И хотя лампы накаливания были превзойдены лампами дневного света (производство в коммерческих масштабах началось в 1930-х годах), а совсем недавно еще более эффективными светильниками (натриевые лампы, серные лампы, светодиоды), почти нетронутыми остались электромоторы, еще один ключевой элемент глобальной системы, возникшей в 1880-е годы. Именно по этой причине необходимо более тщательно рассмотреть четыре важных изобретения или инновации, к которым не имел отношения Эдисон, но которые помогли перевести невероятный теоретический потенциал электричества в универсальную экономическую и социальную реальность: паровые турбины, трансформаторы, электромоторы, и передачу переменного тока.
Я уже отметил высокий показатель масса/мощность паровых двигателей и их ограниченную мощность. Эти первичные движители, бывшие громоздкими и откровенно неэффективными, ушли в прошлое после того как Чарльз Парсонс (1854–1931) запатентовал более эффективную, легкую и меньшую по размерам паровую турбину в 1884 году (Parsons 1936). Компания Парсонса установила турбину в 75 кВт в Ньюкасле в 1888-м, и уже в 1 МВт в 1900 году в германском Эльберфель-де; крупнейшая из машин, установленная в Чикаго в 1912-м, достигла мощности в 25 МВт (Smil 2005). Паровые двигатели редко давали больше нескольких сотен оборотов в минуту, а современные турбины достигли 3600 об./мин. и могут работать под давлением до 34 МПа и с паром, перегретым до 600 °C, результатом чего является эффективность до 43 % (Termuehlen 2001; Sarkar 2015). Их можно построить с заданной мощностью от нескольких киловатт до более чем 1 ГВт, и они способны заполнять ниши от маломасштабной конверсии остаточного тепла в электричество до массивных турбогенераторов на ядерных электростанциях.
Трансформаторы, вероятно, выиграли бы конкурс на устройство, которое широко распространено и незаменимо в современном мире, но практически отсутствует в общественном сознании (Coltman 1988). Они используются обычно в скрытом виде (под землей, внутри зданий, за высокими заборами), молчаливы и неподвижны, но именно они обеспечивают недорогую централизованную генерацию электричества. Применявшиеся поначалу системы передачи постоянного напряжения от электростанций к потребителям были ограничены по дистанции. Передача энергии на расстояние больше чем в четверть мили потребовала бы установки массивных проводников, которые, как сделал вывод Сименс (Siemens 1882, 70) «невозможно более размещать в узких каналах под тротуарами, так что они потребуют создания затратных подвесных линий – подлинных cava electrica».
Другой возможный вариант состоял в постройке огромного количества станций, обеспечивающих ограниченные территории, и он тоже выглядел достаточно затратным. Трансформаторы переменного тока обеспечили дешевое и надежное решение (примечание 5.11).
Примечание 5.11. Преобразование энергии и потери при ее передаче
Электричество эффективнее всего производить и использовать при низком напряжении, но поскольку потеря мощности при передаче растет согласно квадрату переданного тока, лучше всего использовать высокое напряжение, чтобы ограничить эту потерю. Трансформа-торы превращают один ток в другой, либо снижая, либо увеличивая напряжение входящего потока, и делают это практически без потерь энергии и в широком спектре напряжений (Harlow 2012). Простые расчеты иллюстрируют это преимущество. Мощность переданного электричества является производной силы тока и напряжения (ватты = амперы х вольты); напряжение является производной силы тока и сопротивления (закон Ома, V = АО), мощность – производной А20.
Потеря мощности (сопротивление), следовательно, уменьшается обратно квадрату напряжения: если увеличить его в 10 раз, линейное сопротивление будет только 1/100 при передаче электричества в том же объеме. Это всегда играет на руку максимально возможному напряжению, но на практике его увеличение ограничено другими обстоятельствами (коронный разряд, требования к изоляции, размер вышек на линии передачи), так что что высоковольтная и сверхвысоковольтная передача сейчас обычно совершается при 240–750 тысяч вольт (240–750 кВ), с потерями 7 % от переданного электричества.
Как уже отмечалось, трансформаторы работают благодаря электромагнитной индукции, процессу, открытому Фарадеем, и их развитие было не результатом прорывного изобретения, а следствием неспешных усовершенствований, которые базировались на фундаментальных исследованиях английского физика. Ранняя конструкция Люсьена Голара (1850–1888) и Джона Гиббса была представлена в 1883 году, и позже три венгерских инженера усовершенствовали ее, используя железные сердечники. Но только Уильям Стэнли (1858–1916), молодой инженер, работавший на «Вестингауз», в 1885 году создал прототип устройства, которое мы используем сейчас и которое дает возможность передавать высоковольтный переменный ток с электростанций со сравнительно небольшими потерями и распределять его уже при низком напряжении по потребителям (Coltman 1988).
Как и в случае с другими компонентами новой электрической системы, мощность трансформаторов быстро выросла за конец XIX века и отрезок времени перед Первой мировой войной. Я не могу предложить лучшей оценки этого простого, но хитроумного устройства, чем высказывание Стэнли, адресованное в 1912 году Американскому институту инженеров-электриков:
«Это простое и полное решение сложнейшей проблемы. Оно заставляет устыдиться за все попытки механической регуляции, оно работает с легкостью, уверенностью и экономией, позволяя преобразовывать колоссальное количество энергии, которое мгновенно передается или получается с его помощью. Оно очень надежно, нерушимо и определенно. В этой смеси стали и меди экстраординарные силы столь изящно сбалансированы, что их почти и не видно» (Stanley 1912, 573).
Трансформаторы стали основой для выбора переменного тока как рабочего для новых электросетей. Постоянный ток был логичным выбором для первых сетей локального масштаба, а кроме того, тогда существовали некоторые сомнения по поводу безопасности высоковольтного переменного тока. Но они не оправдывают ни запущенной Эдисоном агрессивной кампании, начатой в 1887 году и включавшей убийство бродячих собак и кошек с помощью листа металла, заряженного до 1 кВ от генератора переменного тока (чтобы продемонстрировать, насколько рискованно его применение), ни персональных выпадов в сторону Джорджа Вестингауза (1846–1914), ведущего промышленника той эпохи, работодателя Стэнли и сторонника переменного тока.
Даже в 1889 году Эдисон писал: «Я бы лично хотел совершенно запретить использование переменного тока. Он столь же опасен, сколь и не нужен… и я поэтому не вижу оправдания для введения системы, в которой нет элемента постоянства, зато есть элемент опасности для жизни и собственности» (Edison 1889, 632). В этой борьбе Эдисон нашел неожиданного союзника в Великобритании, лорда Кельвина, ведущего физика. Но уже годом позже Эдисон выступил в качестве защитника переменного тока, и эту перемену объясняют иногда (David 1991) тем, что кажущаяся иррациональной оппозиция была на самом деле рациональным выбором, сделанным из необходимости поддержать рыночную ценность предприятий Эдисона, которые продолжали производить компоненты для систем на постоянном токе, и тем самым улучшить условия для продажи его собственных акций. Как только инвестиции прекратились, конфликт резко исчез.
