Gromowładny naukowiec

Jedni obserwują gwiazdy, inni hodują rzadkie rośliny, największą pasją naukowca Grega Leyha są zaś… błyskawice. Spędza całe noce w laboratorium, samodzielnie generując błyskawice i marząc o budowie specjalnego ośrodka, w którym będzie można badać proces ich powstawania.

Greg Leyh pracuje na co dzień w kalifornijskim ośrodku badawczym Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) przy jednym z największych na świecie akceleratorów cząstek, zaś noce poświęca realizacji swej prawdziwej badawczej pasji. Za pomocą gigantycznych cewek o napięciu milionów voltów „na własną rękę” wytwarza błyskawice. Jak mówi, wrażeń towarzyszących obserwowaniu samodzielnie wygenerowanych piorunów nie da się z niczym porównać.

Jego plany są jednak dużo ambitniejsze. Zamierza przeprowadzić na pustyni w stanie Nevada spektakularny eksperyment - za pomocą dwóch największych w dziejach cewek (każda o wysokości 37 metrów) przepuszczać przez obszar wielkości stadionu futbolowego gigantyczne błyskawice o napięciu 8 milionów voltów. Jeśli projekt ten znajdzie sponsora, może stać się wielkim widowiskiem, a jednocześnie pomóc naukowcom w wyjaśnieniu wielu tajemnic błyskawic. (…)

- Fascynują mnie systemy i urządzenia o maksymalnych możliwościach koncentrowania energii - mówi. Urzekają go też technologie z początków XX wieku - ery Nikoli Tesli, serbskiego wizjonera, który wyemigrował do USA. Jednym z jego niezliczonych wynalazków było zastosowanie prądu zmiennego.

Teslę fascynowało zjawisko rezonansu polegające na takim zsumowaniu pojedynczych, słabych sił, że w efekcie powstaje duża energia. Można to zjawisko porównać do dziecka na huśtawce - niezbyt silne, niewielkie ruchy potrafią ja rozbujać bardzo wysoko. Gdy pewnego dnia Tesla testował w swoim laboratorium maszynę wibracyjną, wprawił w rezonans cały czterokondygnacyjny budynek - jego mieszkańcy byli przekonani, że zaraz zginą w trzęsieniu ziemi.

W roku 1891 wynalazł cewkę wykorzystującą rezonans elektryczny. Tzw. cewka Tesli to właściwie dwie cewki - jedna w drugiej. Prąd zmienny płynący przez cewkę pierwotną generuje pole magnetyczne, które indukuje prąd w cewce wtórnej. Tesla odkrył, że projektując dwie cewki o tej samej, wysokiej częstotliwości rezonansowej można podnosić napięcie w cewce wtórnej coraz wyżej i wyżej.

Para cewek działa jak transformator, przekształcając prąd o niskim napięciu i dużym natężeniu w prąd o małym natężeniu i wysokim napięciu. 20 tyś. voltów na cewce pierwotnej wytwarza miliony voltów na cewce wtórnej. Im większa cewka wtórna, tym wyższe napięcie - co może w końcu doprowadzić do jonizacji powietrza wokół cewki i powstania oślepiającego łuku elektrycznego.

W roku 1901 Tesla zaczął budować na nowojorskiej Long Island gigantyczną cewkę wysokości 57 metrów - Wardenclyffe Tower. Sponsorom i biznesmenom opisywał ją jako komunikacyjny przekaźnik radiowy wielkiej mocy, ale w rzeczywistości miał nadzieję, że uda się za jej pomocą przekazywać energię w dowolne miejsce Ziemi za pośrednictwem jonosfery. Gdy o tych planach dowiedział się główny sponsor projektu, prace zostały przerwane. Cewkę zaś celowo zniszczono podczas pierwszej wojny światowej, aby nie mogła służyć niemieckim łodziom podwodnym za punkt orientacyjny.

Od tego czasu nikt nie próbował skonstruować aż tak ogromnej cewki Tesli. (…) W latach 80. mniejsze urządzenia zaczął budować Greg Leyh we współpracy z Survival Research Laboratories, grupą entuzjastów robotyki, która organizowała publiczne pokazy technologicznego chaosu - podczas nich najpierw roboty niszczyły rekwizyty, a później walczyły ze sobą.

Jego pierwsza cewka Tesli miała 5 metrów i mogła wytwarzać 8-metrowe błyskawice. Największa jak dotąd sięgała prawie 12 metrów i powstała na zamówienie pewnego kolekcjonera sztuki z Nowej Zelandii. Leah oraz artysta Eric Orr wspólnie zbudowali dla niego rzeźbę o nazwie Electrum Project z cewką zwieńczoną kulistą klatką, w której napięcie sięga 3 milionów voltów.

Podczas publicznych demonstracji Electrum naukowiec wytwarzał przy jej pomocy 15-metrowe błyskawice. Lubił szokować publiczność, wspinając się wewnątrz klatki - tak, że błyskawice przelatywały tylko centymetry od jego twarzy. To mniej niebezpieczne niż się wydaje - zgodnie z prawem Faradaya, wewnątrz klatki (jak i każdego zamkniętego przewodnika) napięcie jest zerowe.

- Paradoksalnie, to  jedyne bezpieczne miejsce w promieniu 160 metrów od cewki, gdzie pole elektryczne ma zerowe natężenie - mówi Leyh. Elektrum zainstalowano w 1998 roku na farmie kolekcjonera w okolicy Auckland.

Później Leyh zaczął myśleć o większych wyzwaniach. Powszechnie uważano, że do wytwarzania błyskawic naturalnej wielkości potrzeba cewki wysokiej na milę (1,66 km). Jednak przy użyciu programu komputerowego Leyh wykazał, że im większe wymiary cewki, tym niższa jest jej częstotliwość rezonansowa - podobnie jak w przypadku piszczałki w organach. Przy niskiej częstotliwości, powstający w powietrzu zjonizowany kanał zanika - jeszcze zanim zdąży nim przeskoczyć błyskawica. Praktyczną granicą wysokości cewki jest więc 40 metrów.

Leyh chce zbudować dwie 37-metrowe cewki, dodatnią i ujemną, w odległości od 80 do 90 metrów od siebie. Cztery 2-megawatowe generatory prądu zmiennego zapewniłyby różnice potencjałów 8,7 megawolta. Błyskawice przeskakiwałyby między umieszczonymi w szczytach wież elektrodami o kształcie przypominającym obwarzanki - każda o średnicy 16 metrów. Spragnieni przygód zwiedzający mogliby obserwować pokaz z okratowanego tarasu obserwacyjnego, umieszczonego wewnątrz jednej z elektrod.

Ze względu na kalifornijską biurokrację, instalacja ma powstać w indiańskim rezerwacie w sąsiednim stanie Nevada. Panujący tam suchy klimat pozwoli utrzymać sprzęt w dobrym stanie. Budowa ma potrwać dwa i pół roku, ale najpierw trzeba zebrać 8,9 miliona dolarów. Na razie w garażu w San Francisco powstaje model w skali 1:12, z trzymetrowymi cewkami. Może zrobi wrażenie na jakimś dotcomowym miliarderze lub miłośniku sztuki i nakłoni go do sfinansowania projektu.

Potencjalny sponsor może być pewny, że laboratorium będzie dawać najlepsze widowiska z udziałem błyskawic na całej planecie. Leyh przewiduje w nim takie atrakcje, jak przelatywanie przez błyskawice helikopterem oraz podpalanie piorunem pełnowymiarowych modeli budynków. Być może w powierzchnię jednej z elektrod zostaną wmontowane rękawice, co pozwoli zwiedzającym - oczywiście za odpowiednią opłatą - wypuszczać trzeszczące błyskawice z koniuszków palców.

Dodatkowe dochody ma zapewnić wypożyczanie urządzeń inżynierom lotniczym, by badać odporność nowych maszyn na błyskawice o natężeniu 20 000 amperów.

Leyh chce także prowadzić poważne badania nad naturą błyskawic Według tradycyjnych teorii błyskawica to po prostu nagłe uwolnienie ładunku z chmur burzowych, które ulegają naładowaniu w rezultacie kolizji między cząsteczkami lodu. Pola elektryczne rosną do momentu, gdy powietrze ulegnie jonizacji i wielki ładunek elektryczny przepływa jako błyskawica z chmury do chmury lub do ziemi.

Jednak pola elektryczne chmur burzowych nie wydają się dość potężne, by wyzwolić błyskawicę. Eksperymenty z latawcami, balonami czy samolotami wykazały, że pola elektryczne rzadko przekraczają 200 kilowoltów na metr. Do odtwarzania błyskawic w laboratorium potrzeba dużo silniejszych pól. By między elektrodami oddalonymi o metr przeskoczyła błyskawica, potrzeba miliona voltów. W naturze wystarcza napięcie pięciokrotnie niższe.(...) Być może chodzi o wpływ sił pozaziemskich - spekulują badacze.

W roku 1992 rosyjski fizyk Alex Gurevich z Instytutu Lebiediewa w Moskwie zasugerował, że błyskawicom pomaga promieniowanie kosmiczne. Do ziemskiej atmosfery wciąż trafiają wysokoenergetyczne cząstki, rozpędzone podczas eksplozji gwiazd. Taka cząsteczka może zjonizować atom, wybijając z niego elektron o wysokiej energii, który w polu elektrycznym towarzyszącym chmurze burzowej może się rozpędzić niemal do prędkości światła. Ten elektron mógłby jonizować kolejne cząsteczki w reakcji łańcuchowej, otwierając wyładowaniu ”drogę ucieczki”.

Ta teoria ma wiele słabych punktów i wymaga dopracowania. Na przykład nie jest jasne, jak dużą energię musiałoby mieć promieniowanie ani czy na Ziemię trafia dość wysokoenergetycznego promieniowania, by wytłumaczyć liczbę 2 tys. burz, trwających na Ziemi w każdym momencie.

Naukowcy za pomocą złożonych modeli komputerowych i wielkich sieci detektorów, cierpliwie gromadzą dane o występowaniu błyskawic i zwiększonego promieniowania kosmicznego. Mogłoby im w tym pomóc laboratorium w Nevadzie. Leyh chciałby zainstalować w jednej z jego wież mały akcelerator elektronów, rozpędzający je do 99,5 procenta prędkości światła. Można by się przekonać, czy elektrony rzeczywiście „pomagają” błyskawicom, a przy okazji przekroczyć granicę 40 metrów wysokości cewki. Być może dzięki “obsiewaniu” atmosfery elektronami z akceleratora błyskawice byłoby można wytwarzać za pomocą cewek o wysokości nawet 5 kilometrów

Greg Leyh nie jest jedynym entuzjastą cewek Tesli. Tysiące amatorów budują je „na własną rękę” w garażach i warsztatach, oraz wymieniają swe doświadczenia przez internet. Choć podążanie śladami Tesli - po stu latach olbrzymiego rozwoju technologii - nie wydaje się zbyt trudne, Leyh zwraca uwagę na kluczową różnicę - w odróżnieniu od niego serbski geniusz potrafił zdobywać pieniądze na realizację swych pomysłów.

© 2006 New Scientist Magazine, Reed Business Information Ltd. All rights reserved. Distributed by Tribune Media Services International.

---