Cosa ha inventato Nikola Tesla? Brevetti e limiti

In sintesi

• L’invenzione di Tesla meglio documentata è il motore a induzione polifase a corrente alternata (c.a.) e il sistema costruito attorno a esso. I brevetti statunitensi 381.968 e 382.280 furono concessi il 1° maggio 1888.
• Galileo Ferraris arrivò al campo magnetico rotante in modo indipendente, a Torino, a partire dal 1885. Lo presentò nel marzo 1888 e non lo brevettò mai.
• Tesla non inventò la corrente alternata, il trasformatore, la lampada a incandescenza né i raggi X. William Stanley illuminò dei negozi a Great Barrington con la c.a. e i trasformatori il 20 marzo 1886.
• Il 21 giugno 1943, cinque mesi e mezzo dopo la morte di Tesla, la Corte suprema degli Stati Uniti annullò le rivendicazioni più ampie di un brevetto radio di Marconi. Si appoggiò soprattutto a un brevetto di John Stone Stone e non stabilì che Tesla avesse inventato la radio.
• Il Museo Nikola Tesla di Belgrado conta 112 brevetti statunitensi e almeno 311 brevetti in 27 paesi, molti dei quali sono copie della stessa invenzione depositata all’estero.

Il 16 maggio 1888 Nikola Tesla, che aveva 31 anni, si alzò davanti all’American Institute of Electrical Engineers a New York. Ringraziò il professor Anthony per l’aiuto e poi si scusò. Il preavviso era stato breve, disse, e non aveva trattato l’argomento come avrebbe voluto, perché «la mia salute non è al momento delle migliori» (il testo della conferenza).

Poi attaccò la parte della macchina a corrente continua con cui gli ingegneri dell’epoca facevano a pugni. Quella macchina ha bisogno di un collettore, un interruttore rotante che inverte di continuo la corrente nelle bobine mentre il rotore gira. Tesla lo definì «un dispositivo complicato» e «la fonte della maggior parte dei guai» delle macchine elettriche. Era venuto a mostrare un motore che funzionava in corrente alternata e non aveva alcun collettore.

Quindici giorni prima, l’Ufficio brevetti degli Stati Uniti gli aveva concesso i brevetti che lo coprivano. In uno di essi, US 381.968 per un «motore elettromagnetico», l’intestazione indica che metà del brevetto apparteneva a Charles F. Peck di Englewood, nel New Jersey.

Quel motore, con il sistema che gli ruota attorno, è la risposta più solida alla domanda su che cosa abbia inventato Tesla. Il resto dell’elenco è più lungo e più confuso di come lo raccontano la maggior parte dei resoconti. Brevettò il trasformatore risonante oggi chiamato bobina di Tesla, un battello radiocomandato, una turbina senza pale, una valvola unidirezionale priva di parti mobili e un aeromobile a decollo verticale. Non inventò la corrente alternata, il trasformatore, la lampadina né i raggi X. La radio è il caso difficile, e la sentenza della Corte suprema del 1943, citata spesso a suo favore, dice meno di quanto prometta la sua fama. Le sue previsioni sul futuro sono nel nostro pezzo sulle previsioni di Tesla, mentre lo scontro commerciale è in Tesla contro Edison.

Come un campo magnetico rotante fa girare un motore senza spazzole

Nel 1888 la potenza per i motori era «quasi interamente limitata» alla corrente continua, disse Tesla al suo pubblico. La corrente continua scorre in un solo verso. Per tenere in rotazione il rotore bisognava invertire la corrente nelle sue bobine al momento giusto, e lo faceva il collettore attraverso contatti striscianti chiamati spazzole. Le scintille nei contatti striscianti sprecano energia e accorciano la vita del motore, come ricorda HyperPhysics.

La risposta di Tesla funziona in due passi. Primo, far girare il campo magnetico stesso. Si prendono due bobine ad angolo retto e si alimenta ciascuna con una corrente alternata, sfasata di un quarto di ciclo. Quando la corrente della prima bobina è al massimo, quella della seconda è nulla, quindi il campo punta lungo la prima bobina. Un quarto di ciclo dopo i ruoli si scambiano e il campo punta lungo la seconda. Poi la prima corrente torna al massimo, ma nel verso opposto. La direzione del campo ruota lungo il cerchio, con un giro completo per ciclo, mentre nulla si muove. Il brevetto di Tesla lo chiama «uno spostamento progressivo del magnetismo». Nella versione trifase descritta da Britannica, tre bobine e tre correnti producono un campo che ruota con intensità costante.

Secondo, si mette dentro quel campo un rotore fatto di barre metalliche unite in anelli chiusi, senza alcun filo che arrivi dall’esterno. Quando il campo passa accanto alle barre, vi induce una tensione. Gli anelli sono chiusi, quindi la corrente scorre. Una corrente immersa in un campo magnetico subisce una forza, e questa forza trascina il rotore nel verso in cui il campo ruota. Il rotore non assorbe corrente dalla rete, ed è per questo che il motore non ha bisogno di collettore (HyperPhysics).

Il rotore non può mai raggiungere del tutto il campo. Se girasse alla stessa identica velocità, il campo sarebbe fermo rispetto alle barre. Non verrebbe indotta alcuna tensione e la spinta sparirebbe. Così il rotore corre un po’ più piano, e gli ingegneri chiamano scorrimento la differenza. Britannica lo indica tra lo 0,5 e il 5 per cento a pieno carico. Con la rete europea a 50 Hz il campo di un motore a due poli compie 3.000 giri al minuto, quindi il suo rotore gira a circa 2.850 fino a 2.985.

Chi arrivò per primo: Tesla o Ferraris?

L’idea ebbe un secondo inventore. A Torino Galileo Ferraris lavorava al campo magnetico rotante dal 1885 e costruì dei motori prototipo da laboratorio per metterlo alla prova. Presentò il principio all’Accademia delle Scienze di Torino nel marzo 1888, due mesi prima della conferenza di New York (IEEE Milestone). Scelse di non brevettarlo. Britannica scrive che altri arrivarono in modo indipendente allo stesso principio, «tra loro Nikola Tesla, che lo applicò e lo brevettò».

Il racconto di Tesla colloca la sua idea più indietro. Il museo di Belgrado, riprendendolo, dice che concepì il campo rotante a Budapest nel febbraio 1882 e costruì un primo motore a Strasburgo nel 1883 (Museo Tesla). Lo stesso museo osserva che non c’è traccia di una sua richiesta di brevetto mentre lavorava a Budapest nel 1881 e 1882. La sua prima domanda fu depositata il 30 marzo 1885 (Museo Tesla). Il verdetto equo è una scoperta condivisa, con Tesla come colui che la trasformò in un sistema brevettato e vendibile.

I suoi brevetti coprivano quel sistema, che era il punto commerciale. US 382.280 rivendica un modo di trasmettere potenza su una linea alimentando con correnti alternate circuiti separati, in modo che i poli magnetici del motore continuino a spostarsi in cerchio. George Westinghouse ottenne in licenza queste invenzioni, e contribuirono alla vittoria della c.a. nella sfida con la corrente continua (Physics Today). Alle cascate del Niagara la centrale Adams cominciò a fornire energia all’industria locale il 26 agosto 1895. L’IEEE la definisce la prima centrale multifase su larga scala e nel maggio 1900 aveva dieci generatori da 5.000 cavalli vapore (IEEE Milestone). Erano macchine bifase che funzionavano a 25 Hz (Museo Tesla).

Il motore è ancora ovunque. Britannica chiama il motore a induzione «il dispositivo principale per la conversione dell’energia elettrica in energia meccanica». I sistemi motore elettrici di ogni tipo hanno usato il 53% dell’elettricità mondiale nel 2023, ovvero 13.462 TWh, secondo il programma IEA 4E sui sistemi motore.

I principali brevetti statunitensi di Tesla, con numeri e date

Le date qui sotto vengono dai documenti dei brevetti. Quando una domanda è stata divisa da una precedente, o rinnovata, la tabella lo segnala. L’ultima colonna riporta che cosa è accaduto a ciascuna idea, per quanto risulta dai documenti.

Che cosa brevettò Tesla dopo il motore

La bobina arrivò tre anni dopo il motore. Il brevetto US 454.622 descrive la carica di un condensatore, che si scarica ripetutamente attraverso una bobina primaria, e un’altissima tensione prelevata da una bobina secondaria avvolta attorno alla prima. Non ha nucleo di ferro e usa uno spinterometro. Tesla la usò per creare fulmini artificiali, e guidò le sue ricerche sull’illuminazione e sulla trasmissione senza fili (Museo Tesla).

Il battello fu il suo pezzo da esposizione. Nel 1898, a una mostra di elettricità nel nuovo Madison Square Garden, fece girare via radio un modello con lo scafo di ferro in una vasca al chiuso. I visitatori gli facevano domande: se gli si chiedeva la radice cubica di 64, lampeggiava quattro volte. Tesla disse che aveva «una mente presa in prestito» (PBS). In realtà lui azionava delle leve su una scatola di comando. Il suo brevetto, US 613.809, fu depositato il 1° luglio e concesso l’8 novembre di quell’anno. Il museo di Belgrado definisce lo spettacolo la prima dimostrazione pubblica di comandi inviati senza fili a distanza (Museo Tesla).

La turbina è l’invenzione tarda che spinse con più forza. Una pila di dischi piatti sostituisce le pale. Il vapore entra dal bordo e procede a spirale verso le luci di scarico al centro, trascinando i dischi per aderenza e viscosità (la vischiosità del fluido). Nel 1911 Scientific American riferì di 200 cavalli vapore da una macchina di prova monostadio nella centrale Waterside di Edison a New York. Il museo conta 23 brevetti per la turbina e la pompa corrispondente in 22 paesi, più che per qualsiasi altra invenzione di Tesla. Oggi l’idea sopravvive nella ricerca sulle macchine piccole. In una prova del 2021, un rotore con cinque dischi da 160 mm ha dato al massimo 126 W. Gli autori stimano che l’efficienza potrebbe superare il 20% se si chiudessero gli spazi laterali tra i dischi e la cassa. Attribuiscono al sistema di ugelli che alimenta i dischi la maggior parte del basso rendimento delle turbine di Tesla.

Il condotto valvolare del 1920 ebbe una seconda vita più discreta. Le sue tasche laterali invertono il fluido spinto nel verso sbagliato, che così si scontra con il flusso in arrivo, mentre il flusso in avanti passa quasi in linea retta. Uno studio del 2021 su Nature Communications ha misurato l’effetto e ha trovato che si attiva bruscamente intorno a un numero di Reynolds di 200. Il numero di Reynolds confronta la quantità di moto di un flusso, determinata dalla sua velocità e dalla larghezza del canale, con la vischiosità del fluido; i valori alti favoriscono la turbolenza, e qui l’effetto è comparso a valori insolitamente bassi. Gli autori hanno anche confermato l’intuizione di Tesla che la valvola funzioni meglio quando il flusso pulsa.

Il suo ultimo brevetto statunitense, l’«elicottero-aeroplano» del 1928, doveva salire come un elicottero e volare come un aeroplano. J. Gordon Leishman, dell’Università del Maryland, ha detto ad Air & Space che mancava di qualunque modo per annullare la forza di torsione dell’elica, «il che significa che non avrebbe mai potuto essere pratico». La rivista aggiunge che il progetto non fu l’ispirazione per i successivi aeromobili a decollo verticale.

Ciò che Tesla non inventò

La corrente alternata era in uso prima del suo motore. Lo disse lui stesso nella conferenza del 1888: i trasformatori, spiegò alla sala, ci avevano già «fornito un sistema di distribuzione relativamente perfetto». Mancava un buon motore in c.a. Nel 1884 Lucien Gaulard e John Gibbs mostrarono a Torino i loro «generatori secondari», poi chiamati trasformatori, e Ferraris li usò per inviare energia in c.a. per 40 km da Lanzo a Torino (IEEE Milestone). Il 20 marzo 1886 William Stanley illuminò uffici e negozi a Great Barrington, nel Massachusetts, con la corrente alternata e i trasformatori (IEEE Milestone). Tesla depositò la domanda alla base di US 381.968 il 12 ottobre 1887.

Anche la lampadina viene prima di lui. Il brevetto di Thomas Edison per una lampada elettrica, US 223.898, fu depositato il 4 novembre 1879 e concesso il 27 gennaio 1880. Tesla arrivò a New York nel 1884 (ETHW). In seguito brevettò delle lampade, come US 514.170 del 1894, ma erano lampade speciali per il suo sistema di illuminazione ad alta frequenza.

I raggi X appartengono a Wilhelm Röntgen, che li scoprì nel 1895. Ricevette il primo premio Nobel per la fisica nel 1901 per «la scoperta dei notevoli raggi» che poi presero il suo nome (Premio Nobel). Tesla usò la sua bobina per generarli nelle proprie ricerche (Museo Tesla).

La radio e la causa del 1943 alla Corte suprema

La rivendicazione sulla radio poggia su un caso che Tesla non vide. Morì il 7 gennaio 1943 nella stanza 3327 del New Yorker Hotel (Physics Today). Il 21 giugno 1943 la Corte suprema degli Stati Uniti decise Marconi Wireless Telegraph Co. of America v. United States, 320 U.S. 1. La società Marconi aveva citato il governo nel 1916 per danni relativi a quattro brevetti. Al centro c’era il brevetto di accordo di Marconi, US 763.772, concesso nel 1904.

Il parere del presidente della Corte, Stone, confermò una sentenza di grado inferiore secondo cui le sue rivendicazioni ampie erano invalide. Affermava che US 645.576 di Tesla, depositato il 2 settembre 1897, aveva descritto quattro circuiti tutti accordati sulla stessa frequenza. «Tesla dunque anticipò» diverse caratteristiche del progetto di Marconi, scrisse la Corte, anche se fu Oliver Lodge a fornire la bobina di accordo regolabile che a Tesla mancava. La decisione in sé si fondava soprattutto su un brevetto di John Stone Stone, richiesto nel febbraio 1900, che secondo la Corte aveva anticipato Marconi.

Il parere limitò anche la portata di ciò che decideva. «La reputazione di Marconi come primo uomo ad aver realizzato una trasmissione radio riuscita poggia sul suo brevetto originale», dice, e quel brevetto «non è qui in questione». Quel brevetto precedente, US 586.193, fu concesso il 13 luglio 1897, sette settimane prima che Tesla depositasse US 645.576. Il giudice Rutledge, in dissenso parziale, aggiunse una nota: «Tesla in effetti non usò onde hertziane». La nota spiega che Tesla intendeva far trasportare la potenza all’aria alta. Non dovette quindi mai affrontare la selettività, il problema di tenere separato il segnale di una stazione da quello di un’altra, su cui lavoravano Marconi e i suoi rivali.

Il caso mostra dunque che Tesla descrisse presto circuiti trasmittenti e riceventi accordati, e che questo indebolì un brevetto di Marconi. Non fa di Tesla l’inventore della radio, e la Corte non lo disse mai. Marconi condivise nel 1909 il premio Nobel per la fisica con Ferdinand Braun «in riconoscimento dei loro contributi allo sviluppo della telegrafia senza fili» (Premio Nobel). La sfida più lunga tra i due uomini è in Tesla contro Marconi.

Quanti brevetti ebbe Tesla?

La cifra di «circa 300» è reale ma richiede una nota. Il Museo Nikola Tesla di Belgrado, che custodisce il suo archivio, conta 112 brevetti statunitensi registrati, dal 334.823 del 1886 all’1.655.114 del 1928. Finora ne ha trovati altri 199 in altri 26 paesi, il che porta ad almeno 311 brevetti in 27 paesi. Molti proteggono la stessa invenzione in paesi diversi. Il museo precisa che il totale estero non è ancora definitivo, e che il suo archivio contiene anche circa 33 domande americane non andate a buon fine.

I brevetti misurano anche qualcosa di ristretto. Un solo brevetto, US 613.809, contiene l’intera idea del radiocomando. Il sistema del motore è sparso su decine di domande: il 1889 fu il suo anno più intenso, con 37 domande in tutto relative al sistema polifase.

A Belgrado il museo fa funzionare un motore come quello che l’ingegnere della Westinghouse Charles Scott costruì su progetto di Tesla per l’Esposizione universale di Chicago del 1893. Il suo campo rotante tiene in piedi sulla punta un rotore a forma di uovo (Museo Tesla). I visitatori lo avviano premendo un pulsante verde.