Nikola Tesla um 1900, link Wikipedia

Nikola Tesla (geboren 10. Juli 1856 in Smiljan und gestorben 7. Januar 1943 in New York) war einer der genialsten Erfinder aller Zeiten. Er entwickelte unter anderem das Drehstromsystem und zahlreiche andere Geräte, ohne die unser heutiges Leben gar nicht möglich wäre.

N. Tesla machte sich nach seinen zahlreichen Erfindungen daran in Colerado Springs (1899-1900) einen großen 10 KW Sender zu bauen, mit dem es ihm gelungen war, in einer Entfernung von ca. 40 km zahlreiche Lampen aufleuchten zu lassen. Er entwickelte eine Technik, mit der man Energie nach einem völlig neuem Prinzip effizient übertragen konnte, nämlich drahtlos.
Als Tesla sein neues Weltenergiesystem der Öffentlichkeit präsentierte, kamen Jornalisten aus allen Gegenden, um sich seine neue Technik anzusehen. Und sie sahen, wie der Forscher die Lampen auf einem 40 km weit entferntem Berg zum leuchten brachte. Leider scheiterte Teslas nächstes Vorhaben diese Technologie weiter zu entwickeln, indem er versuchte, den großen Wardenclyffe-Tower zu bauen.
Durch seine große Schuldenlast und diverse anderer Probleme, die Tesla stark belasteten, streichte im J.P. Morgen jegliche weitere Unterstüzung. Nikola Tesla musste ca. 50 % seiner Patentrechte abgeben. Daraufhin zog er sich völlig aus der Öffentlichkeit zurück und man einigte sich auf die einfachsten und besten Lösungen und dies waren die Drehstromsysteme etc.




Der Versuch von 1899-1900, den Tesla damals in Colerado Springs durchgeführt hatte, verbunden mit dem Gedanken, den "Kabelsalat" in der heutigen Welt ein wenig aufzulösen, indem man die Energie drahtlos übertragen würde, fasziniert Tim Roth schon seit vielen Jahren.

Tim Roth stellte sich die Frage, wie man diese veraltete Technik in die heutige Zeit holen kann und wie diese dann aussehen würde. Tim R. wollte mit seiner Arbeit da ansetzen, wo Tesla damals aufgehört hatte. Der junge Tim Roth aus Deutschland wollte ein Teslasystem entwickeln, ein moderneres und effizienteres.

Teslaspule von und mit Tim Roth 2014

Jedoch war und ist dieses Vorhaben denkbar schwierig, da man mit sehr großen Spulen arbeiten muss, um die Resonanzfrequenz möglichst gering zu halten und um möglichst hohe Spannungen generieren zu können, damit man so nah wie möglich an die Eigenschaften von Nikola Teslas Anlage herankommt.
Desweiteren bestand die Aufgabe auch darin, die richtigen Bauelemente für dieses Projekt zu finden, die diesen enormen Belastungen und du-dt´s standhalten und dabei noch effizient arbeiten können.
Die Suche nach bezahlbaren Komponenten zur Durchführung des Versuches gestaltete sich denkbar schwierig, da die finanziellen Mittel des jungen Forschers begrenzt sind.

Insgesamt haben sich elf Unternehmen aus Industrie und Handel bereiterklärt, dieses Vorhaben mit den benötigten Leistugshalbleitern und Kondensatoren etc. zu unterstützen und zu fördern. Die Anlage konnte also mit Hilfe von den zahlreichen Unternehmen aus der Industrie von Tim Roth entwickelt und aufgebaut werden.


Um die Störungen und EMV-Probleme, die eine solche Anlage produzieren wird, so gering wie möglich zu halten und um Probleme mit den Funkbehörden zu vermeiden aber dennoch Messungen machen zu können, wurde die Anlage so entwickelt und gebaut, dass sie im Impulsbetrieb von wenigen Sekunden mit sehr hoher Leistung (max.50MW Sendeleistung) arbeiten kann. Dem entsprechend wurde ein möglichst großer Zwischenkreis für Mittelspannungsanwendungen gewählt, der eine Kapazität von insgesamt 10,1mF besitzt und eine Spannungsfestigkeit von 2400V DC aufweist.

Nahaufnahme vom Zwischenkreis

Die beiden für den Versuch notwendigen Halbbrückenkondensatoren sind von dem Unternehmen Vishay Esta zur Verfügung gestellt worden und besitzen jeweils eine Kapazität von 2mF und verfügen über eine Spannungsfestigkeit von 2200V.

Bild mit den Halbbrückenkondensatoren

Durch die Reihenschaltung, die für den Halbbrückenanschluß notwendig ist, verdoppelt sich die Spannungsfestigkeit und die Kapazität halbiert sich.
Die Zwischenkreiskondensatoren wurden von der Firma Electronicon zur Verfügung gestellt und besitzen jeweils eine Kapazität von 4650 uF und weisen eine Spannungsfestigkeit von 2400V auf.
Insgesamt verfügt also der Umrichter über eine maximale Energiemenge von ca. 29 KJ, was einer langen Zeit entspricht, in der man eine bestimmte Leistung in die Schwingkreise stecken kann.
Diese Energie wird von zwei Leistungshalbleitern (IGBT´s) in einer Halbbrückenkonfiguration (von der Firma ABB zur Verfügung gestellt) mit der benötigten Resonanzfrequenz in einen Reihenschwingkreis gegeben.

IGBT Halbbrücke mit Treiber

Bei den IGBT´s handelt es sich um Leistungshalbleiter für Mittelspannungsanwendungen mit 4500V und 1200A, wie sie häufig in Bahnstromumrichtern (ICE) zum Einsatz kommen. Die Treiber für diese IGBT´s wurden von der Firma Concept für dieses Projekt zur Verfügung gestellt. Die richtige Beschaltung und Einstellung der Treiber und die Fertigung einer Adapterplatine wurde von Tim Roth erarbeitet.
Gespeist werden die IGBT-Treiber sowie die Elektronik von einem hochspannungsfesten und leistungsfähigem Netzteil, was über vier galvanisch (18KV Isolierung) getrennten Anschlüssen verfügt, die entweder Gleich- oder Wechselspannung (für IGCT-Steuerungen) zur Verfügung stellen können.

Umrichter komplett

An dieses Netzteil wurden weiterhin kleine Spannungsregler an jedem der drei benutzten Kanäle installiert, um die Spannung genaustens einstellen zu können.
Um die Zwischenkreisspannung der Anlage stufenlos regeln zu können, wurde ein Stelltransformator, der extra angefertigt wurde, eingesetzt, der einen Hochspannungstransformator (2400V) speist. Danach wird die Spannung gleichgerichtet und auf die Kondensatoren gegeben.

Der Stelltrafo mit 10KVA + Drossel

Die Anlage entzieht dem Stromnetz über Drosseln bei jedem Ladevorgang eine maximale Leistung von nur 900W, weshalb jeder Aufladevorgang der Anlage mehrere Minuten in Anspruch nehmen kann.
Nach jedem Ladevorgang auf eine gewisse Zwischenkreisspannung wird die Anlage vom Netz getrennt und sich praktisch selbst überlassen, um starke Netzrückwirkungen zu vermeiden. Bei einem Fehler kann die Anlage über eine Thyristor-Entladevorrichtung entladen werden.
Die gesamte Versuchsanlage wird über Lichtleiter in 50m Sicherheitsabstand gesteuert und kann auch programmiert werden (Entladezeiten, Frequenz etc.).

Lichtleitersteuerung

Bei jedem Versuch wird der Zwischenkreis der Anlage auf einen bestimmten Wert aufgeladen und die Anlage wird daraufhin vom Netz getrennt. Nach der Netztrennung wird die ermittelte Resonanzfrequenz eingestellt und eine bestimmte Zeit über eine Lichtleitersteuerung in die Anlage gegeben. Nun prüft diese Anlage den eingestellten Puls und gibt ihn entweder auf den Schwingkreis oder auch nicht, falls es zu hohen Überspannungen kommen sollte, die einen bestimmten Zeitwert überschreiten.
Der Reihenschwingkreis, auf den dieser Impuls gegeben wird, besteht aus zwei in Reihe geschalteten 6300V DC MKP extrem low ESL Kondensatoren, die auch von dem Unternehmen Electronicon zur Verfügung gestellt wurden.

Der Schwingkreiskondensator

Nun kommen wir zum größten Bauteil der ganzen Versuchsanlage, der Sendespule. Diese Spule wurde von Tim Roth in Handarbeit gewickelt und lackiert. Diese riesige Spule hat eine gesamte Höhe von 3m und besitzt einen Durchmesser von 1m. Die Körper dieser Spule wurden speziell von der Firma Dolle Kunststoffe angefertigt.

Bilder von der Fertigung einer der drei Teilspulen

Die Spule wurde nicht in einem Stück gewickelt sondern besteht aus drei Teilspulen, die übereinandergestapelt und in Reihe geschaltet sind, um eine leichtere Handhabung zu ermöglichen.

Spulenaufbau Stapelbauweise

Reihenschaltung der Spulen

Die Primärspule sowie die Anschlüsse dieser Spule wurden aus Kupferrohr gefertigt. Die Primärspule besteht aus 15mm x 1mm und die Anschlüsse bestehen aus 22mm x 3mm Kupferrohr.

Diese Sendespule steht offen und ungeschirmt im Freien, um die Eigenschaften einer solchen Anlage und ihre Auswirkungen auf unsere Umwelt besser studieren zu können.

Blitzeinschlag (1MV) in geerdete Kupferstange

Anlage im Betrieb mit 1KV im Zwischenkreis

Mit der aktuellen Konfiguration der Anlage ist es möglich, Spannungen von max. 10MV zu erzeugen und dabei Ströme von mehreren Ampere (max. 5A) fließen zu lassen.
Bei den Tests dieser Anlage mit einer Ausgangsspannung von 0,8MV - 2MV wurden V/m Messungen im Abstand von 5m,10m,15m und 20m unternommen.

Spule mit Antenne und Oszilloskop

Bei einem Abstand von 10m und einer Ausgangspannung der Spule von ca. 800KV wurden ca. 600V pk gemessen, was natürlich den vorgeschriebenen Pegel bei weitem überstieg.

600pk bei 800KV Ausgangsspannung
und 10m Entfernung

Während der Tests dieser Anlage funktionierten elektronische Geräte jeder Art im Abstand von ca. 10m nicht mehr richtig und drohten durchzuschlagen, weshalb eine direkte Messung der Spule im Betrieb selbst mit LEM-Wandlern und anderen Bauteilen nicht mehr genau möglich war.

Desweiteren wurde beobachtet, dass sich Insekten und Tiere jeglicher Art während des Betriebes der Anlage merkwürdig verhalten haben. Besonders Mücken und Fliegen haben versucht, sich von der Anlage zu entfernen.
Auch Radios funktionierten während den Pulsen der Anlage im Abstand von ca.80m nicht mehr richtig und gaben ein lautes Knacken und Rauschen auf allen Kanälen und Frequenzen ab.
Beim aufgezeichneten Amplitudenverlauf der Sendespule bei Blitzeinschlägen in geerdete Kupferstangen wurde festgestellt, dass dieser Verlauf dadurch stark gestört wurde.

Amplitudenverlauf Blitzeinschlag bei ca. 1MV 50V
div bei 20m Entfernung

Aus dem Amplitudenverlauf kann man auch erkennen, dass es sich bei einem Impuls der Anlage nicht um eine einzige Entladung handelt, sondern um sehr viele, die sich durch die Resonanzfrequenz immer wieder aufbauen und dann zerfallen.
Außerdem wurde eine Empfängersspule (die nicht in Resonanz gewesen ist) in 20m aufgestellt und deren Amplitude im Betrieb gemessen. Es wurde trotz der schlechten Abstimmung und der hohen Ausgangswiderstände etc. der Empfangsspule bei einer Ausgangsspannung der Sendespule von ca. 1MV eine Spannung von 100V pk gemessen, die zudem auch einen sehr sauberen Sinusverlauf angenommen hatte.

Empfängerpule

Ausgangsspannung am Empfänger bei 20m
Entfernung und 1MV 100v div

Aber auch Fehler hatten sich in die Anlage geschlichen und bereiteten Probleme.
Durch die starken Umwelteinflüsse und durch Feuchtigkeit (Kondens etc.) kam es zu einem gewaltigen Überschlag im unteren Teil der Sekundärspule, der das sich gesammelte Wasser in eben diesem Teil der Spule schlagartig explosionsartig verdampfen ließ und bis zum Plasmazustand erhitzte. Daraufhin wurden Reperaturarbeiten notwendig, die ca. 1 Tag in Anspruch nahmen. Glücklicherweise hatte der Überschlag nur an der Oberfläche der Spule stattgefunden, wodurch der Draht der Sekundärspule nicht verdampfte.

Explosion hervorgerufen durch Wasser
im unteren Teil der Sendespule bei 1,2KV
im Zwischenkreis

Die Pulse, die eine solche Anlage im Betrieb maximal generieren kann, weisen eine maximale Leistung von 50MW auf. Bei einer Amplitude von 10MV können diese maximal 3-4 Sekunden bestehen bleiben. Damit können sehr starke Felder erzeugt und deren Eigenschaften etc. genauer untersucht werden. Es ist sozusagen ein Simulator, mit dem man kurzzeitig mit sehr hohen Leistungen senden kann, um damit bestimmte Zustände herzustellen. Die Impulse können genau eingestellt und auch verlängert werden, wenn man entsprechend weitere Kondensatoren mit gleicher Spannung einbaut.

Weiterhin sehr interessant bei solchen Spulen ist, dass die Bandbreite mit immer geringer werdender Eigenresonanzfrequenz kleiner wird. Das heisst, dass Fenster, in dem man effizient mit hoher Amplitude senden kann, wird immer kleiner.
Durch weitere mit hohem Aufwand verbundene Feinabstimmungen bei den zur Verfügung stehenden Komponenten wurde durch eine nur leichte Frequenzverschiebung von 12,3 kHz auf 11,75 kHz eine gewaltige Spannungsüberhöhung um ca. Faktor 1,5 erzielt. Die Anlage lief zudem auch noch viel stabiler und effizienter.
Zur besseren Darstellung der hohen Amplituden sowie Feldstärken wurden Feldverzerrungen erzeugt, die dann die typischen Entladungen einer Teslaspule hervorrufen.

Bild von einer Entladung in eine geerdete Kupferstange bei 1400V im Zwischenkreis

Die Gesamtdauer von diesem Puls betrug 1,5 - 2 Sekunden. Man kann bei der folgenden Aufnahme des Pulses sehen, wie die Energie von dem gesamten Schwingkreis bzw. der Sekundärspule langsam verbraucht wird. Weiterhin kann man sehen, wie die Schwingung langsam zum Stillstand kommt und die Leistung auch nach und nach immer weiter abnimmt.
Die Blitzentladung wird immer schwächer und der Blitz verfärbt sich und wird immer dünner.

Bild von der gleichen Entladung gegen Ende des Pulses

Man sollte an dieser Stelle noch erwähnen, dass Blitze bei einer drahtlosen Energieübertragung als ein großer Verlustfaktor angesehen werden können. Es handelt sich bei einem Blitz nur um umgewandelte Strahlungsenergie in Licht, Wärme und anderen höchst unerwünschten Strahlen.

Tesla selbst arbeitete bei seinen Versuchen meist mit polierten Kupferkugeln, die aber aus Kostengründen etc. bei diesem Versuch nicht eingesetzt werden konnten. Deshalb wurde auf den traditionellen und weit verbreiteten Torus zurückgegriffen, der leider keine optimale Feldaufteilung zulässt und zudem auch eine Asymmetrie erzeugt. Die Blitze wurden aber trotzdem zur besseren Darstellung der Spannung und für andere Zwecke und Versuche erzeugt.
Selbst wenn man die Kupferstange auf dem Torus entfernen würde, entstehen ab einer Spannung von ca. 1MV trotzdem Blitze, weshalb eine bessere Feldaufteilung erforderlich gewesen wäre.

Tim Roth hat nach weiteren Versuchen mit dieser Versuchsanlage festgestellt, dass es grundsätzlich möglich ist, drahtlos Energie nach dem Prinzip von Nikola Tesla zu übertragen.
Weiterhin ist mit solchen Anlagen auch viel mehr möglich, wie z.b starke Felder und Spannungen etc. zu generieren.

Es wurden viele sehr interessante Ergebnisse aus dieser Arbeit gewonnen, die für diverse Anwendungsbereiche im Hochspannungs- und Niederfrequenzbereich von großen Nutzen sein könnten.



Vielen Dank an alle Unternehmen, die dieses Projekt gefördert haben und es auch in Zukunft noch weiter fördern werden.



Bericht geschrieben und erstellt vom Entwickler dieser Anlage Tim Roth



Kontakt:

Tim Roth
timroth93@googlemail.com