Между тем в Оренбурге у великого князя вспыхнула старая страсть — интерес к Средней Азии. Он вспомнил хивинский поход и о своих планах аму-дарьинской экспедиции, несостоявшейся из-за ареста. Усиленно и много читал о природе и истории туркестанского края. Задумал строительство железной дороги из России в Туркестан.
Для этого требовалось произвести изыскания. Правительство разрешило их провести, снарядив экспедицию за свой счёт. Обрадованный Ники с инженерами-путейцами, топографом, ботаником и, конечно же, охранниками отправился в степи и пустыню. В тяжёлых условиях они собрали ценный материал, пригодный к практическому применению.
Но возвращаться пришлось не в Оренбург, а в Самару. Туда по указке Петербурга перевели великого князя. Ники сразу же стал вызывать к себе жену. На это последовал высочайший отказ: госпожа фон Дрейер по синодальным документам никем ему не приходится и потому пусть остаётся с родными в Оренбурге.
Николай Константинович бурно возмущаться не стал. Смирился он, возможно, потому что его мозг был занят новым грандиозным проектом. В Самаре ему не хватало времени не только на светскую жизнь, но даже на прогулки.
В начале лета 1879 года великий князь отправился в новую, длительную экспедицию. В ней было задействовано около полусотни специалистов, в том числе маститых. Экспедиция побывала в Туркестане, Самарканде, Бухаре, Хиве. Всюду Николай Константинович проводил изыскания и налаживал отношения с местными эмирами и беями.
Через десять недель экспедиция вернулась в России. Она была большим событием в тогдашней научной жизни страны. Все её участники получили награды и почётные дипломы. А великий князь Николай Константинович — нет. Хотя он написал много ценных статей. За право публикации их между собой боролись солидные научные журналы.
Печатать статьи правительство запретило. Лишь под давлением видных учёных «вето» было снято с немногих из них. По указке свыше опубликованы они были анонимно. Но одна статья всё равно вызвала сенсацию — о системе орошения засушливых и пустынных земель.
Обрадованный великий князь начал требовать воссоединения с женой. И снова получил отказ. Видя такое отношение властей, Ростовцев стал перед ними выслуживаться, а перед Ники — задирать нос. Он придирался к великому князю по пустякам, хамил, оскорблял. Николай Константинович вскипел и дал сдачи. Генерал накапал в Петербург.
«1880 г. 1 марта. Вчера был у меня полковник Ростовцев, приставленный дядькой к великому князю Николаю Константиновичу. Ростовцев говорит, что он окончательно убедился, во время прошлогоднего путешествия по реке Аму, в ненормальном состоянии умственных способностей Николая Константиновича; но, к сожалению, бывшее недавно свидание с его отцом, в Твери, принесло скорее вред, чем пользу, потому что великий князь Константин Николаевич не хочет признавать психическое расстройство в своём сыне и в своих с ним объяснениях внушил ему новые сумасбродства.
Ростовцев рассказывал мне проделки Николая Константиновича с ханом хивинским, который в угоду племянника русского падишаха, пустил воду из Аму в старое русло, но, к счастью, воды этой было так мало, что никаких дурных последствий от того не произошло; эта комедия только потешила Николая Константиновича и удовлетворила его сумасбродную жажду славы».