”Dužnosnici Američke ratne mornarice u potpunosti su razotkrili sve detalje najvećeg američkog ratnog izuma: podzemni i podmorski radio”. Ovim je riječima Hugo Gernsback, izdavač i glavni urednik, započeo uvodnik ožujskog izdanja časopisa Electrical Experimenter davne 1919. godine.
Prvi svjetski rat završio je gotovo godinu dana ranije i došlo je vrijeme da se mnogi patenti koji su tijekom rata nosili oznaku najviše vojne tajne, stave na raspolaganje akademskoj zajednici i industriji. Jedno od otkrića koje je uzvitlalo najviše prašine u inženjerskom svijetu svakako je bilo otkriće “podzemnog radija”.
S otkrićem da se radiosignali mogu slati i primati kroz vodljivi medij poput tla, mnogi su dotadašnji fizikalni modeli ”pali u vodu” ili su se u najboljem slučaju pokazali nedostatnima. Rasprava je u inženjerskoj zajednici vrlo brzo uzela maha, pa se čak i veliki Nikola Tesla uključio u raspravu samo nekoliko mjeseci nakon objavljivanja članka u ožujskom broju Electrical Experimentera. Iz perspektive doba satelitskih komunikacija čini se da bi sve rasprave vezane uz ovo otkriće trebale biti odavno okončane, no je li doista tako?
Izum podzemnog radija, odnosno podzemne bežične komunikacije, službeno se pripisuje Jamesu Harrisu Rogersu. Taj svestrani izumitelj je i prije Prvog svjetskog rata primio brojna priznanja za veliki broj izuma na polju električnog inženjerstva. Tijekom 1912. Rogers se zainteresirao za problematiku bežične komunikacije i vrlo brzo je bio prisiljen postavljati pitanja za koja se činilo da nitko na njih nema odgovor. Najbitnije pitanje je bilo što se zapravo događa s dijelom izračenog signala koji odlazi u tlo kroz antensko uzemljenje. Tadašnja teorija govorila je da se sva snaga izračena u tlo pretvara u toplinu. Rogersu je bio problem prihvatiti takve tvrdnje budući da empirijska mjerenja nisu potvrđivala teoriju.
Fotografija Jamesa Harrisa Rogersa snimljena u njegovom laboratoriju 1919. godine. Laboratorij je bio smješten u Hyattssvilleu, SAD, savezna država Maryland. Fotografija je objavljena u ožujskom izdanju Electrical Experimentera 1919. godine.
Prvi eksperimenti
Njegova su razmišljanja išla u slijedećem pravcu: Ako je tlo vodič, a atmosfera je izolator, ne bi li tlo trebalo biti daleko bolji vodič signala? Ubrzo je započeo seriju eksperimenata koji su potvrđivali njegova razmišljanja. Ukopavanjem nekoliko stotina metara dugačkih izoliranih kabela plitko u tlo, postizao je višestruko bolji prijam signala u odnosu na nadzemne antene, a ono što je bilo posebno zadivljujuće jest činjenica da su ovi signali bili gotovo u potpunosti bez statičkog šuma i nisu bili osjetljivi na električne oluje i slične izvore smetnji. Naravno, u to doba su se za komunikaciju uglavnom koristile frekvencije u rasponu 3 – 30 Hz (ELF) i 3 – 30 kHz (VLF). Danas je poznato da se ovako niske frekvencije vrlo dobro rasprostiru kroz vodljive medije poput slane vode koji inače u potpunosti apsorbiraju radiosignale viših frekvencija. Stoga se ovi frekvencijski opsezi i danas koriste u vojne svrhe za komunikaciju s uronjenim podmornicama.
Puno je zanimljivija činjenica da su se i radiosignali frekvencija u rasponu 3 – 30 MHz (kratkovalno područje) vrlo dobro prenosili podzemnim putem. Autor ovog članka uspio je podzemnim antenama postići kvalitetan prijam televizijskog signala na VHF području (50 – 225 MHz), ali i na UHF području (470 – 955 MHz), što govori da fenomenologija prijenosa radiosignala nije ograničena na kratkovalno područje, makar je evidentno da je propagacija signala kroz tlo svakako daleko izraženija na frekvencijama do 30 MHz.
Današnja teorija objašnjava ekstremno daleku propagaciju kratkovalnih radiosignala odbijanjem signala od ionosfere. Problem s takvim teoretskim modelom pojavio se u trenutku kad su radioamateri počeli eksperimentirati sa sve složenijim i efikasnijim konstrukcijama podzemnih antena i kad su otkrili da se odašiljanje i prijam kratkovalnog radiosignala može u potpunosti odvijati podzemnim antenama, dakle bez ikakvog nadzemnog zračećeg elementa.
Prikaz uzemljenih antena koje je Tesla koristio za nadzemno i podzemno odašiljanje i prijam signala. Posebno su zanimljive antene uzemljene na oba kraja. Ilustracija je preuzeta iz Teslinog članka objavljenog u svibanjskom izdanju Electrical Experimentera 1919.godine, a izrađena je prema opisu iz Teslinog američkog patenta br. 613809 registriranog 1898. godine.
Doduše, teoretski model predviđa pojavljivanje površinskog vala, odnosno dopušta da se radiosignal do frekvencije od oko 3 MHz širi difrakcijom od Zemljine površine, ali u slučaju odašiljanja isključivo podzemnim antenama, najčešće nije moguće ostvariti prijam signala nadzemnim antenama ako iste nisu uzemljene. Također vrijedi i obrnuto pravilo: podzemnim antenama nije moguće ostvariti prijam signala koji je odaslan iz predajnika čija antena nije uzemljena (na primjer iz zrakoplova).
Boom i ignoriranje podzemnih antena
Stvari postaju još neobičnije ako uzmemo u obzir činjenicu da podzemne antene u praksi zapravo i ne trebaju nikakav izravni električni kontakt sa tlom, odnosno da je moguće koristiti i električki izolirane vodiče. Rane dvadesete godine 20. stoljeća donijele su eksploziju komercijalnih modela podzemnih antena koje su postajale sve efikasnije i savršenije. Broj patenata koji opisuju različite konstrukcije podzemnih antena naglo je porastao i sve je veći broj radioamatera eksperimentirao s raznim konstrukcijama – od vrlo složenih i pažljivo promišljenih, do eksperimenata s ukopanim starim željeznim radijatorima i željeznim okvirima kreveta.
Primjer jednog od ranih modela Rogersovih podzemnih antena sa izoliranim vodičem. Radise o ukopanom dipolu, a za razliku od nadzemnog dipola vodič na jednom ili oba kraja može biti uzemljen. Ilustracija je preuzeta iz američkog patenta br. 1220005 registriranog 1917. godine. Autori patenta su J.H. Rogers i H.H. Lyon.
Vrlo brzo su se iskristalizirale neke pravilnosti i zakonitosti, poput činjenice da dimenzije podzemnih antena ne podliježu istim zakonitostima kojima podliježu nadzemne antene zasnovane na Hertzovim principima. Tako se otkrilo i da je bitno da antena ima što veću kontaktnu površinu, ali da različiti geometrijski oblici, čak i kombinacije različitih materijala, mogu znatno utjecati na efikasnost antene. Začuđuje činjenica da je akademska zajednica reagirala vrlo inertno i nezainteresirano na sva navedena otkrića koja su predstavljala velike anomalije u postojećim teorijama propagacije radiosignala, a što se do danas nije promijenilo.
Manjkavost teorije
Pokušavajući objasniti fenomenologiju propagacije radiosignala kroz tlo, teoretiziralo se da se radi o elektromagnetnoj indukciji u blizini odašiljačke antene. Teoretski gledano, polje indukcije ne bi se smjelo širiti od središta odašiljačke antene na udaljenost veću od jedne četvrtine valne duljine odaslanog signala. To bi u praksi značilo da se signali frekvencije 3 MHz čija je valna duljina 100 metara, ne bi smjeli širiti kroz tlo elektromagnetskom indukcijom na udaljenost veću od 25 metara od središta odašiljačke antene. Međutim, pokazalo se da se kratkovalni signal podzemnom antenom može odašiljati i primati na udaljenostima od više tisuća kilometara, a ponekad i više desetaka tisuća kilometara.
Današnji model propagacije radiovalova podrazumijeva postojanje dva slabo spregnuta radiovala koji se paralelno šire kroz atmosferu (prostorni val) i površinom Zemlje (površinski val). Čak i ako zanemarimo činjenicu da se korištenjem isključivo podzemnih antena ne stvara površinski val i ako prihvatimo model paralelne propagacije dva slabo spregnuta radiovala, jednostavni paradoks baca sjenu na ovaj fizikalni model. Naime, budući da su prostorni val i površinski val spregnuti, svaka degenerativna promjena signala odnosno pojava šuma ili distorzije valnog oblika jednog od ova dva signala, trebala bi se odraziti na njegov parnjak. Problem je u tome što se često događa da signal koji se širi kroz atmosferu počinje bivati zasićen šumom i statičkim smetnjama i njegova kvaliteta degenerira s udaljenošću prijenosa. Unatoč tome signal prenesen kroz tlo ne odražava degeneraciju prostornog vala, odnosno ponaša se kao zaseban signal koji nema nikakve veze s prostornim valom.
Budući da je fenomenom podzemnog radija razmjerno lako empirijski dokazati da su postojeće teorije propagacije radiovalova u najmanju ruku manjkave, postavlja se pitanje postoji li teorijski model koji bi objasnio fenomenologiju propagacije radiosignala podzemnim putem. Uistinu postoji teorijski model koji bi objasnio fenomenologiju podzemnog radija i njegovog odnosa s teorijskim modelom propagacije radiosignala prostornim, i površinskim valom. Problem je što ovaj alternativni teorijski model radikalno mijenja naše poimanje prirode radiovalova i njihove propagacije kroz prostor i samim time zahtijeva korjenitu promjenu znanstvene paradigme.
Kasniji model Rogersove podzemne antene. Antena je spiralne konstrukcije, može biti spuštena u bunar pun vode ili ukopana u tlo, a karakteristična je po tome što može biti uzemljena na jednom ili oba kraja. Osjetljivost ovakve antene je poboljšana u odnosu na ukopani dipol. Ilustracija je preuzeta iz američkog patenta br. 1315862 registriranog 1919. godine. Autor patenta je J.H. Rogers.
Teslin model
Praktički jedini alternativni teorijski model predložio je Nikola Tesla. Samo dva mjeseca nakon prvog javnog objavljivanja tehničkih detalja Rogersovog sistema u Electrical Experimenteru, Tesla je u istom časopisu objavio jedan od svojih najkontroverznijih članaka naslovljen “Istinski bežični prijenos” (”True Wireless”) u kojem se još jednom kritički osvrnuo na teoriju Heinricha Rudolfa Hertza o stvaranju i propagaciji radiovalova i u kojem je na argumentiran način, potkrijepljen empirijskim dokazima, objasnio svoju teoriju stvaranja i propagacije radiovalova.
Budući da detaljna analiza Tesline teorije uvelike prelazi okvire ovog članka, samo ćemo se ukratko i vrlo pojednostavljeno osvrnuti na praktične aspekte koji se izravno odnose na propagaciju radiovalova kroz različite fizičke medije poput atmosfere i Zemljine litosfere.
U inženjerskom smislu, Teslin sustav je u potpunosti orijentiran na injektiranje signala izravno u tlo kapacitivnim sistemom i za to koristi povišeni električni kapacitet na vrhu antene (šuplja metalna kugla) kao jednu ploču kondenzatora, dok drugu ploču kondenzatora predstavlja cijela Zemlja. Budući da je kapacitet Zemlje nerazmjerno veći od kapaciteta kugle na vrhu antene, strujni čvor se pomiče prema Zemlji (odnosno čak i u samo tlo). Pojednostavljeno rečeno, gotovo sva energija biva izračena u tlo.
Budući da je prijamnik ugođen na istu frekvenciju oscilacije odašiljača, transfer energije se odvija uz minimalne gubitke i u potpunosti je lišen statičkih smetnji, šuma i opće degradacije kvalitete signala. Ono što je bitno shvatiti jest činjenica da se transfer energije odvija kapacitivnim putem, odnosno kroz tlo ne protječe električna struja, nego se samo širi naponski gradijent tj. struja pomaka koja ne podliježe Coulombovom zakonu. Pritom tlo ne mora biti osobito kvalitetan vodič, a gubici su svedeni na minimum.
Praksa protiv teorije
U svjetlu konvencionalnih teorija apsurdno zvuči činjenica da se prilikom uobičajenog prijenosa radiosignala veći dio energije od odašiljača prema prijamniku prenosi kroz tlo s obzirom da današnji radioodašiljački sustavi ne koriste Teslin kapacitivni sistem transfera signala. Međutim, treba u obzir uzeti činjenicu da bilo koja standardna uzemljena antena veći dio energije zrači u tlo, iako u bitno manjoj mjeri nego Teslin odašiljački sistem.
U prilog Teslinoj teoriji govori i činjenica da su neki tipovi prijamnih podzemnih antena koristili samo dvije vodljive ploče ukopane u tlo na određenoj međusobnoj udaljenosti, a povezivao ih je vodič u čijem se strujnom krugu nalazio transformator koji je induktivnim putem prenosio signal do prijamnika. Na prvi pogled čini se da se u takvoj anteni ne može inducirati nikakva struja jer se radi o strujnom krugu čija su oba kraja uzemljena. Praksa je dokazala suprotno i time je na neki način uzdrmala trenutno važeću teoriju da Zemlja neutralizira bilo koji naboj koji se u njenu litosferu odvodi putem uzemljenja, odnosno da uzemljenje (u ovom slučaju terminali podzemne antene) u biti predstavlja samo raspodijeljeni otpor.
U prilog Teslinoj teoriji govori i sam Rogers u slijedećem pismu: Hyattsville, Md.m., 13 siječnja, 1919. Dr. Nikola Tesla, New York City, N.Y.
Dragi dr. Tesla! Upravo sam s velikim zanimanjem pročitao Vaš članak u Electrical Experimenteru. Godinama sam čvrsto vjerovao u teoriju da udaljene antene utječu jedna na drugu kroz medij Zemlje, a ne kroz eter iznad površine Zemlje i veliko zadovoljstvo mi predstavlja činjenica da i tako istaknuta ličnost poput Vas vjeruje u istu stvar. Nikad nisam upoznao znanstvenika koji bi podržavao takvu ideju do trenutka kad sam im demonstrirao rezultate u priloženim papirima ilustrirajući pritom jedan od načina za iskorištavanje energije koji sam pronašao, a koji ste tako jasno i odlučno opisali. Unatoč tome, suočen sam s nekima koji se ne žele odreći starih teorija. Bio bih Vam vrlozahvalan kad biste mi učinili čast i napisali nekoliko redaka o znanstvenim aspektima otkrića. Ako se u bilo kojem trenutku slučajno zateknete u Washingtonu, bit ću vrlo počašćen ako posjetite moj laboratorij i osvjedočite se o postignutim rezultatima. Vrlo iskreno, J. Harris Rogers
Sam Tesla je u nekoliko navrata upozorio da se njegovi patenti predstavljaju kao tuđi uz minimalne i beznačajne preinake originala. Uostalom, dovoljno je pogledati američki patent br. 613809 i uvjeriti se da je Tesla još 1898. godine predstavio antene koje su koristile dva uzemljena kraja, a služile su za prijam radiosignala nisko iznad tla ili kroz samo tlo. Većina kasnijih patenata naprosto su derivacije ovog istog patenta. Ironija je što je i sam Rogers, koji je izuzetno cijenio Teslu, koristio izravne derivacije Teslinih patenata, makar u njegovu obranu treba reći i da je javno u više navrata navodio Tesline patente i radove kao izvor inspiracije….
Zvonimir Rudomine
Izvor: blog.vecernji.hr