告別電線和電池

蔡如鵬

不久的將來(lái)，至少在一定范圍內(nèi)，這是一項(xiàng)很有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)

你是否曾看著電腦后“剪不斷、理還亂”的電線而發(fā)愁？是否曾為忘記給手機(jī)充電，錯(cuò)過(guò)重要的電話而懊惱？再忍耐一下吧，不久的將來(lái)，或許科學(xué)家們就能幫你解決這些麻煩。

6月8日，《科學(xué)》雜志刊登文章說(shuō)，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員最近在無(wú)線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。

這個(gè)研究小組希望他們的無(wú)線充電技術(shù)能夠在將來(lái)淘汰連接在電器與插座之間的電線?！斑@項(xiàng)發(fā)明可以把我們從電線中解放出來(lái)，在很大程度上可以理想地取代電池，至少在家庭和辦公室的范圍內(nèi)。”小組成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說(shuō)。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授馬林?索利亞契奇領(lǐng)導(dǎo)著這個(gè)6人小組。“這些電量足可以運(yùn)行一臺(tái)普通的筆記本電腦。”他說(shuō)，“這是一個(gè)重要的里程碑。這項(xiàng)技術(shù)很快就能實(shí)際應(yīng)用了。”

靈感來(lái)自“忘記充電”

索利亞契奇是在4年前開始這一研究的。同我們中的許多人一樣，索利亞契奇也經(jīng)常被忘記給手機(jī)充電所困擾。“有時(shí)我會(huì)忘記給手機(jī)充電，因此一旦手機(jī)電池耗盡手機(jī)就會(huì)嘀嘀作響把我吵醒，很是煩人。這個(gè)項(xiàng)目的靈感就來(lái)源于此?！彼骼麃喥跗嬉虼碎_始思考：如何能夠讓手機(jī)自己充電，于是他開始研究新的無(wú)線傳輸能量的方法。

事實(shí)上，有關(guān)無(wú)線傳輸能量的想法由來(lái)已久。早在19世紀(jì)30年代，邁克爾?法拉第就發(fā)現(xiàn)，周圍磁場(chǎng)的變化將在電線中產(chǎn)生電流。19世紀(jì)90年代，愛迪生光譜輻射能研究項(xiàng)目的一名助手尼古拉?特斯拉就申請(qǐng)了最初的一個(gè)專利。

但遺憾的是，這方面的研究延遲了一個(gè)世紀(jì)。最大的障礙是傳輸效率太低又存在危險(xiǎn)。電磁輻射只適合傳送信息，并不適合傳送能量。因?yàn)檩椛錈o(wú)定向性可言，能量將會(huì)浪費(fèi)在無(wú)用的空間中。有人設(shè)想使用定向電磁輻射，比如激光，但其可操作性不強(qiáng)且極具危險(xiǎn)性。

另一個(gè)原因是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有太大的市場(chǎng)需求。不過(guò)，現(xiàn)在手機(jī)、筆記本電腦、隨身聽等小型無(wú)線設(shè)備的大量出現(xiàn)使大家對(duì)這一課題又產(chǎn)生了興趣。無(wú)線工程公司劍橋咨詢公司的蒂姆?福勒就說(shuō)：“沒(méi)有人愿意老是不停地更換電池?！?/p>

其實(shí)，這次索利亞契奇等人運(yùn)用的原理很簡(jiǎn)單，那就是共振作用。

物理學(xué)家早就知道，在兩個(gè)共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。歌唱家演唱能將裝有不同水量瓶子中的一個(gè)震碎，而不影響其他瓶子就是這個(gè)道理。這也好比我們蕩秋千時(shí)，只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動(dòng)就能給秋千帶來(lái)動(dòng)力一樣。

在燈泡實(shí)驗(yàn)中，麻省理工學(xué)院的研究小組用兩個(gè)銅線圈作為電磁共振器。其中的一個(gè)線圈連接在電源上傳輸能量作為發(fā)射器，另一個(gè)線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10兆赫茲的頻率振動(dòng)，但它并不向外發(fā)射電磁波，而是在它的周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的非輻射磁場(chǎng)。這個(gè)非輻射磁場(chǎng)可以協(xié)調(diào)與另一個(gè)線圈(即接收器)進(jìn)行能量傳輸。

這一原理并無(wú)特別之處，就如變壓器里應(yīng)用的電磁感應(yīng)現(xiàn)象一樣，同樣是發(fā)射線圈里電流的運(yùn)行使得接收線圈里感應(yīng)產(chǎn)生電流。差異在于新技術(shù)讓兩個(gè)線圈之間的距離要遠(yuǎn)很多，在這次的實(shí)驗(yàn)里，距離達(dá)到了兩米開外。

研究小組成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說(shuō)：“這就是奇特之處。能量轉(zhuǎn)移的效率可以達(dá)到45%，比普通的非共振磁感應(yīng)效率要高出100萬(wàn)倍之多?！?/p>

廣闊的商業(yè)前景

索利亞契奇希望通過(guò)使用不同材料和改進(jìn)技術(shù)，把效率提高到70%至80%。他們相信，改進(jìn)后的設(shè)備將在3到5年內(nèi)為筆記本電腦、移動(dòng)電話以及其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電。一旦實(shí)現(xiàn)這種無(wú)線電力傳輸，就意味著一些小電器可以永久地?cái)[脫電線甚至電池的束縛。

新的無(wú)線充電技術(shù)提高了無(wú)線傳輸能量的效率，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，高能量的微波在室內(nèi)傳播是否會(huì)影響人身體的健康？

去年，索利亞契奇在美國(guó)物理研究所論壇上對(duì)此做出了解釋。他說(shuō)，在非輻射能量傳輸過(guò)程中，只有進(jìn)行充電的裝置才能接收到能量，而多余的沒(méi)被接受的能量則被發(fā)射器重新收回，因此不會(huì)對(duì)人體造成影響和損害。

根據(jù)索利亞契奇的設(shè)計(jì)，非輻射無(wú)線能量傳輸有距離的限制，接收器越小則這個(gè)距離越短。他計(jì)算出筆記本電腦大小的物體可以在幾米的范圍內(nèi)接受無(wú)線能量傳輸，“這樣在每個(gè)房間安裝一個(gè)發(fā)射源，就可以給整個(gè)住宅的筆記本電腦供電了?！?/p>

據(jù)悉，索利亞契奇的技術(shù)已經(jīng)引起了一些大型電子消費(fèi)品廠商的興趣，風(fēng)險(xiǎn)投資家們也競(jìng)相表示要向他的研究小組提供資金。這些研究人員目前正在考慮如何把這個(gè)熱門項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒╀N售的商品。

無(wú)線充電技術(shù)近年一直是科研的一個(gè)金礦。香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無(wú)線電池充電平臺(tái)”，可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上，不需外接電線，透過(guò)低頻電磁場(chǎng)自動(dòng)充電，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無(wú)異。但這一技術(shù)仍需要產(chǎn)品與充電器接觸，它主要利用的是近場(chǎng)電磁耦合原理。

從汽車到太空電站

關(guān)心無(wú)線能量傳輸技術(shù)的不僅僅是電器制造商，還包括不少汽車制造商。在1997年的美國(guó)底特律汽車工程師協(xié)會(huì)展覽會(huì)上，一位名叫羅納德?佩里斯的研究人員提出過(guò)較為具體的電動(dòng)汽車“遠(yuǎn)程無(wú)線充電”方案。

在這個(gè)方案中，佩里斯設(shè)想利用一臺(tái)無(wú)線發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換成一種符合現(xiàn)行美國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特殊的微波束給移動(dòng)中的電動(dòng)汽車充電，汽車只要進(jìn)入發(fā)射器工作范圍，用安裝在車頂?shù)膶Ｓ媒邮仗炀€接收微波束即可。這樣，給車輛充電就像使用車載電話一樣方便。

佩里斯希望，這項(xiàng)技術(shù)可以首先應(yīng)用在市內(nèi)的公共電車上。發(fā)射器就安裝在公共汽車站附近，這樣行車途中就不必?fù)?dān)心沒(méi)電了。至于空中傳輸電力的潛在危險(xiǎn)，佩里斯相信，這種傳輸方式對(duì)人體無(wú)害。他反而認(rèn)為，在行駛過(guò)程中攜帶幾十加侖揮發(fā)性液體燃料倒是更危險(xiǎn)。

除了為電動(dòng)汽車無(wú)線充電外，人們還設(shè)想過(guò)利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)在太空建造永久性的太陽(yáng)能電站。

1968年，美國(guó)人格拉澤最早提出在離地面36000公里的地球靜止軌道上，建造太陽(yáng)能發(fā)電站的構(gòu)想。這個(gè)電站利用鋪設(shè)在巨大平板上的億萬(wàn)片太陽(yáng)電池，在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生電流，將電流集中起來(lái)，轉(zhuǎn)換成無(wú)線電微波，發(fā)送給地面接收站。地面接收后，將微波恢復(fù)為直流電或交流電，送給用戶使用。

20世紀(jì)70年代末，全球發(fā)生石油危機(jī)，美國(guó)航宇局和能源部曾組織專家對(duì)這一設(shè)想進(jìn)行論證。專家們經(jīng)過(guò)論證后，提出一個(gè)名為“1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”的太空電站方案，該方案需要2500億美元的投資和18000人年的在軌工作量(相當(dāng)于600名航天員裝配工在太空工作30年)。

這個(gè)龐大的方案一出臺(tái)，就因耗資過(guò)大招來(lái)眾多的非議和責(zé)難。再加上，當(dāng)年里根政府對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電興趣不大，更愿意支持“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃和自由號(hào)空間站。在一片反對(duì)聲中，美國(guó)航宇局不得不把這個(gè)方案束之高閣，美國(guó)關(guān)于空間太陽(yáng)電站的研究暫告停頓。

但是，其他空間國(guó)家或組織，如俄羅斯、歐盟、日本等仍在進(jìn)行，特別是日本，計(jì)劃到2040年，建造一座重達(dá)2萬(wàn)噸的太陽(yáng)能電池板，發(fā)電能力為1000兆瓦。但缺點(diǎn)是電價(jià)將是現(xiàn)在核電售價(jià)的7倍。

事實(shí)上，從低頻波到宇宙射線，我們周圍到處存在著電磁波，它們都攜帶著或多或少的能量。在不少物理學(xué)家看來(lái)，人們要做的或許僅僅是找到合適的辦法接收和利用這些能量。