Nikola Tesla tiba di New York pada tahun 1884. Dia bukan hanya bapak arus bolak-balik. Itulah judulnya. Kenyataannya lebih berantakan. Dia adalah seorang anak ajaib dengan 272 paten di 25 negara. 112 di antaranya mendarat di AS saja. Anda pasti mengharapkan dia menjaga paten jaringan AC-nya seperti emas. Dia tidak melakukannya. Pada tahun 1913, Tesla mengklaim bahwa penemuan terpentingnya adalah sesuatu yang sama sekali berbeda. Turbin Tesla. Disebut juga turbin lapisan batas atau turbin piringan datar.
Sebut saja turbin jika Anda mau. Secara teknis ini menyesatkan. Turbin standar menggunakan bilah. Pikirkan bilah kipas. Air atau gas mengenai mereka untuk memutar poros. Desain Tesla tidak memiliki bilah. Ia menggunakan tumpukan disk yang halus dan paralel. Mereka duduk di dalam ruangan tertutup. Cairan memasuki ruangan itu. Mengalir di antara disk. Disk berputar. Poros berputar.
Pengaturan ini dapat memberi daya pada pompa. Itu bisa menggerakkan blower. Itu dapat menjalankan kompresor. Tesla mengklaim mereka bahkan bisa menggerakkan mobil dan pesawat terbang. Dia mengatakan itu adalah mesin rotari paling sederhana yang pernah dirancang. Dia juga mengatakan itu yang paling efisien. Jika itu benar, dunia terlihat berbeda saat ini. Mengapa tidak ada dimana-mana? Mengapa tidak menggantikan AC sebagai warisannya? Itu adalah pertanyaan-pertanyaan mudah. Yang lebih sulit adalah soal mekaniknya. Bagaimana cara kerjanya? Apa yang membuatnya begitu inovatif?
Untuk menjawabnya, kita perlu melihat dasar-dasarnya. Kita perlu memahami mesin yang ada sebelumnya. Kita perlu melihat masalah apa yang coba dipecahkan oleh Tesla. Bagian selanjutnya memecah mesin itu sendiri.
Mesin memiliki satu pekerjaan. Ubah bahan bakar menjadi gerak. Namun sebelum kita membahas mesin yang bisa mengubah segalanya, kita perlu melihat apa yang terjadi sebelumnya. Dan apa yang terjadi sebelumnya terasa berat. Rumit. Rawan pecah.
Pada awal tahun 1900-an, dunia mempunyai dua jenis kekuatan. Turbin berbilah. Mesin piston. Keduanya bergantung pada cairan—cairan atau gas. Air. Uap. Uap bensin. Jika mengalir, Anda bisa menerapkannya. Namun mesin yang dibutuhkan untuk memanfaatkan aliran tersebut merupakan mimpi buruk untuk dibangun.
Pikirkan tentang piston standar. Itu adalah silinder logam yang bergerak naik turun di dalam silinder lain. Sederhana, bukan? Salah. Anda membutuhkan katup. kamera. Bantalan. Gasket. Cincin. Setiap bagian berpotensi menjadi titik kegagalan. Bersama-sama, mereka menambah beban. Mereka menciptakan gesekan. Mereka membuang-buang energi.
Turbin berbilah sedikit lebih baik dalam hal efisiensi tetapi lebih buruk dalam hal keandalan. Jumlahnya sangat besar. Toleransi mereka sangat kecil. Jika Anda tidak mengolahnya dengan sempurna, bilahnya akan retak. Atau jepret.
Kisah bagaimana Nikola Tesla memecahkan masalah ini dimulai di galangan kapal.
“Saya ingat gantang bilah patah yang dikumpulkan dari selubung turbin kapal uap pertama yang dilengkapi turbin yang menyeberangi lautan, dan menyadari pentingnya [mesin baru] ini.”
Pengamatan itu melekat padanya. Dia melihat limbahnya. Kerapuhan. Ketidakefisienan dalam upaya memaksa cairan berkecepatan tinggi untuk menekan sirip logam yang kaku.
Dia menginginkan sesuatu yang lebih halus. Sesuatu yang tidak bergantung pada pisau terpisah yang bisa pecah.
Mitos Penemu
Sejarah populer menggambarkan Tesla sebagai satu-satunya jenius yang memimpikan turbin tanpa bilah dari udara tipis. Itu tidak benar. Konsep itu ada. Paten Eropa diajukan pada tahun 1832.
Tesla bukanlah penemu ide tersebut. Dia menyempurnakannya. Dia menghabiskan hampir satu dekade mengutak-atik fisika, material, dan dinamika aliran. Ia tidak hanya mematenkan satu mesin saja. Dia mematenkan tiga iterasi berbeda, masing-masing dibangun di atas iterasi terakhir.
Berikut kronologi inovasinya:
- Paten 1.061.142: “Propulsi Cairan.” Diarsipkan 21 Oktober 1909. Diberikan 6 Mei 1913. Ini adalah model dasarnya. Dikonfigurasi sebagai pompa atau kompresor.
- Paten 1.061.206: “Turbin.” Diarsipkan 17 Januari 1911. Diberikan 6 Mei 1913. Tesla membalik desainnya. Alih-alih mendorong fluida, ia membiarkan fluida mendorong mesin.
- Paten 1.329.559: “Saluran Katup.” Diarsipkan 21 Februari 1916. Diberikan 3 Februari 1920. Bagian terakhir. Modifikasi untuk menjalankan turbin sebagai mesin pembakaran dalam.
Desain inti tetap konsisten di ketiganya. Perbedaannya ada pada aplikasinya. Pompa. Turbin. Mesin.
Cara Kerja Desain Tanpa Pisau
Jika Anda belum pernah melihat turbin Tesla, Anda mungkin akan membayangkan sebuah silinder mulus dan kosong. Ini lebih dekat dari yang Anda kira.
Inti dari mesin ini adalah tumpukan disk yang halus dan paralel. Mereka berputar pada poros tengah. Tidak ada pisau. Tidak ada tepi untuk menangkap udara. Tidak ada titik stres yang retak di bawah tekanan.
Saat Anda memasukkan cairan—uap, gas, air—cairan tersebut akan mengenai permukaan piringan tersebut. Efek lapisan batas mengambil alih. Cairan tersebut menempel pada logam halus. Viskositas melakukan pekerjaan berat. Gesekan antara fluida dan permukaan piringan menyeret piringan tersebut.
Ini bukan sihir. Ini adalah dinamika fluida. Tapi ini efisien.
Mengapa hal ini penting bagi penggemar modern? Karena menghilangkan gerak bolak-balik yang mengganggu mesin piston. Tidak ada gerakan naik turun. Tidak ada siklus pembakaran yang melawan inersia mekanis. Hanya rotasi.
Tesla membuktikan bahwa Anda dapat mencapai RPM tinggi tanpa getaran yang merusak mesin tradisional. Dia membuktikan bahwa Anda dapat menjalankan hampir semua sumber cairan. Uap. Gas pembakaran. Bahkan angin.
Tapi ada kendalanya.
Kurva torsi lemah pada kecepatan rendah. Anda memerlukan cairan berkecepatan tinggi untuk membuat disk berputar. Begitu mereka mencapai kecepatannya, efisiensinya tidak dapat disangkal. Tapi menuju ke sana? Itulah kendala teknisnya.
Daftar bagiannya pendek. Disk. Poros. segel. Itu saja. Lebih sedikit komponen yang bergerak berarti lebih sedikit perawatan. Berat badan lebih sedikit. Efisiensi potensial yang lebih tinggi.
Kami tahu teorinya. Kami memiliki patennya. Perhitungannya benar.
Jadi mengapa mobil Anda tidak berjalan pada salah satunya?
Cacat Desain
Tidak semuanya berjalan mulus. Efek lapisan batas, meskipun elegan, namun sensitif. Jika jarak antar disk tidak sempurna, cairan akan melewati permukaan. Efisiensi menurun. Kekuasaan anjlok.
Pembuatan disk tersebut memerlukan ketelitian yang mahal dan sulit pada tahun 19
Dibandingkan dengan kekacauan mekanis mesin piston atau kerumitan mesin uap, turbin Tesla hampir menghina kesederhanaannya. Nikola Tesla sendiri merangkumnya dalam sebuah wawancara New York Herald Tribune pada tahun 1911: “Yang dibutuhkan hanyalah beberapa piringan yang dipasang pada sebuah poros, diberi jarak agak jauh dan dibungkus sehingga fluida dapat masuk pada satu titik dan keluar pada titik lain.”
Kedengarannya seperti mainan. Tidak. Namun rekayasa di baliknya sama jelasnya dengan nadanya. Mari kita hilangkan misterinya dan lihat dua komponen inti: rotor dan stator.
Desain Rotor
Turbin tradisional mengandalkan bilah. Turbin Tesla membuang semuanya. Sebagai gantinya, ia menggunakan setumpuk disk halus. Pengajuan paten Tesla tidak menentukan jumlah pastinya. Mereka hanya membutuhkan “pluralitas” disk dengan “diameter yang sesuai”. Dalam praktiknya, Tesla terus-menerus bermain-main dengan variabel. Ukuran dan jumlah disk bergantung sepenuhnya pada aplikasi.
Setiap disk memiliki lubang yang dibor di sekitar poros tengah. Ini bukan sekedar hiasan; itu adalah lubang pembuangan. Mereka membiarkan fluida kerja keluar setelah energinya ditransfer. Agar fluida tetap bergerak bebas di antara disk, ring logam berfungsi sebagai spacer.
Tidak ada aturan kaku mengenai ketebalan mesin cuci. Namun, jarak antar disk biasanya tetap antara 2 dan 3 milimeter. Jaga agar lebih lebar, dan Anda kehilangan efisiensi. Jaga agar lebih ketat, dan Anda berisiko mengalami gesekan.
Mur berulir mengunci rakitan pada poros. Cakram tersebut dikunci pada porosnya, sehingga tidak dapat tergelincir. Rotasi ditransfer langsung dari disk ke poros. Itu rotornya.
Perumahan Stator
Rotor berada di dalam stator silinder. Ini adalah cangkang stasioner. Diameter bagian dalam harus sedikit lebih besar dari disk untuk mencegah goresan. Desainnya longgar.
Setiap ujung stator mempunyai bantalan untuk poros. Namun keajaiban terjadi di saluran masuk. Desain asli Tesla menampilkan dua saluran masuk. Hal ini memungkinkan turbin bekerja searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam tanpa modifikasi. Nozel dimasukkan ke dalam saluran masuk ini untuk mengarahkan aliran.
Berikut urutannya:
1. Cairan bertekanan tinggi memasuki nozel.
2. Fluida lewat di antara piringan rotor.
3. Tumpukan disk mulai berputar.
4. Cairan keluar melalui lubang pembuangan pusat.
Mengapa Itu Penting
Keindahan turbin Tesla terletak pada kemampuan membangunnya. Anda tidak memerlukan pemesinan presisi atau paduan logam eksotik. Beberapa majalah arus utama telah menerbitkan rencana untuk versi DIY. Pada bulan September 1955, Ilmu Pengetahuan Populer memuat panduan langkah demi langkah untuk membuat blower hanya dengan menggunakan karton.
Kardus. Ini berhasil.
Tapi bagaimana piringan halus menciptakan gerakan berputar? Tidak ada bilah untuk menangkap arus. Tidak ada tepian untuk mengungkit cairan. Jika Anda bertanya-tanya bagaimana setumpuk koin dapat menghasilkan torsi, itulah teka-teki sebenarnya. Jawabannya terletak pada dinamika fluida, bukan intersepsi mekanis. Kami akan menguraikan fisika di bagian selanjutnya.
Energi fluida tidak memerlukan bilah untuk menggerakkan logam. Kedengarannya seperti sihir, atau mungkin tipuan cahaya. Jika Anda memutar piringan halus di dalam air tanpa baling-baling, logika mengatakan tidak akan terjadi apa-apa. Cairannya keluar begitu saja.
Tidak. Turbin Tesla berputar. Cepat.
Rahasianya terletak pada dua sifat semua cairan: daya rekat dan viskositas. Adhesi adalah bagaimana molekul-molekul yang berbeda saling menempel. Viskositas adalah resistensi terhadap aliran. Mereka bekerja sama di turbin Tesla untuk mentransfer energi dari fluida ke rotor.
Berikut mekanisme transfer tersebut.
- Molekul cairan yang mengenai permukaan logam melambat. Mereka menempel.
- Lapisan molekul berikutnya bertabrakan dengan lapisan molekul yang tersangkut. Mereka juga melambat.
- Kaskade ini berlanjut. Setiap lapisan menyeret lapisan di atasnya.
- Semakin jauh dari permukaan, tumbukan lebih sedikit. Alirannya semakin cepat.
- Kekuatan kental menolak pemisahan. Hal ini menciptakan kekuatan tarik.
- Gaya itu menggerakkan piringan searah dengan fluida.
Zona interaksi tipis ini adalah lapisan batas. Fenomena tersebut adalah efek lapisan batas. Fluida pendorong mengikuti jalur spiral di sepanjang permukaan piringan. Ini mempercepat. Itu keluar pada titik yang sesuai.
Tidak ada baling-baling. Tidak ada ember. Tidak ada kekuatan yang mengganggu. Fluida bergerak melalui jalur alami yang hambatannya paling kecil. Kecepatan dan arah berubah secara bertahap. Tesla mengklaim efisiensi 95 persen. Itu lebih tinggi dibandingkan turbin uap pada zamannya.
Kenyataannya berbeda. Model produksi tidak pernah sesuai dengan teori.
Lapisan Batas: Benar-benar Hambatan
Efek lapisan batas juga menjelaskan gaya hambat pada sayap pesawat. Udara adalah cairan. Ia memiliki kekuatan perekat dan kental. Saat udara menempel pada sayap, ia menolak gerakan maju. Pesawat melambat.
Hambatan Komersialisasi Turbin Tesla
Turbin Tesla tidak pernah berpindah dari prototipe ke produksi massal. Mengapa? Angka efisiensi di atas kertas tidak sesuai dengan kondisi pabrik. Toleransi manufaktur sangat penting. Kesenjangan antar disk harus mikroskopis. Terlalu lebar, dan lapisan batasnya rusak. Efisiensi merosot.
Menyegel saluran masuk bertekanan tinggi adalah mimpi buruk lainnya. Kebocoran cairan melewati seluruh disk. Tidak ada transfer torsi. Hanya membuang-buang energi.
Kelelahan material juga berperan. Disk halus yang berputar pada RPM tinggi mengalami patah tulang akibat tekanan. Tesla menggunakan baja. Komposit modern mungkin bisa membantu, tetapi desainnya tetap khusus.
Kami melihatnya sekilas dalam aplikasi khusus. Penukar panas. Memompa cairan korosif di mana bilahnya akan terkorosi. Tapi untuk pembangkit listrik umum? Kompleksitas dalam pembuatan kesenjangan yang tepat melebihi manfaat teoretisnya.
Turbin Tesla tetap merupakan ide yang bagus. Sebuah bukti dinamika fluida. Ia tidak pernah memenangkan perang melawan impeller.
Lapisan batas itu nyata. Ini sangat membosankan. Dan itu membuat turbin Tesla tetap berada di rak.
Tesla bukan satu-satunya orang yang yakin bahwa turbinnya mampu mengubah keadaan. Logikanya bertahan. Kecil. Sederhana untuk diproduksi. Satu bagian yang bergerak. Reversibel. Kedengarannya seperti mesin yang sempurna untuk dunia yang siap melewati peralatan industri yang kikuk.
Czito, putra masinis lama Tesla, membuat prototipe awal. Model tahun 1906 ringan. Di bawah 10 pon. Delapan disk enam inci. Itu mengeluarkan 30 tenaga kuda. Namun ternyata ada kesalahan yang fatal. Rotornya berputar sangat cepat—35.000 rpm—sehingga piringan logamnya meregang. Kesenjangannya tertutup. Gesekan melonjak. Efisiensi menurun.
Tesla terus mendorong. Versi 1910 menggandakan diameter disk menjadi 12 inci. Ia berlari lebih lambat pada 10.000 rpm tetapi mencapai 100 tenaga kuda. Pada tahun 1911, mereka memilih disk berukuran 9,75 inci. Kecepatan semakin turun hingga 9.000 rpm. Tenaganya naik menjadi 110 tenaga kuda. Polanya jelas. Ukuran dan kecepatan bertentangan dengan integritas struktural.
Lalu datanglah ujian besar. Tesla meningkatkan skalanya menjadi rig unit ganda yang ditujukan untuk pembangkit tenaga listrik Perusahaan Edison New York. Setiap turbin dilengkapi disk 18 inci. Penyiapannya berjalan sejalan pada satu basis. Itu mencapai 9.000 rpm. Ini menghasilkan 200 tenaga kuda.
Para insinyur yang menonton tidak terkesan. Banyak yang setia pada warisan Edison. Mereka salah memahami cara kerja torsi dalam sistem berbasis disk. Mereka menyatakannya sebagai kegagalan.
Perusahaan utilitas besar telah mengeluarkan uang untuk turbin berbilah. Mengapa beralih ke desain yang sepertinya kesulitan dengan pengukuran dasar? Investor menjauh.
Tesla mencoba upaya komersial terakhirnya. Dia menyewa Allis-Chalmers di Milwaukee untuk membangun tiga unit lagi. Dua memiliki 20 disk, lebar 18 inci. Mereka berputar pada 12.000 dan 10.000 rpm. Yang ketiga adalah monster. 15 disk, diameter 60 inci. Itu berlari pada 3.600 rpm dan menghasilkan 675 tenaga kuda.
Insinyur Allis-Chalmers menjadi gugup. Mereka menyaksikan disk terdistorsi karena tekanan. Mereka meragukan mesin tersebut dapat bertahan jika digunakan dalam waktu lama. Kesimpulannya suram. Turbin pada akhirnya akan mati.
Beberapa dekade kemudian, mereplikasi angka-angka Tesla terbukti hampir mustahil. Warren Rice, seorang profesor teknik di Arizona State University, membuat versi yang mencapai efisiensi 41 persen. Kritikus mengklaim dia tidak mengikuti spesifikasi Tesla dengan tepat. Namun tinjauan literatur Rice terhadap penelitian tahun 1990an menunjukkan batas atas yang konsisten. Tidak ada versi modern yang mencapai efisiensi 30 hingga 40 persen.
Kesenjangan tersebut mematikan adopsi secara luas. Anda tidak dapat mengganti infrastruktur yang sudah ada dengan sesuatu yang sudah cukup baik.
Kantor Riset Angkatan Laut terus terang menyatakannya. Turbin Parsons didukung oleh industri selama puluhan tahun. Kecuali jika turbin Tesla jauh lebih unggul, maka hal itu hanya akan membuang-buang uang. Industri ini tidak akan berubah dengan mudah.
Jadi apa dampaknya bagi kita? Teknologinya tidak hilang. Itu hanya menunggu. Para insinyur kembali ke sana sekarang. Bagian selanjutnya membahas alasannya.
Turbin Tesla tidak pernah dimaksudkan sebagai produk yang berdiri sendiri. Itu adalah sebuah batu loncatan. Obsesi nyata Nikola Tesla adalah mengganti mesin pembakaran piston dengan sesuatu yang tidak dapat meledak. Dia menginginkan keandalan. Dia menginginkan efisiensi.
Mesin piston mencapai puncaknya pada efisiensi termal sekitar 27 hingga 28 persen. Itu saja. Sebagian besar bahan bakar hilang begitu saja sebagai panas. Tesla yakin desain tanpa cacatnya bisa melampaui itu, bahkan mencapai 40 persen. Dia tidak hanya berteori saja. Dia membuat sketsa mobil turbin di atas kertas. Dia mengklaim pesawat itu bisa melintasi Amerika Serikat dengan satu tangki bensin. Logika tekniknya bertahan. Garis waktunya tidak.
Kebangkitan Modern dengan Material Canggih
Tesla tidak bisa hidup untuk melihat mobilnya dibuat. Namun teknologi mulai bangkit.
Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) di Munising, Michigan, sedang menguji hibrida yang menggabungkan turbin cakram Tesla dengan pembakar detonasi pulsa. Hasilnya agresif. Mesin berputar pada 18.000 rpm. Ini menghasilkan 130 tenaga kuda.
Bangunannya halus. Anda memiliki 29 disk aktif, masing-masing berukuran 10 inci. Mereka berada di antara dua ujung cakram yang meruncing. Gaya sentrifugal pada kecepatan itu mencoba menghancurkan segalanya. Baja standar tidak akan memotongnya. PNGinc menggunakan serat karbon, plastik yang diresapi titanium, dan cakram yang diperkuat Kevlar.
Ilmu material akhirnya menyusul fisika. Seandainya Kevlar ada pada tahun 1913, turbin mungkin akan mendominasi awal abad ke-20. Sebaliknya, ini adalah mesin yang lebih maju dari masanya.
Misteri Pierce-Arrow 1931
Tesla tidak pernah mengemudikan mobil turbin. Tapi dia sudah mengutak-atik tenaga penggerak listrik beberapa dekade sebelum Tesla Motors ada.
Catatan dari tahun 1931 menunjukkan bahwa dia mengubah Pierce-Arrow. Dia menukar mesin bensin dengan motor listrik berkekuatan 80 tenaga kuda yang berputar pada 1.800 rpm. Lalu muncullah kotak hitam.
Itu adalah sekelompok tabung vakum, kabel, dan resistor misterius. Dua batang menonjol darinya. Dorong batangnya ke dalam, dan mobil pun bergerak. Tesla mengendarainya selama seminggu. Kecepatan tertinggi: 90 mil per jam.
Reaksi publik tidaklah kagum. Itu adalah ketakutan. Orang mengira dia memanfaatkan kekuatan alam yang berbahaya. Kritikus menyebutnya gila.
Karena marah, Tesla menarik kotak itu keluar dari mobil. Dia membawanya kembali ke labnya. Itu menghilang.
Prinsip kerja mobil listrik itu masih menyisakan sejarah.
FAQ Turbin Tesla
Kapan turbin Tesla ditemukan?
Itu dipatenkan pada tahun 1913.
Turbin Tesla dapat digunakan untuk apa?
Awalnya dirancang untuk mendorong atau mengompresi cairan. Ia bekerja dengan udara bertekanan, uap, pompa limbah, dan bahkan sebagai pompa darah sentrifugal.
Apakah turbin Tesla dapat bekerja dengan air?
Ya. Ini menangani air secara efisien.
Mengapa turbin Tesla tidak digunakan?
Tes awal menghasilkan hasil yang beragam. Investor bersikap dingin. Pesaing mengklaim efisiensi yang lebih baik. Itu dibayangi oleh teknologi piston.
Dapatkah turbin Tesla menjalankan generator?
Itu bisa. Ini adalah kandidat yang layak untuk sumber daya cadangan atau pembangkit listrik mandiri.
Perbatasan Berikutnya
Untuk informasi lebih lanjut tentang inovasi kelistrikan Tesla, lanjutkan ke bagian berikutnya.
