Réplica del Huevo de Colón de Tesla

Hay una leyenda sobre Cristóbal Colón ganando una apuesta contra sus críticos haciendo que un huevo se pare en su punta. Esa historia se utiliza a menudo para ilustrar el hecho de que a menudo es simple entender el descubrimiento después de que ya ha sucedido. Ese principio es indudablemente cierto en el caso del famoso inventor Nikola Tesla que descubrió las leyes del campo magnético rotativo. Sus descubrimientos llevaron a la invención del motor de inducción polifásico. Aunque Tesla no descubrió la corriente alterna, fue el primero en aprovecharla y usarla para hacer un trabajo útil y eficiente.

Hoy en día prácticamente todos los motores eléctricos utilizados en la vida cotidiana se basan en los principios del campo magnético rotativo de una forma u otra. Cuando Tesla descubrió los principios de utilización del campo magnético rotativo, también concibió generadores y transformadores adecuados para proporcionar medios eficientes de distribución de la energía eléctrica y su transformación. El sistema de Tesla de distribución de corrientes alternas polifásicas se utiliza hoy en día universalmente para el transporte de electricidad desde los generadores de energía eléctrica hasta los usuarios finales.

Tesla originalmente concibió la idea de los principios del campo magnético rotativo en febrero de 1882. Durante ese período el joven Tesla trabajaba como ingeniero eléctrico en Budapest. En su autobiografía Tesla escribió:

Una tarde, que siempre está presente en mi memoria, estaba disfrutando de un paseo con mi amigo en el parque de la ciudad y recitando poesía. A esa edad, me sabía libros enteros de memoria, palabra por palabra. Uno de ellos era el "Fausto" de Goethe. El sol se estaba poniendo y me recordó el glorioso pasaje, "Sie rückt und weicht, der Tag ist überlebt, Dort eilt sie hin und fordert neues Leben. Oh, da kein Flugel mich vom Boden hebt Ihr nach und immer nach zu streben! Ein schsner Traum indessen sie entweicht, Ach, au des Geistes Flygein wird so leicht Kein korperlicher Flugel sich gesellen!" Mientras pronunciaba estas inspiradoras palabras, la idea surgió como un relámpago y en un instante se reveló la verdad. Dibujé con un palo en la arena, el diagrama mostrado seis años después en mi discurso ante el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, y mi compañero lo entendió perfectamente. Las imágenes que vi eran maravillosamente nítidas y claras y tenían la solidez del metal y la piedra, tanto que le dije: "Vea mi motor aquí; mire cómo lo invierto".

Nikola Tesla

Durante los siguientes nueve años Tesla trabajó en el perfeccionamiento y la mejora de sus innovaciones en el campo de la generación, transporte y utilización de la corriente alterna. Los esfuerzos de Tesla por comercializar su sistema condujeron posteriormente a un enfrentamiento profesional con Thomas A. Edison en la llamada "Guerra de las corrientes". El sistema de CA de Tesla de transmisión y utilización de energía eléctrica demostró ser superior al sistema de corriente continua de Edison y finalmente ganó la "guerra de las corrientes". Incluso en el siglo XXI prácticamente todas las redes de distribución eléctrica del mundo utilizan los descubrimientos e innovaciones de Tesla.

Para ilustrar mejor los conceptos e ideas subyacentes a sus inventos, Tesla a menudo recurría al espectáculo. Muy pronto, Tesla se dio cuenta de que los diagramas de ingeniería y las patentes no eran lo suficientemente interesantes para la mayoría de la gente y lo mismo sigue siendo cierto hoy en día. Durante los años 1890 y principios de 1900, Tesla era famoso por sus experimentos con corrientes eléctricas de alto potencial y alta frecuencia. A menudo dejaba que las descargas eléctricas viajaran por su cuerpo, lo que para la mayoría de la gente de su época parecía un milagro.

Sin embargo, su concepto de campo magnético rotativo fue algo más difícil de presentar porque el campo magnético no es visible a simple vista. Finalmente, Tesla tuvo una excelente idea de reemplazar el rotor del motor de inducción de 2 fases por un huevo de cobre. De esta manera, el huevo de cobre giraría en el campo magnético rotatorio como lo haría cualquier rotor del motor de inducción. A medida que el huevo de cobre ganaba velocidad de rotación, se levantaba sobre su eje principal como consecuencia del efecto giroscópico. Tesla presentó su modelo "El huevo de Tesla de Colón" en 1893 en la exposición de la Feria Mundial de Chicago. El "Huevo de Colón de Tesla" se hizo rápidamente popular entre los visitantes de la exposición de la Feria Mundial por su ingenio así como por su aspecto estético. Incluso hoy en día el "Huevo de Tesla de Colón" produce una sensación de asombro en las personas que son testigos de los efectos del campo magnético giratorio invisible. También demostró ser una gran herramienta educativa que simplemente transmite los principios básicos de la ingeniería electrotécnica a quienes no son ingenieros.

Conceptualmente, las réplicas del "Huevo de Tesla de Colón" no son difíciles de reproducir. Sin embargo, suelen desviarse del modelo de Tesla en algunos aspectos cruciales.

La primera diferencia es que prácticamente todas las reproducciones usan bobinas de CA trifásicas, a diferencia del sistema original de dos fases de Tesla. Aunque las reproducciones trifásicas describen con precisión la idea general de Tesla del campo magnético rotativo, también representan una inexactitud histórica en el aspecto tecnológico. La razón principal para utilizar bobinas trifásicas en las reproducciones de "El Huevo de Tesla de Colón" es la disponibilidad inmediata de la corriente alterna trifásica que se utiliza prácticamente en todo el mundo y la posibilidad de utilizar configuraciones estándar de bobinas estelares o delta.

La segunda diferencia es la apariencia estética de tales reproducciones modernas. Si bien es cierto que la estética del modelo del "Huevo de Colón de Tesla" no es relevante desde el punto de vista tecnológico, opinamos que el verdadero espíritu de las ideas de Tesla se ha perdido. Todo lo que Tesla produjo para sus conferencias y exposiciones públicas siempre exhibió un alto nivel de artesanía y un gran valor estético. De hecho, muchos profesionales contemporáneos de Tesla alabaron su precisión, pulcritud e incluso belleza de los modelos que presentó. Prácticamente todas las réplicas modernas del "Huevo de Colón de Tesla" no tienen la delicadeza estética de los dispositivos tecnológicos de la era victoriana.

Actualmente, sólo existen en el mundo unos pocos modelos funcionales del "Huevo de Colón de Tesla" que exhiben un valor tanto técnico como estético en el espíritu del modelo original de Tesla.

Una réplica se exhibe en el Museo Tesla de Belgrado, Serbia, con el tamaño y la forma más parecidos al original que se presentó en 1893 en la exposición de la Feria Mundial de Chicago. Aunque históricamente es más precisa por su tamaño y forma, encontramos este modelo simplemente demasiado modesto en su tamaño.

Otro modelo del Huevo de Colón de Tesla se exhibe en el Museo Técnico de Zagreb, Croacia. Este modelo fue hecho como un accesorio de trabajo para la filmación de la serie de televisión sobre la vida de Nikola Tesla, que fue filmada durante la década de 1970 en Yugoslavia. Nos gusta mucho esta versión porque es más grande que el modelo exhibido en el Museo de Tesla en Belgrado. Sin embargo, esta réplica es de baja calidad y artesanía, lo cual es comprensible considerando el período durante el cual fue hecha y el escaso presupuesto disponible en ese momento.

Otros dos modelos del Huevo de Colón de Tesla se exhiben en el Centro Conmemorativo de Tesla en Smiljan (Croacia) y en el Museo Histórico de Croacia en Zagreb (Croacia). Ambos últimos modelos-replicas fueron diseñados y fabricados por Zvonimir Rudomino, el propietario de RT17 d.o.o. Nos enorgullece decir que son los más grandes del mundo tanto por su tamaño como por su peso, al tiempo que se prestó un cuidado excepcional a la estética y a la conformidad con las normas modernas de seguridad.

Haciendo réplicas funcionales del Huevo de Colón de Tesla

A fines de 2005, el Sr. Rudomino fue contactado por las personas asignadas por el Gobierno croata para diseñar, construir y equipar el nuevo Centro Conmemorativo de Tesla en Smiljan, que se inauguraría en julio de 2006 en la fecha del 150º cumpleaños de Nikola Tesla. Durante las conversaciones preliminares se decidió que se debían diseñar y construir algunos modelos de trabajo de los inventos de Tesla. El Sr. Rudomino debía producir al menos cuatro modelos funcionales diferentes: el Huevo de Colón de Tesla, el motor de inducción de dos fases de Tesla, la turbina de Tesla y el transformador de Tesla. Se decidió que todos los modelos funcionales debían seguir lo más fielmente posible el diseño original de Tesla, tanto en los detalles tecnológicos como en los estéticos. También se decidió que esas réplicas funcionales tendrían que satisfacer todas las normas de seguridad modernas y también tendrían que pasar las evaluaciones de seguridad de la institución gubernamental correspondiente. En ese momento, era evidente que el desafío tecnológico sería enorme, dados los requisitos aparentemente contradictorios. Hasta marzo de 2006, no se celebraron más conversaciones y era evidente que todo el proyecto probablemente se cancelaría. Sin embargo, a principios de marzo de 2006 se celebró otra serie de negociaciones y en el último momento se añadieron requisitos adicionales, como el control automatizado de los modelos funcionales. Todas esas réplicas funcionales debían diseñarse desde cero, producirse, ensamblarse, probarse y aprobarse por las autoridades en menos de cuatro meses. Aunque era evidente que esa tarea sería una pesadilla de ingeniería y logística, después de una breve consideración de todos los requisitos, finalmente acordamos y aceptamos el trabajo encargado.

Durante los años siguientes se entregaron varios juegos de Tesla's Egg of Columbus a varios clientes.

En 2008 entregamos otro gran Huevo de Colón de Tesla y una gran bobina de Tesla al Museo Histórico de Croacia para su exposición itinerante con el tema de la vida y la obra de Nikola Tesla. Debido al bajo presupuesto, en este caso, personalizamos el modelo para reducir el costo total. Este modelo del Huevo de Tesla de Colón se hizo con tipos comunes de madera, la madera contrachapada y el huevo de cobre se hizo por hilado en lugar de mecanizado. Su simple belleza y atención a los detalles atrajo la atención de los visitantes de la exposición en Madrid, Viena, Bratislava, Helsinki y otras ciudades.

Se entregaron varios modelos más pequeños del Huevo de Tesla de Colón a instituciones educativas de Croacia. Estos modelos fueron personalizados para ser muy simples en su apariencia y con sólo el acabado básico para minimizar el costo.

Unos pocos modelos más pequeños personalizados del Huevo de Colón de Tesla fueron incluso entregados a coleccionistas privados. En tales casos, los requisitos específicos de diseño y acabado incluían un acabado "áspero y desgastado", un diseño de aspecto muy moderno de las piezas de madera e incluso figuritas de cobre maquinadas a medida.

Aspectos tecnológicos y técnicos de la producción

Ensamblaje de piezas de madera

A partir de las discusiones iniciales y en las etapas posteriores se decidió que el modelo funcional del Huevo de Colón de Tesla tenía que ser el más grande del mundo. También se acordó que su diseño estético tenía que ser lo más cercano posible al espíritu de la era victoriana, mientras que al mismo tiempo había que utilizar materiales y tecnologías modernas para cumplir las normas de seguridad y mantener la viabilidad financiera.

En las primeras etapas del proyecto, el conservador del Museo Técnico de Zagreb nos permitió examinar cuidadosamente todos los dispositivos eléctricos originales disponibles de la época victoriana. Queríamos determinar qué tipo de madera se usó durante ese período, qué variedad de texturas retenía y cuáles eran las pinturas y lacas más usadas. Después de cuidadosas consideraciones, se decidió evitar los modernos materiales de madera compuesta porque no estaban disponibles durante la era victoriana. También se seleccionaron pinturas y barnices adecuados de manera que coincidieran estrechamente con los acabados de madera que se utilizaban en la construcción de dispositivos técnicos a finales del siglo XIX. Otra cosa a tener en cuenta fue la durabilidad de la madera con la que se hizo la placa de madera porque la réplica funcional debe ser utilizada durante décadas con el menor mantenimiento posible. Finalmente, nos conformamos con la madera exótica de iroko debido a su dureza (históricamente, los primeros relojes usaban engranajes hechos de iroko) y al ligero nivel de untuosidad. La ligera untuosidad de la estructura de la madera debería disminuir el desgaste del material de madera si la pintura y la laca en el centro de la placa de madera se desgastara eventualmente después de un largo tiempo de uso.

En ese momento, se hicieron modelos de ingeniería 3D para facilitar las discusiones con los diseñadores sobre la apariencia final de todo el modelo. En ese momento se decidió que la base de todo el modelo debía tener una forma cuadrada para que encajara en los puestos de exhibición existentes en el museo. Además, acordamos que la forma rectangular sería más adecuada para dejar espacio para las réplicas patinadas de latón de los terminales eléctricos que fueron al mismo tiempo diseñados y producidos para el modelo funcional del motor de inducción de 2 fases de Tesla. De esa manera, la aparente simetría de todo el modelo funcional se rompió y los terminales eléctricos adicionales dieron más "vida" al modelo. Otra adición fueron grandes separadores de madera que elevaron efectivamente el estator de la base del modelo, permitiendo así una manipulación más fácil del estator, y también proporcionó una dinámica visual adicional a todo el modelo.

Una vez que se adquirieron las tablas de material de madera, se mecanizaron para que encajaran perfectamente y se fijaron con "galletas" de madera y pegamento especial. De esta manera, se formó una placa de madera uniforme muy resistente y fue posible mecanizar la placa de madera a partir de una sola pieza de madera. La placa de madera fue tallada por un preciso proceso de mecanizado CNC que permitió una gran precisión, reproducibilidad y evitó la formación de "pasos" que harían saltar el huevo de cobre durante su rotación. Aunque las piezas más exigentes de la carpintería se mecanizaron con CNC, el resto del trabajo se hizo manualmente para reducir el coste total del modelo funcional.

Finalmente, todas las partes de madera fueron alisadas con lija de grano muy fino para eliminar cualquier irregularidad que quedara y proporcionar una base de alta calidad para la pintura y el barnizado. Como se decidió que toda la textura de la madera debía ser visible, para mantener los diseños de la era victoriana, la pintura se hizo manualmente con pintura a base de alcohol en el tono de color que se usaba comúnmente a finales del siglo XIX. Todo el proceso se finalizó rociando varias capas finas de laca moderna que protege la pintura y la madera de la humedad y la influencia de los rayos UV. Las finas capas de laca cuidadosamente elegidas también proporcionan un efecto visual "satinado" que se asemeja mucho al aspecto de la madera de los aparatos fabricados a finales del siglo XIX.

El ensamblaje final de toda la carpintería tuvo lugar pocos días antes de la apertura del Centro Conmemorativo de Tesla en Smiljan. El diseño en ese momento demostró ser fiable y la carpintería y su acabado no muestran ningún signo de desgaste a pesar de las condiciones desfavorables del Centro Conmemorativo de Tesla en Smiljan (gran cantidad de humedad del aire, bajas temperaturas durante los períodos de invierno).

Partes eléctricas

Desde las primeras etapas del proyecto, se decidió que el estator del Huevo de Colón de Tesla debía estar hecho de materiales modernos en una forma que asegurara bajas pérdidas en el núcleo y que proporcionara un nivel muy alto de estabilidad mecánica y robustez. Una vez que nos pusimos de acuerdo con las dimensiones finales del estator, ordenamos un núcleo de cinta de acero para transformadores hecho a medida y cortado por láser a uno de los principales productores de transformadores de distribución. El núcleo en sí ya estaba bastante firmemente formado y enrollado cuando lo recibimos, pero además lo sumergimos en la resina epoxi especial, aspiramos todas las burbujas de aire y lo horneamos todo durante unas horas. Al final de esta etapa, el núcleo mostró excelentes propiedades eléctricas y mecánicas.

El principal desafío de este núcleo era su tamaño y peso (> 100 kg) y tenía que ser manipulado por tres personas y con la ayuda de una grúa hidráulica de pequeño tamaño. Para evitar cualquier posible daño a las capas posteriores del alambre de cobre lacado ("alambre de imán"), después de que el núcleo se preparara inicialmente, se colocó una capa de la cinta aislante especial de fibra de vidrio en el núcleo. Debido a que se decidió seguir el diseño original de Tesla, tuvimos que enrollar cuatro secciones separadas de varias capas en el gran núcleo del toroide y tuvo que hacerse manualmente. Era un trabajo tedioso que requería tres personas trabajando simultáneamente - dos personas para enrollar manualmente el alambre de cobre manipulando una gran bobina de 20 kg y una persona para manejar una pequeña grúa. El obstáculo adicional era el hecho de que había que colocar aislamiento adicional entre las capas de alambre, pero al final, el estator se enrolló en menos de dos días.

Una vez que el núcleo fue enrollado, diferentes secciones de los devanados fueron interconectadas precisamente como en el caso de los motores de inducción de 2 fases originales de Tesla. Los devanados se conectaron al transformador variable trifásico (monofásico + dos fases conectadas) para elevar lentamente el voltaje aplicado y probar los devanados y el núcleo gradualmente. Finalmente, se aplicó el voltaje total y todo funcionó según lo planeado. En ese momento la placa de madera estaba todavía en la etapa de producción por lo que se improvisó una placa de cartón ordinario y se colocó un bote vacío de pintura en el centro del estator, ligeramente por encima de la llanura media del toroide. El bote empezó inmediatamente a girar y a ganar velocidad hasta que fue lanzado fuera del estator con gran fuerza.

Después de que el estator se probara con éxito, era hora de añadir una capa protectora más de alambre para que el modelo funcional pudiera pasar el examen de seguridad. Así que se colocó otra capa de aislamiento sobre toda la zona de bobinas. En este caso, se eligió el tejido aislante del transformador porque debía ser ligeramente visible y debía ser un material similar a los materiales utilizados a finales del siglo XIX. Cuando la capa de tejido aislante se enrolló alrededor de los bobinados, se pintó varias veces con una solución de laca para darle la mayor autenticidad posible. La última capa de alambre de cobre lacado se enrolló alrededor de todo el toroide mientras la última capa de laca estaba todavía húmeda. Ese último devanado estaba en un extremo conectado a una toma de tierra protectora y su único propósito es proporcionar una seguridad adicional si por algún percance la mayor parte de la capa exterior del estator se daña y si alguien lo toca directamente con la mano desnuda. Después de que se añadió el último devanado, se pintaron siete capas adicionales de laca sobre todo el estator para darle un aspecto más auténtico (el cable de cobre lacado no se usó mucho durante el período en que se fabricó el dispositivo original del Huevo de Colón de Tesla).

Huevo de Cobre

Desde el principio del proyecto, se decidió que el modelo funcional del Huevo de Colón de Tesla que se iba a exhibir en el Centro Conmemorativo de Tesla en Smiljan tendría que ser el más grande y pesado del mundo. La razón principal de esa decisión fue el hecho de que los modelos funcionales se exhibirían en una pequeña casa donde Tesla creció y concibió sus primeras ideas innovadoras. Normalmente producía huevos de cobre hilados, pero en este caso, quería que fuera único, así que decidí hacerlo a partir de dos mitades mecanizadas de bloques sólidos de cobre. Cada una de las dos mitades tendría una rosca que les permitiría formar una sola unidad compacta.

Los modelos de ingeniería 3D fueron diseñados en sólo unos pocos días. Sin embargo, determinar el método adecuado de mecanizado resultó ser una tarea desalentadora. Pronto se hizo evidente que se tendría que utilizar una máquina CNC de 4 ejes para el mecanizado (descascarillado de los bloques). El desafío más difícil fue diseñar soportes adecuados que mantuvieran firme y precisamente las piezas mecanizadas en la posición correcta. Una vez que se diseñaron los soportes adecuados, se necesitaron casi 12 horas de mecanizado lento para lograr la precisión y suavidad adecuadas de las superficies exteriores. Las piezas tenían que ser reposicionadas unas cuantas veces y alineadas con precisión, lo que también contribuyó al tiempo total necesario para todo el proceso de mecanizado.

Finalmente, cuando ambas mitades del huevo fueron terminadas, el huevo de cobre fue ensamblado. El peso total del huevo era de ~1366 - 1387 g. Cuando el huevo de cobre fue finalmente probado en el campo magnético rotatorio del estator terminado, se determinó que tendía a una ligera inestabilidad independientemente del efecto giroscópico que lo estabilizaba cuando giraba a alta velocidad (~3000 RPM). Añadí tres pesos de plomo adicionales y los pegué con resina epoxi dentro de una mitad del huevo. El peso total del huevo de cobre ensamblado con los pesos de plomo añadidos fue en este punto ~1750 g. Se determinó que el extremo del huevo de cobre sobre el que se apoya durante su rotación depende principalmente de la posición del huevo desde la que se inició la rotación cuando se enciende el estator (lugar en la placa de madera y el ángulo del huevo en los tres ejes).

Aunque consideré la posibilidad de pulir el huevo de cobre a un alto brillo y proteger su superficie con una capa muy fina de polímero transparente, se decidió dejar la superficie desprotegida para permitir la formación de una ligera patinación natural. De esa manera se logra una "sensación" adicional de antigüedad y autenticidad, de la misma manera que con los otros modelos funcionales que tenían sus partes de latón y cobre deliberadamente patinadas.

Electrónica y Automatización

La última petición de la comisión fue que el Huevo de Colón de Tesla debía tener cualidades interactivas. En ese sentido, diseñamos un sistema centrado en un microcontrolador que permite a los visitantes iniciar la rotación del huevo con sólo pulsar un botón. El usuario también puede seleccionar la dirección de rotación del huevo. También añadimos un bloqueo de teclado que permite a los demostradores encender y apagar el sistema sin ninguna restricción. Una función adicional del sistema de control interactivo es actuar como limitador de tiempo que apaga el campo magnético rotativo para permitir que el huevo descanse completamente. La razón principal de esta decisión fue evitar que el huevo de cobre cambie de posición en el centro de la placa de madera. Debido al poderoso campo magnético rotativo producido por el estator, los objetos pesados como el gran huevo de cobre ganan un número relativamente alto de rotaciones por minuto (RPM). A altas velocidades de rotación, incluso imperfecciones relativamente pequeñas en la forma y el equilibrio causan una ligera excentricidad en el movimiento orbital del huevo de cobre. Eventualmente, el movimiento orbital excéntrico del huevo hace que golpee levemente el riel de madera protector. En ese punto, la fricción entre el huevo de cobre y la barandilla de madera hace que pierda velocidad de rotación y normalmente continúa su movimiento alrededor de la circunferencia de la barandilla de madera protectora. Aunque los efectos descritos estaban presentes en el original Tesla's Egg of Columbus, la prevención incluso del leve choque entre el huevo de cobre giratorio y la barandilla protectora era necesaria para simplificar el proceso de obtención de los certificados de seguridad adecuados.

Conclusión

Nos sentimos orgullosos de cada modelo y réplica que hemos construido porque cada uno sirve como un recordatorio de la contribución de Nikola Tesla en el desarrollo de la civilización moderna. La fascinación por la vida, el trabajo y las ideas de Nikola Tesla crece constantemente durante las dos últimas décadas y con razón. Nikola Tesla fue un hombre sensible y excéntrico que fue el padre de los modernos sistemas de distribución eléctrica y los motores adecuados. Sus experimentos con sistemas de distribución eléctrica basados en un sistema resonante de un solo cable y sistemas "inalámbricos" fueron olvidados durante décadas sólo para ser revividos en las diversas formas en las últimas dos décadas. Las turbinas sin hoja de Tesla y otras turbomaquinarias se están desarrollando lenta pero constantemente y se utilizan en todas las ramas de la industria. Incluso se diseñan e introducen microturbinas Tesla especialmente modeladas en el campo de la medicina protésica. Sus ideas sobre fuentes de energía baratas y no contaminantes inspiran a muchos investigadores profesionales y aficionados. Sin embargo, el nombre de Nikola Tesla es raramente mencionado en los libros de texto o en la cultura popular.

Elegimos conmemorar la vida, las ideas y los logros de Nikola Tesla produciendo recordatorios cautivadores de las maravillas tecnológicas que exhibió para el asombro de muchos.

Zvonimir Rudomino