Rotierende Felder

Schon Nikola Teslas erster Geistesblitz hatte es in sich. Denn diese Erfindung sollte die Welt der Technik für immer verändern. Was der junge Ingenieur aus einem entlegenen Winkel des heutigen Kroatiens entwickelte, legte den Grundstein für unser heutiges Stromsystem, für Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren.

Ein junger Mann aus der Provinz: Nikola Tesla im Jahr 1879 © historisch

Denkanstoß im Vorlesungssaal

Als Tesla im Jahr 1856 in Smiljan an der kroatischen Grenze des damaligen Österreich geboren wird, scheint sein Weg vorgezeichnet: Sein Vater ist ein orthodoxer Priester, der auch seinen Sohn gerne in einer geistlichen Laufbahn sehen will. Doch es kommt anders: Nikola entwickelt schon früh Interesse und Begabung für Mathematik und Naturwissenschaften und kann nach langem Ringen durchsetzen, dass er die Technische Hochschule in Graz besuchen darf.

Dort kommt es zu einem entscheidenden Erlebnis: Im Winter 1878 wird im Vorlesungsaal ein neuer Apparat installiert – eine Gramme-Maschine. Bei diesem Gleichstrom-Generator bewegt man mit einer Handkurbel einen ringförmig aufgewickelten Kupferdraht zwischen Permanentmagneten. Durch die Bewegung der Spule im elektromagnetischen Feld entsteht im Kupferring Strom. Dieser muss mit Schleifkontakten, meist kleinen Bürsten aus Graphit, abgenommen werden.

Lästiger Funkenflug

Das Problem dabei: An den Bürsten springen immer wieder Funken über. Für Tesla ist schnell klar: Das muss besser gehen. Denn die Funken sind nicht nur lästig und gefährlich, an den Bürsten gehen auch große Mengen an Energie verloren. „Ich beschloss, an einer Lösung zu arbeiten und ging diese Aufgabe mit dem ganzen Feuer und der grenzenlosen Zuversicht der Jugend an“, erinnert sich Tesla. „Von den technischen Schwierigkeiten ahnte ich da noch nichts.“

Die Gramme-Maschine und ihre funkensprühenden Unzulänglichkeiten bringen Tesla ins Grübeln. © historisch

Bevor sich Tesla jedoch mit den Tücken der Technik auseinandersetzen kann, kommen ihm ganz praktische Probleme in die Quere. Weil er das Unterrichtsgeld nicht bezahlt und Prüfungen auslässt, wird er Ende 1877 exmatrikuliert. Er muss sich einen Job suchen, um einen Lebensunterhalt zu verdienen. Vorübergehend arbeitet er in Maribor als Maschinenbauer, dann als Aushilfslehrer in seinem Heimatort Gospic. 1882 bekommt er dann einen Posten als Telegrafenamtstechniker in Budapest und sammelt dort praktische Erfahrungen, die ihm später als Erfinder zugutekommen.

Geistesblitz im Stadtpark

Die entscheidende Idee für die Verbesserung des Gramme-Generators kommt Tesla bei einem abendlichen Spaziergang im Budapester Stadtpark. Während er der untergehenden Sonne zusieht, fällt ihm eine Passage aus Goethes Faust ein: „Sie rückt und weicht, der Tag ist überlebt, dort eilt sie hin und fördert neues Leben.“ Tesla schildert diesen Moment so: „Als ich noch die letzten Worte sprach, in Gedanken versunken, da kam mir die Idee wie ein Blitzschlag. In einem einzigen Moment sah ich sie voll entwickelt und perfekt vor mir.“

Tesla beginnt sofort, Diagramme in den Sand des Weges zu zeichnen – seinen ersten Entwurf für eine völlig neuartige Maschine, die nicht nur ohne Bürsten funktioniert, sondern auch Wechselstrom liefern oder aber nutzen kann.

Von Nicola Tesla konstruiertes Modell seines Drehstrom-Generators © Ctac/ CC-by-sa 3.0

Der Grundaufbau besteht aus einem äußeren Ring aus mehreren Kupferspulen, die als Elektromagnete fungieren. Innen liegt ein beweglich angebrachter Rotor mit Permanentmagneten.

Rotiert nun der Magnetrotor im Inneren der Maschine, erzeugt das rotierende magnetische Feld im Außenring durch Induktion elektrischen Strom. Dessen Richtung wechselt synchron zur Polung der jeweils vorbeirotierenden Innenmagnete.

Bahnbrechende Vorteile

Das Neue daran: Durch geschickte Verschaltung kann Tesla mit diesem Wechselstrom-Generator zwei phasenversetzte Ströme gleichzeitig produzieren. Das bedeutet, dass sich die Spannungswellen im Leiter zeitversetzt überlagern – und das eröffnet ganz neue Möglichkeiten der Stromübertragung, aber auch für Elektromotoren. Denn dieser Zweiphasen-Drehstrom bringt mehr Leistung, lässt sich weiter übertragen und kann zudem Elektromotoren sehr viel effektiver und ruhiger antreiben als bisherige Ansätze.

Erst das macht die ersten Wechselstrom-Elektromotoren von einer Laborkuriosität zu einer praktisch anwendbaren Technologie. „Es war ein ziemlich kruder Apparat, aber er brachte mir die tiefe Befriedigung, zum ersten Mal eine Rotation zu sehen, die ohne Bürsten und Funken durch Wechselstrom entsteht“, erinnert sich Tesla später. Innerhalb von nur zwei Jahren lässt er 20 Varianten dieses Motors patentieren.

Obwohl er später noch viele weitere Erfindungen machen wird, misst Tesla seinem „Erstling“ eine besondere Bedeutung zu: „Ich hatte immer das Glück, viele Ideen zu haben. Aber keine andere Erfindung, so großartig sie auch war, ist mir so lieb wie diese erste“, schreibt er 1915 in einem Artikel.

Nadja Pobreagar
Stand: 27.10.2017