Nikola Tesla, inventeur de rêves

Le père du courant électrique alternatif et d’autres inventions clefs a souvent échoué à transformer ses idées visionnaires en réalisations concrètes.

Nikola Tesla, inventeur de rêves

W. Bernard Carlson - est historien des sciences et professeur à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie, aux États-Unis.

Ce jour de mai 1899, quand les membres du Club de commerce de Chicago arrivent pour écouter la conférence du célèbre ingénieur électricien Nikola Tesla, ils sont étonnés de découvrir un lac artificiel au milieu de la salle. Chacun sait pourtant que Tesla, l’homme qui a inventé le courant alternatif et qui a amené l’électricité dans les foyers et sur les lieux de travail, est maître dans l’art de la mise en scène. Six ans plus tôt, durant l’exposition colombienne de Chicago, l’ingénieur a ébahi son auditoire en s’infligeant des chocs électriques de 250 000 volts. Cette fois, le public se demande ce que Tesla va faire de ce lac où flotte un bateau miniature de deux mètres de longueur.

Brusquement, l’esquif se met de lui-même en mouvement en faisant clignoter ses lumières. Du bord du lac, Tesla manie une télécommande qui envoie des ordres au bateau par le biais d’ondes invisibles. La foule est médusée. L’inventeur invite des membres de l’auditoire à lui proposer des ordres. À l’aide de son transmetteur sans fil, Tesla exécute les manœuvres demandées. Les hostilités entre les États-Unis et l’Espagne viennent de prendre fin, et l’audience est impressionnée par l’idée de Tesla d’armer un navire rempli de dynamite pour le diriger à distance vers un vaisseau ennemi. C’était, avec un siècle d’avance, l’ébauche du missile guidé.

En dépit de sa démonstration spectaculaire, Tesla ne fit jamais de son bateau télécommandé une arme opérationnelle. Cet échec est caractéristique d’un trait récurrent qui a marqué sa vie : un profond idéalisme, qui tenait rarement compte des contingences matérielles et financières. Tout au long de sa carrière, Tesla s’est démené pour trouver le principe d’inventions révolutionnaires. Après avoir eu une bonne idée, il était prêt à la breveter et en faire la démonstration, mais il laissait souvent à d’autres le soin laborieux de mettre au point un produit commercialisable. Au fil de sa carrière, le célèbre inventeur eut de plus en plus de difficultés à persuader les banques de l’aider dans la commercialisation. Il devint ainsi de plus en plus déçu et marginalisé.

Tesla naît le 10 juillet 1856 dans une famille serbe vivant à la frontière de l’empire austro-hongrois, dans l’actuelle Croatie. À la fin de l’adolescence, voulant devenir ingénieur, il intègre l’École polytechnique Joanneum de Graz, en Autriche, et découvre avec enthousiasme la physique dans les cours de Jacob Poeschl en 1876 et 1877. Durant ces cours, Tesla commence à réfléchir à ce qui sera sa plus remarquable invention : le moteur à courant alternatif.

Un jour, il observe son professeur en train d’essayer de contrôler les étincelles produites par le commutateur d’un moteur à courant continu. Des balais en fils de cuivre doivent en effet frotter sur la partie mobile, le rotor, afin de l’alimenter en inversant le sens du courant deux fois par tour, de sorte que la force induite par le passage du courant dans le champ magnétique de la partie fixe, le stator, change de sens au passage à l’horizontale et continue à faire tourner le rotor. Tesla suggère qu’il est possible de mettre au point un moteur sans commutateur. Agacé par cette audace, Poeschl discourt sur l’impossibilité de créer un tel moteur, en concluant : « Monsieur Tesla fera peut-être de très grandes choses, mais il ne parviendra [...] jamais à faire cela. » Cette mise en garde ne fait qu’attiser l’ambition du jeune homme. Tesla s’attelle immédiatement à la conception d’un moteur ne faisant pas d’étincelles, tout en poursuivant ses études à Graz, puis à Prague.

Un visionnaire des moteurs

En 1881, il se rend à Budapest, espérant travailler pour des amis de la famille, Tivadar et Ferenc Puskas. Tivadar est un entrepreneur ambitieux qui a persuadé Thomas Edison de lui concéder les droits commerciaux pour introduire ses inventions en Europe continentale. Les frères Puskas ont pour objectif la construction d’un commutateur téléphonique à Budapest en utilisant la technique d’Edison. Ils ne peuvent malheureusement pas l’embaucher dans l’immédiat, et, pendant qu’il patiente, Tesla tombe gravement malade. Il ne recouvre la santé que grâce à un ami d’université, Anthony Szigeti, qui l’aide à marcher chaque soir pour récupérer ses forces.

C’est pendant l’une de ces promenades que vient à Tesla une brillante idée : utiliser un champ magnétique tournant pour son moteur, ce qui est en rupture totale avec l’habitude. L’intuition du jeune Serbe est d’inverser la pratique usuelle : plutôt que d’inverser le sens du courant dans le rotor, il suffit de faire alterner le champ magnétique dans le stator. Dans cette configuration, un commutateur, qui engendre des étincelles, est inutile. Tesla a compris que si le champ magnétique du stator tourne, il induira un champ électrique en réaction dans le rotor, champ qui entraînera la rotation de celui-ci. Il imagine qu’un tel champ magnétique peut être obtenu en remplaçant le courant continu par du courant alternatif, mais il ignore comment réaliser ce tour de force.

Durant les cinq années suivantes, Tesla acquiert les connaissances pratiques indispensables à la réalisation de son moteur. Après avoir aidé les frères Puskas à construire leur commutateur téléphonique à Budapest, il s’installe avec Tivadar à Paris, où ils vont tous deux travailler pour la Société Edison à l’installation de systèmes d’éclairage à lampe incandescente. En 1884, Tesla part pour New York travailler au sein d’Edison Machine Works. Il n’a cependant que peu de contacts avec l’inventeur de renom. Un jour, il arrive presque à faire part à Edison de son idée de moteur : « C’était à Coney Island, et j’étais sur le point de le lui expliquer quand quelqu’un est venu lui serrer la main. Ce soir-là, [...] ma volonté de ne pas parler ouvertement de mon moteur a repris le dessus. » Quelques mois plus tard, après avoir achevé la conception d’un système d’éclairage par arc électrique, il se voit refuser une prime et démissionne.

De la misère à la richesse

Tesla est rapidement recruté par deux entrepreneurs du New Jersey, Benjamin Vail et Robert Lane, qui l’encouragent à breveter son système d’éclairage afin qu’ils puissent le commercialiser. Tesla cède le brevet au duo en pensant qu’ils vont développer l’appareil et concurrencer Edison. Vail et Lane estiment cependant que la véritable opération juteuse est la gestion du parc d’éclairage. Aussi, quand Tesla termine l’installation du système d’éclairage local, ses associés se séparent de lui. Sans ressource après cette trahison, Tesla en est réduit à faire du terrassement pour vivre. En dépit d’une année éprouvante, il rassemble assez d’énergie pour déposer en mars 1886 un brevet de moteur thermomagnétique, un système novateur ayant comme source de mouvement des aimants chauffés et refroidis. Son contremaître de chantier le présente à un avocat astucieux, Charles Peck. Intrigué par le concept du moteur thermodynamique, Peck propose de financer la recherche de Tesla. Comme ce n’est pas un expert en technique, il invite Alfred Brown, un responsable de la Western Union, à se joindre à lui dans cet effort. Peck et Brown louent pour Tesla un laboratoire à Manhattan, où l’inventeur se consacre initialement au développement du moteur thermomagnétique. Cependant, ce concept se révèle finalement infructueux, et Peck le pousse à améliorer les moteurs à courant alternatif.

Poursuivant l’idée qu’il a eue à Budapest, Tesla teste l’introduction de plusieurs courants alternés dans un même moteur, alors que ses concurrents utilisent un courant alternatif unique. En septembre 1887, Tesla réussit à produire un champ magnétique tournant en envoyant deux courants alternatifs séparés dans des bobines situées de part et d’autre du stator (voir l’illustration ci-contre). En langage moderne, les deux courants sont déphasés de 90 degrés et induisent des champs perpendiculaires dont la résultante est un champ tournant de norme constante. Enthousiasmé, Tesla soumet plusieurs brevets qui couvrent le principe de la mise en rotation d’un champ magnétique. Il y introduit l’idée que le courant alterné multiphasé pourrait transmettre de l’électricité sur des distances considérables sans perte notable d’énergie, une notion qui va devenir importante par la suite.

Quand il devient clair que le moteur à courant alternatif de Tesla est vraiment prometteur, ses commanditaires commencent à réfléchir à sa promotion. Peck et Brown projettent de vendre le brevet de Tesla au plus offrant, plutôt que de se lancer dans la fabrication de moteurs. À cette fin, ils organisent une conférence devant l’Association américaine des ingénieurs en génie électrique en mai 1888. La prestation de Tesla reçoit une publicité considérable dans les journaux spécialisés et attire rapidement l’attention de George Westinghouse, qui a fait fortune en développant des aérofreins et des systèmes de signalisation pour les transports ferroviaires.

À cette époque, les compagnies d’éclairage envisagent de passer du courant continu au courant alternatif, car celui-ci peut être transporté sur des distances plus importantes à perte de puissance égale, ce qui accroît la clientèle potentielle. Alors qu’Edison se concentre sur la technique du courant continu, Westinghouse a fait le pari du courant alternatif, et Peck et Brown parviennent à le convaincre de payer une somme généreuse pour les brevets de Tesla. En juillet 1888, Westinghouse offre au groupe 25 000 dollars en espèces, et 50 000 dollars en titres et des royalties de 2,50 dollars par cheval-vapeur pour chaque moteur fabriqué. Tesla accorde généreusement cinq neuvièmes de ces revenus à ses deux investisseurs.

Faire résonner l’énergie

Westinghouse espère propulser des tramways à l’aide des moteurs de Tesla. Celui-ci se rend à Pittsburgh pour adapter son invention à cette application particulière, mais il se retrouve bloqué par des difficultés techniques. Comme son moteur nécessite deux courants alternatifs et quatre fils d’alimentation, on ne peut pas simplement l’intégrer à une infrastructure conçue pour du courant monophasé ; il faut rajouter des câbles dans le réseau. Bien que Tesla parvienne à développer des moteurs à deux fils, ces dispositifs fonctionnent mieux avec des courants alternatifs de fréquence inférieure à 50 hertz. Or, à cette époque, Westinghouse utilise un courant de 133 hertz, pour empêcher le clignotement des lampes à incandescence.

Les ingénieurs de Westinghouse finissent par résoudre ces problèmes en modifiant le moteur de Tesla. Ils développent un système fondé sur trois courants alternatifs de 60 hertz et déphasés. Westinghouse fait une démonstration spectaculaire de cette nouvelle technique en 1895 en construisant une centrale hydroélectrique près des chutes du Niagara, qui transmet l’électricité produite jusqu’à Buffalo, dans l’État de New York, 40 kilomètres plus loin. Le moteur alternatif de Tesla et le système triphasé constituent depuis lors les fondements du réseau de distribution d’électricité en Amérique du Nord.

Tesla perd cependant patience et quitte Westinghouse bien avant la mise en service de la centrale de Niagara. Il a inventé le bon moteur à courant alternatif, mais il ne souhaite pas en approfondir les détails. Avec ses royalties, Tesla monte un nouveau laboratoire à New York en 1889. Pour attirer l’attention du public et de nouveaux investisseurs, il cultive son image de génie excentrique. Comme pour Edison 20 ans plus tôt, les journalistes affluent vers son laboratoire dans les années 1890 pour faire des reportages sur ses découvertes ou ses déclarations sensationnelles.

Alors qu’il cherche à mettre au point une technique d’éclairage par arc dans un réseau à courant alternatif, Tesla se trouve face à un nouveau cheval de bataille, les phénomènes électriques à haute fréquence. Si l’on peut construire un moteur en utilisant un courant alternatif à 60 hertz, qu’est-il possible de réaliser avec un courant de 10 000 hertz ? Reprenant les éléments de base - bobines magnétiques à induction, résistances et condensateurs -, il les combine dans des configurations différentes afin de produire des courants de haute fréquence.

L’inventeur s’investit dans cette quête durant les 15 années suivantes. En assimilant le condensateur à un réservoir de stockage et une bobine magnétique à un ressort, Tesla se rend compte qu’un circuit correctement agencé peut amplifier un signal électrique et en augmenter la fréquence et le voltage. Il construit sur la base de cette idée un « amplificateur magnétique » gigantesque nommé aujourd’hui bobine de Tesla, qui produit des étincelles de plus de 40 mètres de longueur (voir la figure 3). Tesla comprend aussi qu’il peut tirer parti du phénomène de résonance entre la fréquence des ondes électromagnétiques et celle d’un circuit électrique pour bien capter des signaux radio. En dotant un circuit émetteur d’une induction et d’une capacité particulières, on engendre un signal à la fréquence souhaitée ; inversement, en faisant varier la capacité du circuit récepteur à l’aide d’un condensateur variable, on ajuste sa fréquence propre, qui doit être en résonance avec celle du signal émis pour une réception optimale.

En approfondissant l’idée de résonance, Tesla conduit en parallèle des recherches fructueuses dans les domaines de l’éclairage, de la communication et de la distribution de l’énergie sans fil. En cherchant à développer une lampe à haute fréquence pour remplacer les lampes à incandescence d’Edison, l’inventeur crée non seulement les précurseurs de nos lampes fluorescentes actuelles, mais note aussi que les tubes à vide peuvent détecter des ondes radio. Tesla ne poursuit cependant pas cette piste, et il faut attendre John Fleming et Lee De Forest pour que soient développés en 1904 les premiers tubes radio (ou lampes radio). Ayant perfectionné les circuits nécessaires à l’émission et à la réception d’ondes radio, Tesla les teste en utilisant des antennes suspendues à des ballons flottant au-dessus de son laboratoire. Mais, en mars 1895, alors qu’il commence à obtenir des résultats encourageants, son laboratoire est ravagé par un incendie, et tout son équipement et toutes ses notes de recherche partent en fumée.

Distribuer l’énergie par le sol

Tesla reconstruit son laboratoire, mais il ne l’occupe que quatre années. Au printemps 1899, il construit un complexe au pied de Pikes Peak à Colorado Springs dans le Colorado. Là, l’inventeur s’attelle à ce qu’il pense être l’application la plus importante des ondes électromagnétiques : la distribution sans fil de l’électricité. À cette époque, toute l’Amérique est en train d’être reliée au réseau électrique. Les besoins en électricité semblent illimités. Tesla rêve de mettre un terme au développement du réseau de distribution aérien en transmettant sans fil à la fois l’électricité et les communications.

Le nouveau projet de Tesla repose sur les résonances électriques. Comme les autres précurseurs de la transmission sans fil, il envisage la relation entre l’émetteur et le récepteur en deux temps. L’émetteur envoie d’abord une onde radio au récepteur par les airs, puis, comme les deux systèmes sont reliés à la terre, un courant passe en retour du récepteur vers l’émetteur à travers le sol. Mais au lieu de se concentrer sur le problème de la transmission des ondes radio dans l’atmosphère, Tesla étudie d’abord le courant terrestre de retour.

Pourquoi ne pas envoyer le signal de l’émetteur dans le sol et utiliser ensuite l’atmosphère comme circuit de retour ? Tesla pense qu’il est possible pour une station émettrice de puiser de l’énergie électromagnétique dans la croûte terrestre jusqu’à ce que la fréquence de résonance électrique de la planète soit atteinte ; puis, le globe entier vibrant à cette fréquence, le signal pourra être capté par des stations réceptrices dispersées sur la planète. Pour tester sa théorie, Tesla assemble plusieurs émetteurs amplificateurs à Colorado Springs, et se convainc qu’ils ont émis de l’énergie à travers tout le globe. Il s’imagine même que le signal a atteint Mars et qu’il a reçu un signal en retour de la part des Martiens !

Des turbines sans pales... et sans avenir

Convaincu que l’énergie peut être transmise dans tout le globe par le sol, il retourne à New York en 1900. Il est tellement sûr de son succès qu’il prend une suite au Waldorf Astoria où il écrit, pour le magazine Century, un traité de 60 pages intitulé Le problème des besoins énergétiques croissants de l’humanité. Ses efforts de promotion sont payants puisqu’en 1901, le magnat J. Pierpont Morgan investit 150 000 dollars dans son programme de distribution d’énergie sans fil. Tesla dilapide rapidement son avance, ne reculant devant aucune dépense pour équiper son nouveau laboratoire à Wardenclyffe au Nord de l’île de Long Island. En dépit du refus de Morgan de lui procurer plus de liquidités, et de l’absence de résultats, Tesla construit une antenne de 60 mètres de hauteur (voir ci-dessus). Toutefois, malgré ses relations dans l’élite argentée de New York, Tesla ne parvient pas à rassembler les fonds nécessaires pour continuer son projet, et il sombre dans la dépression.

Après s’être partiellement remis, Tesla espère rassembler des fonds pour reprendre son travail à Wardenclyffe en se penchant désormais sur le génie mécanique. Conscient que les centrales électriques remplacent les dispositifs à pistons des machines à vapeur par des turbines rotatives - toujours à vapeur - plus efficaces, il se penche sur un modèle de turbine sans pale totalement novateur (voir la figure 4). De la même façon que, dans le moteur à courant alternatif, le champ magnétique tournant entraîne le rotor, Tesla pense que la vapeur peut entraîner par frottement visqueux une série de disques fins d’acier, étroitement espacés le long de l’axe de la turbine, le couple de torsion dépendant de la vitesse du flot de vapeur. Ce phénomène n’est cependant notable qu’au-delà de 10 000 tours par minute, une vitesse bien trop élevée pour que les disques d’acier résistent.

Bien qu’il ne parvienne à convaincre personne de fabriquer ses turbines sans pale, il réussit à breveter un compteur automobile fondé sur le même principe. Pendant les deux décennies qui suivent, il vit grâce aux royalties de ce compteur de vitesse. Tesla écrit pendant ce temps des articles dans des magazines de vulgarisation où il spécule sur l’avenir de l’électricité et de la radio. Peu à peu, il tombe en dépression et devient un reclus itinérant, déménageant d’un hôtel à l’autre au gré de l’arrivée des factures.

Pour marquer les 75 ans de Tesla, en 1931, le magazine Time publie un article où l’inventeur disserte de l’intérêt d’envoyer un signal aux étoiles avec son « Teslascope » - un émetteur radio géant. Profitant de sa célébrité retrouvée, il tient des conférences de presse le jour de son anniversaire.

À cette occasion, Tesla met en garde les journalistes sur le risque d’une guerre globale, et déclare que le désastre ne peut être évité qu’en développant une arme si puissante qu’elle maintiendrait l’équilibre de la terreur. Il suggère un canon à rayons ou à faisceau de particules capable de diriger une énorme énergie contre les unités ennemies.

Isolé, Tesla meurt le 8 janvier 1943. Il laisse un héritage mitigé. D’un côté, il est reconnu comme le père du moteur à courant alternatif et, en 1956, le tesla est adopté comme unité internationale de mesure de l’intensité d’un champ magnétique. D’un autre côté, ses prédictions pittoresques l’ont conduit à devenir le saint patron des groupes ayant des croyances spirituelles ésotériques. Fascinés par la prétention de Tesla à dévoiler les secrets de l’Univers, ses fidèles prétendent que des personnalités influentes comme Edison ou Morgan ont conspiré pour l’empêcher de perfectionner ses inventions et de révolutionner le monde.

Théorie du complot mise à part, Tesla a apporté des contributions essentielles à l’ingénierie. Sa capacité à découvrir et à étudier des principes physiques fondamentaux fut sa plus grande force, mais aussi sa faiblesse. Trop souvent, Tesla était fasciné par la beauté des concepts au point de répugner à s’attarder sur les détails pratiques de ses inventions. L’eût-il fait, le monde moderne porterait bien plus sa marque.