All by Electricity

Originally I didn’t give much thought to the Nautilus power system, simply presuming Nemo used one or more big electric motors.  But approaching a 19th century work from an end of the 20th century perspective can lead to errors of interpretation.  It takes an awful lot of torque to turn a massive six meter propeller and shaft at any speed, let alone 120 revolutions a second (many reviewers think this is a typo for revolutions per minute).  Moreover, the propeller is turning under water to move a boat weighing some 1500 tons at high speed.  The text also attributes high accelerations to the Nautilus.  No wonder M. Gagneux concludes the performance described in the novel is unobtainable.

Steve Corbett remembered the Nautilus hull as copper plates on an iron hull and Nemo's statement of getting his power from the sea and thought, "two kinds of metal, immersed in sea water?  The Nautilus is a giant battery!"  Steve began to develop this idea in a never published module "Raise the Nautilus", for the role-playing adventure game Space 1889.  Well, the text actually describes the hull as constructed of iron, but the thought is a good one.  Nemo even raises the possibility of using the ocean itself as a kind of battery before describing a "more practical system" of batteries we can view as conventional but was certainly advanced for Victorian times.

The Nautilus engine room by de Neuville


Frank T. Bitterhof suggests the possibility of a magneto-hydrodynamic energy converter. "The basic principle", he says, "is to produce hot ionized gases (3000 °C), send the plasma gas beam through a magnet (energy/fuel conversion of 20 to 25% into electricity) and use the remaining hot gas to power a turbine or, in our case, the Nautilus' engines (energy conversion still 30%). The principle is scientifically correct and described in various technical publications. With the proper understanding of physics and the raw materials available in the 19th century I'm pretty sure that such a converter could have theoretically been built. The fuel would have to be extracted from sea water, an even bigger challenge."


Nautilus engine room (Copyright 1999 Bob Farrell)

Bob Farrell has also suggested some electric mechanism other than electric motors for propulsion.   He’s considered an electro-chemical or electro-thermal process to create steam as an alternative.  His engine room shows exaggerated scale for "the cylinder and connecting drive rods to dramatize the demands for speed and torque described by Verne".  The driving steam pressure is produced by electric heating elements in the boiler rather than a firebox.
Carsten Standfuß suggests a steam turbine engine.  Citing the 120 revolutions per second of the text, he says the a ship captain normally the gives the speed of his main engine, not the screw.  The turbine's 7200 rpm would be geared down to 100-300 rpm for the large Nautilus propeller. 

Perhaps there is evidence to support an unorthodox mechanism.  For example, the Nautilus sometimes produces huge jets of water and vapor on the surface, rather like a blowing whale. This is usually taken to be the emptying of the ballast tanks, but perhaps it is associated with the engines.  The Nautilus is motionless on the surface when the Abraham Lincoln sneaks up on it.  A reaction to Ned Land’s harpoon attack is two jets of water, perhaps, perhaps as the engines are started up for the counter-attack.

 

Here are the relevant text sections from "All by Electricity" in the French and from Lewis’s translation. (I've added my own text for parts missing from the translation and there is at least one error, corrected, that moves the electric power forward rather than aft.  You can see how Lewis's omissions weaken Verne's science and his narrative.)

   « Il est un agent puissant, obéissant, rapide, facile, qui se plie à tous les usages et qui règne en maître à mon bord. Tout se fait par lui. Il m'éclaire, il m'échauffe, il est l'âme de mes appareils mécaniques. Cet agent, c'est l'électricité.
   -- L'électricité ! m'écriai-je assez surpris.
   -- Oui, monsieur.
   -- Cependant, capitaine, vous possédez une extrême rapidité de mouvements qui s'accorde mal avec le pouvoir de l'électricité. Jusqu'ici, sa puissance dynamique est restée très restreinte et n'a pu produire que de petites forces !
   -- Monsieur le professeur, répondit le capitaine Nemo, mon électricité n'est pas celle de tout le monde, et c'est là tout ce que vous me permettrez de vous en dire.
   -- Je n'insisterai pas. monsieur, et je me contenterai d'être très étonné d'un tel résultat. Une seule question, cependant, à laquelle vous ne répondrez pas si elle est indiscrète. Les éléments que vous employez pour produire ce merveilleux agent doivent s'user vite. Le zinc, par exemple, comment le remplacez-vous, puisque vous n'avez plus aucune communication avec la terre ?
   -- Votre question aura sa réponse, répondit le capitaine Nemo. Je vous dirai, d'abord, qu'il existe au fond des mers des mines de zinc, de fer, d'argent, d'or, dont l'exploitation serait très certainement praticable. Mais je n'ai rien emprunté à ces métaux de la terre, et j'ai voulu ne demander qu'à la mer elle-même les moyens de produire mon électricité.
   -- A la mer ?
   -- Oui, monsieur le professeur, et les moyens ne me manquaient pas. J'aurais pu, en effet, en établissant un circuit entre des fils plongés à différentes profondeurs, obtenir l'électricité par la diversité de températures qu'ils éprouvaient ; mais j'ai préféré employer un système plus pratique.
   -- Et lequel ?
   -- Vous connaissez la composition de l'eau de mer. Sur mille grammes on trouve quatre-vingt-seize centièmes et demi d'eau, et deux centièmes deux tiers environ de chlorure de sodium ; puis. en petite quantité, des chlorures de magnésium et de potassium, du bromure de magnésium, du sulfate de magnésie, du sulfate et du carbonate de chaux. Vous voyez donc que le chlorure de sodium s'y rencontre dans une proportion notable. Or, c'est ce sodium que j'extrais de l'eau de mer et dont je compose mes éléments.
   -- Le sodium ?
   -- Oui, monsieur. Mélangé avec le mercure, il forme un amalgame qui tient lieu du zinc dans les éléments Bunzen. Le mercure ne s'use jamais. Le sodium seul se consomme, et la mer me le fournit elle-même. Je vous dirai, en outre, que les piles au sodium doivent être considérées comme les plus énergiques, et que leur force électromotrice est double de celle des piles au zinc.
   -- Je comprends bien, capitaine, l'excellence du sodium dans les conditions où vous vous trouvez. La mer le contient. Bien. Mais il faut encore le fabriquer, l'extraire en un mot. Et comment faites-vous ? Vos piles pourraient évidemment servir à cette extraction ; mais, si je ne me trompe, la dépense du sodium nécessitée par les appareils électriques dépasserait la quantité extraite. Il arriverait donc que vous en consommeriez pour le produire plus que vous n'en produiriez !
   -- Aussi, monsieur le professeur, je ne l'extrais pas par la pile, et j'emploie tout simplement la chaleur du charbon de terre.
   -- De terre ? dis-je en insistant.
   Disons le charbon de mer, si vous voulez, répondit le capitaine Nemo.
   -- Et vous pouvez exploiter des mines sous-marines de houille?
   -- Monsieur Aronnax, vous me verrez à l'oeuvre. Je ne vous demande qu'un peu de patience, puisque vous avez le temps d'être patient. Rappelez-vous seulement ceci : je dois tout à l'Océan ; il produit l'électricité, et l'électricité donne au Nautilus la chaleur, la lumière, le mouvement, la vie en un mot.

   "There is a powerful agent, obedient, rapid, easy, which conforms to every use, and reigns supreme on board my vessel. Everything is done by means of it. It lights, warms it, and is the soul of my mechanical apparatus. This agent is electricity.''
   "Electricity?'' I cried in surprise.
   "Yes, sir.''
   "Nevertheless, Captain, you possess an extreme rapidity of movement, which does not agree well with the power of electricity. Until now, its dynamic force has remained under restraint, and has only been able to produce a small amount of power.''
   "Professor,'' said Captain Nemo, "my electricity is not everybody's
and that is all I wish to say about it."
  
"I will not insist, sir, and I will be satisfied just to be astonished by such a result. Only one question, however, which you need not answer if it is indiscreet. The elements which you employ to produce this marvelous agent must quickly wear out. Zinc, for example, how do you replace it, since you no longer have any communication with the surface world?
   "Your question will have its answer", Captain Nemo responded, "I will say to you, initially, that there exists on the sea-bed mines of silver, iron, zinc, gold, whose exploitation would be doubtless practicable. But I did not borrow anything from these metals of the earth, and I wanted to take only from the sea itself the means of producing my electricity."
   "From the sea?"
   "Yes, Professor, and I did not miss the means. I could, indeed, by establishing a circuit between wires plunged to various depths, obtain electricity by the difference in temperature; but I preferred to employ a more practical system."
   "Which is?"
   "You know what sea-water is composed of. In a thousand grams are found 96 1/2 per cent of water, and about 2 2/3 per cent of chloride of sodium; then, in a smaller quantity, chlorides of magnesium and of potassium, bromide of magnesium, sulfate of magnesia, sulfate and carbonate of lime. You see, then, that chloride of sodium forms a large part of it. So it is this sodium that I extract from the sea-water, and of which I compose my ingredients.''
  
"Sodium?"
   "Yes, sir. Mixed with mercury, it forms an amalgam that replaces zinc in the Bunsen elements. The mercury never wears outs. Sodium alone is consumed, and the sea itself provides it to me. I will say to you, moreover, that the cells with sodium must be regarded as most energetic, and that their electromotive force is double that of the zinc cells."
   "I understand well, Captain, the excellence of sodium under theses conditions. The sea contains it. But it still must be manufactured, extracted it in a word. And how do you do this? Your batteries could obviously be used to power this extraction; but, if I am not mistaken, the expenditure of sodium required by the electrical apparatus would exceed the extracted quantity.  You would consume more to produce it than you would produce!"
   "So, Professor, I do not extract it by the batteries, but quite simply employ the heat of the pit coal."
   "From the earth?" I insisted.
   "Let us say 'coal of the sea', if you wish", answered Captain Nemo.
   "And you can work underwater coal mines?"
   "Mr Aronnax, you will see me do it. I ask you for an only little patience, since you have time to be
patient. I point out only this: I owe all to the ocean; it produces electricity, and electricity gives heat, light, motion, and, in a word, life to the Nautilus."

 

   ...    ...

    Au fond s'élevait une quatrième cloison étanche qui séparait ce poste de la chambre des machines. Une porte s'ouvrit, et je me trouvai dans ce compartiment où le capitaine Nemo - ingénieur de premier ordre, à coup sûr - avait disposé ses appareils de locomotion.
    Cette chambre des machines, nettement éclairée, ne mesurait pas moins de vingt mètres en longueur. Elle était naturellement divisée en deux parties ; la première renfermait les éléments qui produisaient l'électricité. et la seconde, le mécanisme qui transmettait le mouvement à l'hélice.
    Je fus surpris, tout d'abord, de l'odeur sui generis qui emplissait ce compartiment. Le capitaine Nemo s'aperçut de mon impression.
    « Ce sont, me dit-il, quelques dégagements de gaz, produits par l'emploi du sodium ; mais ce n'est qu'un léger inconvénient. Tous les matins, d'ailleurs, nous purifions le navire en le ventilant à grand air. »
    Cependant, j'examinais avec un intérêt facile à concevoir la machine du Nautilus.
    « Vous le voyez, me dit le capitaine Nemo, j'emploie des éléments Bunzen, et non des éléments Ruhmkorff. Ceux-ci eussent été impuissants. Les éléments Bunzen sont peu nombreux, mais forts et grands, ce qui vaut mieux, expérience faite. L'électricité produite se rend à l'arrière, où elle agit par des électro-aimants de glande dimension sur un système particulier de leviers et d'engrenages qui transmettent le mouvement à l'arbre de l'hélice. Celle-ci. dont le diamètre est de six mètres et le pas de sept mètres cinquante, peut donner jusqu'à cent vingt tours par seconde.
    -- Et vous obtenez alors ?
    -- Une vitesse de cinquante milles à l'heure. »
    Il y avait là un mystère, mais je n'insistai pas pour le connaître. Comment l'électricité pouvait-elle agir avec une telle puissance ? Où cette force presque illimitée prenait-elle son origine ? Etait-ce dans sa tension excessive obtenue par des bobines d'une nouvelle sorte ? Était-ce dans sa transmission qu'un système de leviers inconnus (1) pouvait accroître à l'infini? C'est ce que je ne pouvais comprendre.

    At the bottom was a fourth partition that separated this office from the engine-room. A door opened, and I found myself in the compartment where Captain Nemo--certainly an engineer of a very high order--had arranged his locomotive machinery. This engine-room, clearly lighted, did not measure less than sixty-five feet in length. It was divided into two parts; the first contained the materials for producing electricity, and the second the machinery that connected it with the screw.
    When we entered I was surprised by the unique odor that filled the compartment. Captain Nemo noticed my surprise.
    "It is," he told me, "a gas discharge produced by the use of sodium; but it is only a minor inconvenience. Moreover, each morning we purify the ship's atmosphere by ventilating it with fresh air."

    I examined everything with great interest, in order to understand the machinery of the Nautilus.
    "You see," said the Captain, "I use Bunsen's contrivances, not Ruhmkorff's. Those would not have been powerful enough. Bunsen's are fewer in number, but strong and large, which experience proves to be the best. The electricity produced passes aft, where it works, by electro-magnets of great size, on a system of levers and cog-wheels that transmit the movement to the axle of the screw. This one, the diameter of which is nineteen feet, and the thread twenty- three feet, performs about 120 revolutions in a second."
    "And you get then?"
    "A speed of fifty miles an hour."
    There was a mystery here, but I did not insist on solving it. How could electricity act with such power? Where did this almost unlimited force come from? Was this enormous tension obtained by coils of a new kind? Was its transmission enhanced by an unknown system of levers (1) that could increase ad infinitum? This is what I could not understand.

1.  Et précisément, on parle d'une découverte de ce genre dans laquelle un nouveau jeu de léviers produit des forces considérables.  L'inventeur s'est-il donc rencontré avec le capitaine Nemo ? 1.  And indeed, one hears about a discovery of this kind in which a new set of levers produces considerable force. Did the inventor once meet Captain Nemo?

Original text from Zvi Har'El's Virtual Library

 

Joseph Henry's Princeton "Sheep's Tail" oscillating motorAfter re-examining the text and illustrations of the earliest electric motors, built in the 1830s, I first envisioned electromagnets driving a sort of pendulum connected to a clockwork mechanism.  This fit the levers and gears of Nemo’s explanation but resulted in discontinuous application of power to the screw, which of course, could be addressed with a flywheel.  Since them I’ve toyed with an electromagnetic piston and crankshaft device, but now I'm leaning toward an electric equivalent to the unique steam rocker engine of the 19th century USS Princeton.  I want to keep the ornate look of the early motors for my virtual engine room.  Stay tuned for rendered images and other folk's comments.

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30 Mar 00. This page and its contents © Copyright 1999, 2000 Michael & Karen Crisafulli
Engine room graphic © Copyright 1999 Bob Farrell