Teslova turbína do auta?

V posledních několika letech, díky nebývalé sháňce po obnovitelných zdrojích energie, roste mezi konstruktéry zájem o jeden z pozapomenutých Teslových vynálezů.            

Roku 1891 ve věku 35ti let se stal Tesla občanem Spojených států Amerických a ještě téhož roku založil pověstnou laboratoř v jedné z budov na Jižní Páté avenue v New Yourku, kde se věnoval svým vynálezům. Jako konstruktér elektrických strojů a zařízení si jich patentoval celou řadu, většina z nich však nebyla nikdy uvedena do praxe. Stejný osud potkal i jeho kotoučovou turbínu, která nepatří mezi elektrické stroje, ale může nakonec dojít uplatnění, které by Teslu nejspíše potěšilo.

V případě tohoto vynálezu se jedná o bezlopatkovou turbínu, využívající hladké rotační disky, která dosahuje velmi vysokých otáček a pracuje bez vibrací. Přičemž prototyp turbíny podle Tesly při zkouškách vykazoval 97% účinnost. A i když měla průměr pouhých 22,5 cm a šířku 5 cm, dosahovala výkonu 110 koňských sil. Model tohoto systému byl ve své době odzkoušen i techniky Edisonovy firmy v městečku Menlo Park nedaleko New Yorku, kdy při 9000 otáčkách za minutu dosahovala turbína výkonu kolem 200 koní.

Ale není bez zajímavosti, že zhruba v té době, kdy Tesla experimentoval s bezlopatkovou turbínou, německý fyzik Albert Betz  studoval kinetickou energii větru v turbíně se měnící na energii otáčivého pohybu. V roce 1919 pak stanovil  Betz maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59,3 %, z čehož je odvozen tzv. Betzův koeficient pro turbíny větrných elektráren, jejichž počet ve větrných parcích a farmách v posledních letech neustále roste. Naproti tomu Teslova turbína se komerčního úspěchu nedočkala.

Nicméně v  posledních letech o pozapomenutou Teslovu turbínu mezi inženýry i laickou veřejností roste zájem. Podle některých pojednání se účinnost kolem 90 % u původního Teslou vyrobeného prototypu nepotvrdila, ale technici pro to dnes podávají vysvětlení - problém byl v pevnosti tehdy dostupných plechů, kdy nebylo technologicky možné vyrobit náležitě tenké ocelové pláty, které by se nezačaly prohýbat, což nakonec vedlo k víření uvnitř turbíny a snižování její účinnosti. To byl asi jeden z hlavních důvodů, proč upadla tato turbína v zapomnění a komerčně se neprosadila. Jak se však podle některých konstruktérů ukazuje, jednou z perspektivních možností uplatnění Teslovy turbíny se jeví forma mikroturbíny. 

Tesla si nechal turbínu patentovat pro výrobu energie z geotermální páry, kdy měla pohánět generátor střídavého proudu. Nicméně uvažoval i o tom, že by se dala využít v lodní dopravě, nebo k pohonu vozidel, kde by dokázala při malých rozměrech podávat velký výkon. To bylo ovšem na začátku 20. století, kdy se teprve začaly o slovo hlásit spalovací motory, které nakonec automobilový průmysl opanovaly. I když už tenkrát po silnicích vedle vozů se spalovacími motory jezdily i elektromobily, různé hybridní kombinace spalovacích motorů a elektromotorů, rovněž se experimentovalo s řadou pohonných látek a směsí. Nakonec však z tohoto soupeření vyšly vítězně motory spalující naftu a benzín, a to na celá desetiletí. Ale objevují se již návrhy, jak Teslovu turbínu využít v automobilovém průmyslu. Jako třeba „u hybridních vozidel, kdy by ji poháněly výfukové plyny a dobíjely by se tak baterie.“

Při současném radikálním omezování emisí C02 hledat využití výfukových plynů spalovacích motorů je už, jak se u nás říká, mimo mísu. Ovšem sama myšlenka dobíjení baterie prostřednictvím Teslovy turbíny stojí za úvahu. Teslova turbína by mohla nahradit málo výkonné vzduchové motory ze stávajících prototypů pneumobilů (které stejně tak jako elektromobily nevykazují žádné lokální emise C02), pokud by turbínu poháněl stlačený vzduch z nádrže hybridního pneumobilu. U současných vzduchových motorů v pneumobilech je třeba vzduch před tlakováním do zásobníků sušit, neboť v pístech dochází k jeho drastickému ochlazení při expanzi, tedy by se v něm obsažená vodní pára na výstupu mohla měnit na led. Kdežto u Teslovy turbíny se vzduch před stlačováním sušit nemusí. Ostatně jako jeden z prvních testovacích modelů Tesla sestrojil turbínu složenou z osmi disků o průměru 6 palců (152,4 mm), kterou poháněl stlačeným vzduchem. 

Výroba prototypu materiálově dořešené původní Teslovy turbíny by neměla být až tak drahá, rozhodně tu nepůjde o mnohamilionové částky. U této malé turbíny lze předpokládat, že by nevyžadovala příliš vysoký tlak vzduchu v přívodu, možná by ani spotřeba vzduchu pro její činnost nakonec nebyla tak velká, jak by se na první pohled mohlo zdát. Ale to všechno může vyřešit až experimentování s prototypem, kdy se ukáže, zda by si turbína opravdu mohla vystačit s objemem vzduchu, natlakovaným ve velké nádrži kupříkladu na 200 barů, podobně jako je tomu v nádržích aut, využívajících stlačený zemní plyn (např. OCTAVIA G-TEC má dvě nádrže na CNG s celkovým objemem zhruba 100 litrů, tlakované na 200 barů, uložené pod podlahou zavazadlového prostoru na speciálním rámu).

Tedy by pak Teslova turbína mohla v hybridních pneumobilech zajistit výrobu elektrické energie, potřebné pro nabíjení akumulátoru (podobně jako její výrobu u některých elektrických vozidel zajišťují vodíkové palivové články), který ani zdaleka nemusí být tak velký, jako u bateriových elektromobilů. Zato však slouží k vyrovnání aktuální spotřeby motoru a během jízdy je průběžně dobíjen při optimální regulaci výkonu baterie v zájmu co nejlepších reakcí za všech rychlostí jízdy. A jak že by celé to zařízení pracovalo?

Základním principem Teslovy turbíny je rotování disků, pokud do skříně, v níž jsou uloženy, dodáme pod tlakem vzduch. Vzduch proniká štěrbinami přes disky až k jejich středu. Energii vzduch předává diskům turbíny, které tímto uvádí do rotace. Jak se dostává od obvodu směrem do středu skříně, snižuje se jeho kinetická energie, až nakonec vzduch se zbytkovou, tedy velmi malou energií, turbínu opouští výtokovým otvorem. Zde krátké video, které vhodnou formou osvětluje funkci turbíny. V případě, že se použije více disků v turbíně, zvýší se její výkon. Pak je ale zapotřebí větší průtok nebo tlak protékajícího vzduchu k roztočení disků a tedy i hřídele turbíny.

Vzduchová turbína o průměru kolem třiceti centimetrů by těžko mohla pohánět samotný vůz. Ovšem namísto toho otáčivý pohyb hřídele, vznikající rotací kotoučů v turbíně, může přecházet do alternátoru. Alternátor je vlastně generátor elektřiny, převádějící kinetickou energii z rotace na elektrickou energii s využitím vlastností elektromagnetické indukce. Alternátor je poměrně složité zařízení, které nejenže vyrábí proud, ale stará se také o to, aby proudu nebylo moc nebo málo a aby v systému nevznikalo přepětí nebo podpětí. Alternátor se skládá ze dvou základních částí, statoru a rotoru, kdy zjednodušeně řečeno, stator tvoří pouzdro s vinutím, v němž se otáčí rotor. Danou soustavu je třeba doplnit redukční převodovkou, která tu mění vstupní otáčky či krouticí moment podle potřeb sestavy, do které je zabudována. Alternátor je tak vlastním zdrojem elektrické energie, potřebné pro nabíjení akumulátoru, který pak napájí vysoce účinný elektromotor, pohánějící kola automobilu, respektive uvažovaného hybridního pneumobilu. Tedy si ve voze trakční elektromotor z baterie bere energii, kterou prostřednictvím generátoru vyrábí Teslova turbína.

V rámci bakalářské práce na Vysokém učení technickém v Brně byl již Martinem Šedinou (má profil na Linkedln) vyroben jeden zmenšený model Teslovy turbíny. V praktické části práce byly popsány problémy, které bylo třeba eliminovat, aby v turbíně nedocházelo ke snižování účinnosti. Proto byla v práci vysvětlena zvolená modifikace oproti Teslově návrhu. Tyto modifikace se díky simulacím ukázaly jako správné a poměrně výrazně zlepšily proudění v turbíně. Zlepšilo se jak proudění na vstupu, kdy nově příchozí plyn nevytváří turbulence, tak především proudění na výstupu, kde již nedochází k vírům. Jsou zde ukázány jednotlivé díly turbíny, které jsou potřebné k její konstrukci a k pojednání jsou přiloženy výkresy, které slouží jako podklady pro výrobu této turbíny. Poslední kapitola práce se zabývá výrobou turbíny, vytvořené formou 3D tisku. Je zde také popsáno, jak probíhalo její sestavování a je zde k vidění zhotovená turbína.

Teslovo bezlopatkové řešení pohonu, kdy místo lopatkového kola je použito větší množství disků, umístěných velmi blízko sebe, stojí především na dvou základních fyzikálních principech, totiž na adhezi (schopnosti přenosu tečných sil ve styku dvou povrchů) a viskozitě (vnitřním tření). Počet vedle sebe řazených disků je variabilní, odvíjející se od daného média. Neboť k roztáčení disků může sloužit jak médium ve skupenství kapalném (voda), tak i plynném (vzduch) při vhodném průměru disků, opatřených otvorem poblíž hřídele, na němž jsou upevněny a na kterém také rotují.

Patent na svoji bezlopatkovou turbínu podal Nikola Tesla v lednu 1911, avšak patentovým úřadem byl schválen až 6. května 1913. V té době ještě málo kdo chápal, že viskozitou, kterou se Tesla zabýval, se rozumí veličina charakterizující vnitřní tření, což je vlastnost všech reálných plynů (kam patří i vzduch jako směs plynů) a projevuje se třením k sobě přiléhajících vrstev plynu při jejich vzájemném pohybu. Pohybují-li se sousední vrstvy plynu různými rychlostmi, vzniká na jejich rozhraní tečné (smykové) napětí. Dynamická viskozita je pak definována silou, kterou působí plošná jednotka vrstvy proudícího plynu na sousední plošnou jednotku při jednotkovém rychlostním gradientu. Kinematická viskozita je zas podíl dynamické viskozity a hustoty plynu, přičemž kinematická viskozita prostředí je dána poměrem mezi viskozitou a hustotou.

Ovšem i ten, kdo se o fyziku nezajímal, dozajista věděl, co to jsou ty pro současnou mladší generaci trochu podivné koňské síly, o kterých se mluvilo při měření výkonu. Totiž koňská síla, jako jednotka pro výkon, byla zavedena vynálezcem Jamesem Wattem, který chtěl výkon tehdejších parních strojů přirovnat k síle zapřahaných koní pro lepší představu o tom, jakou sílu má ten který stroj. V jeho definici byla 1 koňská síla rovna výkonu, který podává do žentouru zapřažený kůň, táhnoucí náklad 180 liber, když při tom plynulou chůzí ujde za 1 hodinu 144 koleček o poloměru 12 stop. Což bylo přece jen příliš komplikované na to, aby se to v Evropě ujalo. A tak se nakonec prosadila německá verze definice, kdy 1 koňské síly je třeba ke zvedání břemene o hmotnosti 75  kg  za jednu  sekundu do výšky jednoho metru. Přičemž nám k lepšímu pochopení kdysi měřeného výkonu turbíny poslouží jednoduchý přepočet, kde 1 koňská síla, která se označuje HP (z anglického horsepower), se rovná 0,7457 kilowattů.

A jestliže Teslův prototyp turbíny dosahoval výkonu 110 koňských sil, pak ty představují dnešních 82 kilowattů, které si pod kapotou auta vozíme ve spalovacím motoru. Přičemž k tomu, aby náš vůz mohl jezdit plynule po rovině rychlostí 80 km/h, mu postačí zhruba 20 koní. 

Zde na archivní fotografii vynálezce srbského původu Nikola Tesla (1856-1943). Jako konstruktér elektrických strojů a zařízení byl Tesla rovněž průkopníkem bezdrátové techniky, kde v mnoha ohledech překonal Guglielma Marconiho. První pokusy s bezdrátovým přenosem signálů uskutečnil v roce 1891, roku 1893 pak veřejnosti předvedl svůj radiokomunikační přístroj, čímž předběhl Marconiho, který za vynález bezdrátového přenosu získal Nobelovu cenu. Mnohem později, v roce 1943, byl nakonec patent na tuto technologii přiznán Teslovi, ovšem tři měsíce po jeho smrti.                                            

Foto Martin van Meytes. Zdroj:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tesla_Sarony.jpg">Martin van Meytes</a>,Public domain, via Wikimedia Commons