe finoman szólva sem tűnik túl jó üzletnek” – összegzi Asztafjev.

Ha ehhez még azt is hozzávesszük, hány méregdrága rakétát kellene felbocsátani egy ilyen űrbéli napenergia-erőmű megépítéséhez, a projekt egyelőre totálisan ráfizetésesnek tűnik. Bár, elnézve az újrahasznosítható hordozórakéták jelenlegi rohamléptékű fejlődését, a jövőben még bármi megtörténhet.