150 năm ngày sinh Nikola Tesla: Nhà phát minh của những giấc mơ

Giấc mơ về một loại động cơ
Tesla sinh ngày 10/7/1856 trong một gia đình người Xec-bi ở vùng biên giới của đế quốc Áo-Hung, ngày nay là Croatia. Khi còn thiếu niên, Tesla học kỹ thuật ở trường Bách khoa Joanneum ở Graz, Áo. Ở đó, những bài giảng về vật lý của giáo sư Jacob Poeschl đã cuốn hút rất nhiều người trẻ tuổi. Từ những bài giảng của Poeschl, Tesla đã bắt đầu suy nghĩ về một trong những phát minh quan trọng nhất của mình, một động cơ AC (điện xoay chiều). Một ngày, khi quan sát giáo sư của mình đang cố gắng khắc phục hiện tượng phát tia lửa điện từ các chổi quét đảo mạch của một động cơ DC (điện một chiều), Tesla đã nảy ra ý tưởng chế tạo một loại động cơ mà không cần đến bộ đảo mạch, anh lập tức đề xuất với thầy. Bực mình vì sự ngang bướng của học trò, Poeschl đã diễn giải một tràng dài về sự bất khả thi trong việc chế tạo một loại động cơ như vậy, cuối cùng ông kết luận: “Anh Tesla có lẽ sẽ làm nên những thứ vĩ đại, nhưng chắc chắn là anh sẽ không bao giờ làm được cái động cơ ấy đâu!”. Tuy nhiên, sự quở trách ấy đã làm bùng lên trong Tesla những ngọn lửa quyết tâm sôi sục của khát vọng tuổi trẻ. Trong suốt những năm còn ở Graz và sau đó là Prague, anh đã không ngừng theo đuổi một cách miệt mài việc nghiên cứu chế tạo một loại động cơ không phát sinh tia lửa điện.
Năm 1881, Tesla dời đến Budapest để làm việc cho hai anh em Tivadar và Ferenc Puskas. Là một nhà tài trợ đầy tham vọng, Tivadar đã từng thuyết phục Thomas A. Edison trao cho mình bản quyền những phát minh để giới thiệu chúng ở lục địa Châu Âu. Anh em nhà Puskas đang có kế hoạch xây dựng một trạm điện thoại ở Budapest sử dụng mẫu thiết kế điện thoại cải tiến của Edison. Thật không may, họ đã không thể tìm được người làm việc khi Tesla đột nhiên ốm nặng. Nhờ có sự quan tâm của người bạn học Anthony Szigeti mà Tesla đã có thể hồi phục.
Chính trong một buổi đi dạo với Szigeti, Tesla đã nảy ra một ý tưởng xuất thần về chiếc động cơ của mình. Khi họ đang say mê ngắm cảnh hoàng hôn, Tesla đã đột nhiên hình dung ra việc sử dụng từ trường quay cho chiếc động cơ – đó chính là một ý tưởng mang tính quyết định. Tesla đã thực hiện việc đảo ngược cấu hình kỹ thuật, thay vì việc thay đổi cực từ ở rotor, ông đã thay đổi từ trường ở bên trong chính stator. Cấu hình mới này đã loại bỏ một cách tự nhiên sự phát sinh tia lửa điện. Tesla đã thấy rằng, nếu từ trường trong stator mà quay, nó sẽ làm cảm ứng một điện trường trên rotor và do đó khiến cho rotor quay. Ông cũng bắt đầu hình dung ra rằng, từ trường quay có thể được tạo ra bằng việc sử dụng AC thay vì DC, nhưng ở thời điểm đó ông vẫn chưa biết làm thế nào để biến ý tưởng này thành hiện thực.
Phát minh của thợ đào kênh.

Tesla đã dành tới 5 năm tiếp theo để thử nghiệm và định hình nên chiếc động cơ của mình. Sau khi giúp anh em nhà Puskas xây dựng trạm điện thoại ở Budapest, Tesla cùng với Tivadar dời đến Paris, tại đó họ tham gia vào việc thiết lập hệ thống chiếu sáng của thành phố. Năm 1884, Tesla đến New York để gặp Edison nhưng ông đã không có dịp để xây dựng mối quan hệ với nhà phát minh lỗi lạc này. Ở New York, Tesla suýt nữa thì đã có thể trình bày với Edison về ý tưởng chiếc động cơ của mình. Ông nhớ lại: “Lúc ấy là ở đảo Coney, và tôi đang chuẩn bị giải thích cho Edison thì một ai đó đã chạy đến kéo ông ấy đi. Chiều hôm ấy tôi về nhà và bị sốt, lần này thì tôi quyết định sẽ không nói với bất cứ người nào về chiếc động cơ của mình”. Vài tháng sau, khi Tesla vừa hoàn thành việc thiết kế một hệ thống phát sáng hồ quang cải tiến, người quản lý của ông đã nuốt lời không trả món tiền thưởng như đã hứa, nhà phát minh đã bỏ đi trong sự căm phẫn.
Sau đó Tesla đến làm việc cho hai nhà kinh doanh Benjamin A. Vail và Robert Lane đến từ Rahway  , họ đã khuyên ông đăng ký bằng phát minh về hệ đèn hồ quang để họ có thể thương mại hóa nó. Tesla đã ngây thơ trao bản quyền phát minh cho hai kẻ quỷ quyệt này với một niềm tin rằng họ sẽ đưa vào sản xuất ra những thiết bị để cạnh tranh với Edison. Tuy nhiên, Vail và Lane đã quyết định dành tiền đầu tư vào các ứng dụng bóng đèn điện. Vì thế, khi các đèn hồ quang của Tesla vừa được sử dụng ở Rahway thì hai nhà kinh doanh đã lập thức sa thải ông và tổ chức lại nhà máy. Hoàn toàn trắng tay sau khi bị bỏ rơi, Tesla đã buộc phải đi đào kênh để kiếm sống.      
Mặc dù phải chịu đựng cả một năm cực nhọc, Tesla cũng đã tập trung tài năng của mình trong tháng 3 năm 1866 để hoàn thành một bằng sáng chế ứng dụng cho động cơ từ nhiệt – đó là một thiết bị mới, hoạt động dựa trên việc đốt nóng và làm lạnh các nam châm. Sau khi trình bày phát minh của mình cho người quản đốc công việc đào kênh, Tesla đã được giới thiệu đến gặp Charles Peck, một luật sư khá thông minh. Bị hấp dẫn bởi cái động cơ từ nhiệt, Peck đã quyết định bảo trợ cho nghiên cứu của Tesla. Vì không phải là một chuyên gia kỹ thuật nên Peck đã mời Alfred Brown, một giám sát viên ở Western Union tham gia hỗ trợ cho Tesla.
Peck và Brown đã thuê một phòng thí nghiệm cho Tesla ở Manhattan, tại đó nhà phát minh lại miệt mài phát triển chiếc động cơ từ nhiệt của mình. Cho đến khi thấy được sự không hiệu quả của mô hình động cơ này, Peck đã để Tesla tiếp tục hoàn thiện các động cơ AC. Tesla đã bắt đầu làm thí nghiệm với một tổ hợp các dòng xoay chiều dùng cho động cơ. Cách làm này tỏ ra khá là bất thường, bởi vì hầu hết các nhà thực nghiệm thời đó đều chỉ làm việc với một dòng xoay chiều trong hệ thống của họ. Đến tháng 9/1887, Tesla đã khám phá ra rằng, ông có thể tạo ra một từ trường quay khi cho hai dòng xoay chiều riêng biệt đi vào các cặp cuộn dây đặt đối diện nhau trên stator. Ngày nay thì hai dòng điện đó được gọi là lệch pha nhau 90 độ, và chiếc động cơ sẽ hoạt động với dòng điện hai pha. Rất tự hào và phấn chấn về thành quả đạt được, Tesla cũng đã cho ra đời một số sáng chế khác, cũng dựa trên nguyên lý từ trường quay. Đặc biệt quan trọng là, chính Tesla đã đưa ra ý tưởng rằng dòng xoay chiều đa pha có thể truyền năng lượng qua những khoảng cách đáng kể.
Khi động cơ AC của Tesla đã chứng tỏ một cách rõ ràng tính hiệu quả, những người bảo trợ của ông đã bắt đầu nghĩ đến việc quảng cáo nó để thu lợi. Peck và Brown đã lập kế hoạch bán đấu giá các phát minh của Tesla, chứ không phải đưa chúng vào quy trình sản xuất. Cuối cùng, họ đã sắp đặt để Tesla làm công việc giảng dạy trước khi Viện Kỹ thuật Điện Mỹ ra đời vào năm 1888. Những bài giảng của Tesla được đăng trên tạp chí đã sớm thu hút được sự quan tâm của George Westinghouse, một người đã thành danh trong việc chế tạo các hệ thống phanh khí và hệ thống tín hiệu cho đường ray xe lửa. Vào thời điểm đó, các công ty sản xuất đèn điện đã tính đến việc chuyển từ DC sang AC, vì AC có thể được truyền qua các khoảng cách xa hơn, đến được với nhiều khách hàng hơn. Trong khi Edison vẫn tập trung vào các kỹ thuật DC, thì Westinghouse lại quyết định đánh cuộc với AC. Chính vì vậy, Peck và Brown đã có thể thuyết phục ông trả một số tiền hậu hĩnh cho các phát minh của Tesla. Vào tháng 7/1888, Westinghouse đã trả trước 75.000 đô la và tiền bản quyền 2,5 đô la cho mỗi sức ngựa mà mỗi động cơ được sản xuất. Tesla đã hào phóng chia cho hai người bảo trợ của mình năm phần chín số tiền thu được.
Westinghouse hy vọng các động cơ của Tesla có thể được sử dụng để chạy các xe điện trên phố, vì vậy Tesla đã tới Pittsburgh để cải tiến thiết kế của ông cho phù hợp với ứng dụng này. Tuy nhiên, nhà phát minh và các kỹ sư của Westinghouse đã gặp lúng túng trước những khó khăn kỹ thuật. Vì động cơ của Tesla đòi hỏi hai dòng xoay chiều và bốn đầu dây, nó không thể được mắc vào hệ AC đơn pha đã có, vì vậy người ta cần phải lắp đặt thêm các dây bổ sung. Mặc dù Tesla cũng đã phát triển một số động cơ hai dây, cái gọi là những thiết kế chia pha hoạt động tốt nhất ở những tần số 50Hz hoặc thấp hơn, nhưng vào thời điểm đó, hệ thống đơn pha của Westinghouse lại sử dụng dòng 133Hz để sao cho khách hàng không thể nhìn thấy các bóng đèn nóng sáng bị nhấp nháy.
Các kỹ sư của Westinghouse cuối cùng đã giải quyết được vấn đề bằng việc điều chỉnh động cơ của Tesla và phát triển một hệ AC mới sử dụng dòng ba pha 60Hz. Westinghouse đã trình diễn một cách ngoạn mục kỹ thuật mới này khi xây dựng một trạm thủy điện ở thác Niagara, công trình này đã truyền điện năng qua một khoảng cách 25 dặm tới những nhà máy ở Buffalo. Ngày nay, động cơ của Tesla và hệ AC đa pha đã trở thành nền tảng cho hệ thống cung cấp điện năng ở Bắc Mỹ.
Sự cộng hưởng điện
Từ lâu trước khi trạm Niagara đi vào hoạt động, Tesla đã cảm thấy nóng ruột và rời bỏ Westinghouse. Sử dụng số tiền bản quyền của mình, năm 1889 Tesla đã thiết lập một phòng thí nghiệm mới ở thành phố New York. Để thu hút sự quan tâm của công chúng, ông đã tự tạo cho mình hình ảnh về một nhà phát minh lập dị. Cũng như sự hiếu kỳ đối với những phát minh của Edison ở Menlo Park trong những năm 1870, thì trong những năm 1890, người ta cũng đổ xô đến phòng thí nghiệm của Tesla để xem các phát minh kỳ lạ của ông.
Trong khi tìm cách để tạo ra ánh sáng hồ quang bằng việc sử dụng hệ AC, Tesla đã tìm ra những hiện tượng mới rất cơ bản, liên quan đến các hiện tượng điện tần số cao. Ông đã băn khoăn, tự đặt ra câu hỏi rằng nếu có thể tạo ra những động cơ bằng dòng AC 60Hz thì có thể chế tạo được cái gì với một dòng điện có tần số 10.000Hz? Trước đây, Tesla đã nối các cuộn cảm từ, điện trở và tụ điện lại với nhau để tạo thành các động cơ chia pha của ông, còn bây giờ ông lại nối cuộn cảm với tụ điện theo một cấu hình mới để tạo ra những dòng tần số cao.
Nhà phát minh đã theo đuổi hướng nghiên cứu này trong suốt 15 năm tiếp theo. Tesla đã nhận ra rằng, một mạch được cấu hình thích hợp có thể khuếch đại các tín hiệu điện, nâng cao tần số và hiệu điện thế của chúng. Từ đó, ông đã chế tạo những “máy phát khuếch đại khổng lồ” – ngày nay được gọi là các cuộn dây Tesla, những thiết bị này có thể sinh ra những tia lửa điện dài hơn 40m. Tesla còn nhận ra một điều rất quan trọng là, hiện tượng cộng hưởng có thể được ứng dụng để dò các tín hiệu vô tuyến. Một máy phát với một tụ điện và cuộn cảm nhất định có thể sinh ra tín hiệu ở một tần số nhất định. Tương tự như thế, nếu ở máy thu cũng có tụ điện và cuộn cảm như ở máy phát thì nó cũng sẽ phản ứng mạnh nhất đối với tần số của tín hiệu máy phát.
Từ ý tưởng cơ bản về hiện tượng cộng hưởng điện, Tesla đã đồng thời theo đuổi những phát minh trong lĩnh vực chiếu sáng, truyền tín hiệu không dây và phân phối điện năng không dây. Với hy vọng phát triển một loại bóng đèn hiệu suất cao để thay thế bóng đèn nóng sáng của Edison, Tesla đã không chỉ sáng tạo nên những bóng đèn huỳnh quang mà còn khám phá ra rằng có thể sử dụng một ống chân không để phát hiện các sóng vô tuyến. Mặc dù nhà phát minh thiên tài đã không tiếp tục theo đuổi khám phá này, nhưng J. A. Fleming và Lee De Forest đã tiếp bước ông để chế tạo ra những bóng đèn điện tử dùng trong kỹ thuật vô tuyến.
Với những mạch điện hoàn chỉnh để thu và phát các sóng vô tuyến, Tesla đã thử nghiệm chúng với các ăng-ten được treo vào những quả bóng lơ lửng trên nóc phòng thí nghiệm và trên nóc khách sạn ở Manhattan của ông. Nhưng thật bất hạnh, ngay khi bắt đầu có được những kết quả đầy hứa hẹn thì phòng thí nghiệm của Tesla bị cháy tan tành vào tháng 3/1895, toàn bộ những hệ thống thiết bị nghiên cứu và kết quả ghi chép đều mất sạch.

Tesla trong văn phòng của ông ở New York năm 1916

Hệ thống phát năng lượng toàn cầu        
Mùa xuân năm 1899, Tesla đã đóng cửa phòng thí nghiệm xây lại của ông ở New York và lập nên một trung tâm nghiên cứu ở vùng núi Pikes Peak, thuộc Colorado. Tại đó, nhà phát minh đã tập trung giải quyết một vấn đề mà ông tin rằng nó sẽ trở thành ứng dụng quan trọng nhất của sóng điện từ: sự truyền năng lượng không cần dây dẫn đến khắp nơi trên thế giới. Vào thời đó, nhu cầu về điện ở Mỹ dường như không thể được thỏa mãn, mặc dù khắp nơi đã chằng chịt các đường dây. Chính vì vậy, nhà phát minh đã mơ về một mạng lưới viễn thông có thể vừa truyền điện năng vừa truyền thông tin mà không cần dây dẫn.
Giấc mơ mới mẻ đó của Tesla đã được dựa trên cơ sở về hiện tượng cộng hưởng điện. Giống như những nhà nghiên cứu vô tuyến đi trước, ông cũng đã nhìn nhận mối quan hệ giữa máy phát và máy thu như hai yếu tố duy nhất của một hệ khép kín. Đầu tiên, máy phát gửi sóng vô tuyến đến qua không khí đến máy thu. Sau đó, vì cả hai thiết bị đều được đặt trên mặt đất nên một dòng phản hồi sẽ đi từ máy thu qua mặt đất đến máy phát. Không giống như nhiều người chỉ chú trọng vào việc phát sóng vô tuyến qua khí quyển, Tesla lại quyết định tập trung vào những dòng điện trong lòng đất. Ông đã suy nghĩ rằng, tại sao lại không thể có một máy phát gửi các sóng qua lòng đất đến máy thu rồi sau đó phản hồi lại qua khí quyển? Tesla đã tưởng tượng ra rằng có thể xây dựng một trạm phát để truyền năng lượng điện từ vào vỏ trái đất cho đến khi đạt tới tần số cộng hưởng điện của hành tinh. Khi đó toàn Trái đất sẽ phát ra các xung năng lượng, và chúng có thể được thu nhận bởi các trạm thu trên khắp thế giới. Tesla đã thiết lập một số máy phát lớn ở thành phố Colorado Springs để thử nghiệm lý thuyết này và ông rất tự tin rằng chúng đã thành công trong việc phát năng lượng khắp thế giới. (Tesla thậm chí còn tin rằng, các tín hiệu của ông đã đến được sao Hỏa và ông đã nhận được một thông điệp phản hồi từ những người sao Hỏa!).
Rất mãn nguyện với niềm tin rằng, năng lượng có thể được truyền qua lòng đất đến khắp nơi trên hành tinh, Tesla trở về New York vào năm 1900. Sau đó, Tesla đã viết một bài dài 60 trang cho tạp chí Thế kỷ với tiêu đề “Vấn đề tăng cường nguồn năng lượng của loài người”. Và những nỗ lực của ông đã được đền đáp vào năm 1901, trùm tư bản J. Pierpont Morgan đã đầu tư 150.000 đô la cho đề án truyền năng lượng không dây của Tesla. Nhà phát minh đã nhanh chóng tận dụng số tiền này, không tiếc chi phí để trang bị cho một phòng thí nghiệm mới ở Wardenclyffe, bờ bắc của Long Island. Mặc dù Morgan đã từ chối cung cấp thêm tiền và Tesla cũng đã không thu được những kết quả kỹ thuật mong muốn song nhà phát minh vẫn xây dựng một tháp ăng-ten cao 57m ở Wardenclyffe. Thậm chí những mối quan hệ với nhiều nhà tài trợ ở New York cũng đã không thể giúp Tesla đảm bảo được các chi phí tài chính để hoàn thành đề án của mình, ông nhanh chóng bị rơi vào tình trạng suy sụp tinh thần.
Những năm cuối đời và di sản để lại
Tesla đã hy vọng có được tiền để tiếp tục công việc ở Wardenclyffe bằng việc chuyển những nỗ lực sáng tạo của ông từ kỹ thuật điện sang kỹ thuật cơ khí. Nhận thức được rằng, các động cơ piston hơi nước của những nhà máy điện đang được thay thế bởi những tua-bin hơi nước có hiệu suất cao hơn, ông đã bắt đầu nghiên cứu một mô hình thiết kế tua-bin hoàn toàn không có cánh quạt. Cũng giống như những phát minh khác của ông, tua-bin không có cánh quạt được dựa trên một ý tưởng lớn. Vì từ trường quay có thể làm quay rotor của động cơ AC nên Tesla đã nghĩ rằng có thể dùng lực nhớt của hơi nước để tác động lên những đĩa mỏng đặt gần nhau được gắn chặt vào một cán tua-bin. Thiết kế tua-bin của Tesla đã hoạt động ở tốc độ vượt quá 10.000 vòng mỗi phút nhưng thật không may tốc độ đó quá nhanh và vượt quá sức chịu đựng của tất cả các đĩa thép mỏng.
Mặc dù Tesla đã không thể thuyết phục bất cứ ai đưa vào sản xuất mẫu tua-bin của mình nhưng ông cũng đã có được bằng phát minh về một loại đồng hồ đo tốc độ tự động dựa trên cùng một nguyên lý giống với chiếc tua-bin. Trong suốt hai chục năm sau đó, Tesla đã sống bằng tiền bản quyền cho phát minh về chiếc đồng hồ đo tốc độ của ông. Ông cũng đã viết báo cho các tạp chí phổ biến khoa học, trong đó ông thường nhắc đến tương lai của điện và vô tuyến. Tuy nhiên, càng ngày ông càng cảm thấy buồn rầu và chán nản. Cuối cùng ông trở thành một người ẩn dật, lang thang hết khách sạn này đến khách sạn khác.
Năm 1931, để kỷ niệm ngày sinh lần thứ 75 của Tesla, tạp chí Time đã đăng trên trang nhất một câu chuyện kể về nhà phát minh đánh tín hiệu lên các ngôi sao với chiếc “máy Tesla” của ông – đó là một máy phát vô tuyến khổng lồ. Rất hứng thú với việc kỷ niệm này, Tesla đã quyết định tổ chức những cuộc họp báo hàng năm vào ngày sinh nhật ông. Trong những buổi họp này, Tesla đã liên tục cảnh báo về những mối nguy hiểm của cuộc chiến tranh toàn cầu và cho rằng thảm họa đó có thể tránh được bằng việc phát triển một loại siêu vũ khí có khả năng duy trì sự cân bằng của các lực lượng. Ông tuyên bố rằng, nó chính là một loại súng phát ra chùm tia có thể tập trung một lượng lớn năng lượng để chiếu vào các máy bay, tàu chiến và quân đội. Năm 1937, khi Tesla đang đi dạo quanh thành phố, ông bị một chiếc taxi đâm phải. Lần này thì nhà phát minh vĩ đại đã không bao giờ có thể hồi phục được nữa, ông mất vào ngày 8/1/1943.
Tesla đã để lại một di sản phong phú các phát minh. Ông được biết đến như cha đẻ của động cơ AC và năm 1956, cái tên “tesla” được đặt cho một đơn vị quốc tế đo mật độ dòng của từ trường. Những tiên đoán đầy bí ẩn và kỳ lạ của ông đã khiến ông trở thành một vị thánh đối với những nhóm người đi theo những niềm tin tâm linh không chính thống. Bị mê mẩn bởi những tuyên bố của Tesla về sự khám phá những bí ẩn huyền ảo của vũ trụ, những tín đồ này đã cho rằng, các nhân vật quyền lực như Edison và Morgan đã âm mưu ngăn cản Tesla hoàn thiện các phát minh và sự nghiệp cách mạng hóa thế giới của ông.
Mặc dù những tuyên bố cường điệu và những đồn đại là thiếu cơ sở, nhưng Tesla đã thực sự là một con người có những đóng góp vĩ đại cho khoa học kỹ thuật. Khả năng tập trung vào những nguyên lý cơ bản là sức mạnh lớn nhất của ông, nhưng nó cũng đồng thời là điểm yếu lớn nhất của ông. Tesla đã quá say mê với vẻ đẹp của những khái niệm cơ bản, say mê đến mức ông đã không thể ngừng được việc theo đuổi đến từng chi tiết để hoàn thiện những phát minh của mình.