無線能量傳輸

寇曉明

好吧，我承認我是標題黨。本人既不認識外星人也不知道外星人的科技是啥樣，那怎么比拼呢？先講個故事。童子軍隊員埃迪在祖母家的農(nóng)場過暑假。一天晚上，一個外星飛船降落在蘋果園里，埃迪和外星少年馬蒂成了朋友。馬蒂來自太陽系以外的馬蒂尼星，為了成為一名科學(xué)探險者，他來到地球考察。馬蒂的隨身裝備和飛船都靠“Z金屬線”來補充能量，這種外星材料能在真空里釋放出巨大的能量。可是馬蒂一時疏忽，“Z金屬線”被農(nóng)場里的動物丟進小溪，遇水失去了能量。馬蒂呼救后，馬蒂尼星用無線能量傳輸為“Z金屬線”補充了能量，這位外星少年才得以安全返航。

故事出自《蘋果樹下的宇宙飛船》，一部平淡的兒童科幻小說，卻描繪了外星人骨灰級的無線能量傳輸技術(shù)。從太陽系以外的一顆星球，把能量定向傳送給一艘停在地球上的宇宙飛船，功率大到能讓飛船飛出太陽系，返回母星。這種技術(shù)絕對是陽春白雪，高大上。那地球人的技術(shù)呢？

1 8 9 9 年1 2 月， 特斯拉在他位于科羅拉多斯普林斯的實驗室進行實驗。

我們從電動牙刷說起。電動牙刷的動力來自手柄里的充電電池，充電的時候把牙刷立在底座上就行，手柄上沒有電源插孔，手柄和底座之間也沒有電源連線。這就是最簡單的無線能量傳輸，原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，底座和手柄里各有一個線圈。當(dāng)?shù)鬃€圈接通交流電時，線圈的垂直方向會產(chǎn)生交變磁場，磁場穿過手柄線圈，并在線圈里產(chǎn)生感生電動勢，經(jīng)過整流之后為手柄里的電池充電。同樣的原理也用在許多無線充電的手機、平板電腦、智能手表里，而且還被用于植入人體的醫(yī)療器件——無線充電比開刀接電線可方便多了。

插一段歷史，是誰最早利用電磁感應(yīng)原理來無線傳送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁場單位，而且一家制造電動跑車的公司就以他的姓氏命名。這位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世紀末，他就開始研究利用電磁感應(yīng)定律來無線傳遞能量。在一系列成功的無線傳輸演示后，他提出了一個不切實際的設(shè)想，要與正在嘗試無線電報的馬可尼競爭。他計劃建造一座沃登克利弗塔（也被稱為特斯拉塔），不但可以在紐約和倫敦之間傳送信息，還能無線輸送電能。1901年，他忽悠銀行家約翰·摩根投資15萬美元（這在當(dāng)時可是一大筆錢）在長島建塔。結(jié)果，錢花光了，這座57米高的塔還沒開始運行，競爭對手馬可尼就已經(jīng)成功。摩根拒絕繼續(xù)資助，特斯拉虎落平陽，無奈放棄，塔被拆除還債。有意思的是，特斯拉未能成功的實驗居然還被后人用來牽強附會地解釋通古斯大爆炸。

言歸正傳，這些例子都有一個共同點，兩個線圈必須靠得很近，也就是說設(shè)備要緊貼充電器。有遠一點兒的嗎？當(dāng)然有。2007年，麻省理工學(xué)院的教授馬林·索爾賈?？蓑炞C了利用磁共振原理無線傳輸能量的可行性。他和合作者用充電線圈點亮了2米開外的60瓦燈泡。當(dāng)時，他小聲嘀咕了一句：“其實還是特斯拉的振蕩變壓器最先利用共振來無線傳遞能量?！边@位教授隨后創(chuàng)辦了WiTricity公司，研發(fā)推廣磁共振無線充電技術(shù)。這項技術(shù)可以做到用一個充電器給多個手機或平板電腦同時充電，手機的放置也可以隨心所欲，橫著、豎著甚至立著都沒問題。磁共振無線充電還有一個重要用途——給電動或者混合動力的汽車充電。想象一下，您開著電動轎車回家，進車庫停好，埋在地下的線圈就自動和車底盤上的線圈進行識別，然后開始充電，根本不用費事插電線，給鄰居演示一下，肯定能引起羨慕嫉妒恨。高通公司成功進行了真車實驗。一家叫Plugless的公司早已經(jīng)開售汽車無線充電配件，不過這家公司并沒有透露具體用到什么技術(shù)。新西蘭奧克蘭大學(xué)的教授格蘭特·喬維奇和約翰·鮑埃斯提出了更科幻的動態(tài)充電設(shè)想：在公路下面埋設(shè)很多充電線圈，這樣車就可以邊走邊充電。既然隨時在充電，那么車上的電池就不需要很大，節(jié)省了空間和重量。不過，想想看，整條公路都要挖坑埋線圈，肯定需要大筆砸錢才行。

這些例子都是利用幾十、幾百千赫（kHz）或幾兆赫（MHz）的電磁波來傳送能量，距離只有幾米，功率最多幾千瓦，小打小鬧。整個電磁波譜那么寬，用更高頻率行嗎？行呀。用高頻率的微波和激光還有一個很大的好處，那就是方向性好，傳播距離遠。在前面說到的應(yīng)用里，其實都用到了屏蔽材料，把低頻的電磁場限制在線圈附近，盡量減少對外部的輻射，既避免損耗又保證使用者的身體健康。而微波和激光就不需要這樣的屏蔽。下面就詳細說說地球人真正像點兒樣的無線能量傳輸技術(shù)。

先說微波。1941年，一部短篇科幻小說《推理》問世，作者是科幻史上的三巨頭之一艾薩克·阿西莫夫。故事的場景是一個在太空中收集太陽能的空間站，這座空間站把收集到的能量用微波傳送到周圍的行星。小說問世大概30年后，美國航天工程師彼得·格雷澤提出了太陽能發(fā)電衛(wèi)星的概念衛(wèi)星的太陽能電池板收集能量，然后用微波把能量傳送回地面。這樣做的好處是太空中的太陽光更強，而且可以24小時不間斷。問題來了，在這位工程師的設(shè)想中，衛(wèi)星上發(fā)射微波的天線要1平方千米那么大，把這么大的東西送上太空并不容易，而且地面站需要更大尺寸的微波接收天線。20世紀70年代末，美國能源部和美國航空航天局評估了這個項目，結(jié)論是未知因素太多，無法準確判斷。20世紀90年代，美國航空航天局重新評估它，結(jié)果還是一樣，要等到航天發(fā)射變得很便宜時才有可能。日本科學(xué)家并不這么想，2014年，日本宇航研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年內(nèi)把太陽能衛(wèi)星變成現(xiàn)實，計劃在東京灣建造一個擁有50億臺微波天線的、3千米長的人工島，用來接收衛(wèi)星發(fā)射的微波束。為什么日本如此急切？第一，日本沒有多少石油資源;第二，日本缺少可以利用風(fēng)能、太陽能的遼闊土地;第三，福島核電站的事故讓人對核電很害怕。他們并沒有紙上談兵，2015年3月，三菱重工成功進行了一次功率10千瓦的微波能量傳輸實驗，傳送距離500米。

發(fā)射太空飛船是利用微波能量傳輸?shù)牧硪辉O(shè)想。位于科羅拉多州的初創(chuàng)公司“逃逸動力學(xué)”（Escape Dynamics）專門研究利用微波為飛行器無線傳輸能量。他們的目標是實現(xiàn)以微波輻射為動力的太空飛行。太空飛船在起飛和飛行過程中受到地面微波站的輻射，從而獲得動力，無須使用傳統(tǒng)的化學(xué)燃料。太空飛船使用熱推進器，以氫作為工作流體氫以液體的形式儲藏于一個低溫罐內(nèi)，里面出來的氫氣經(jīng)由渦輪泵加壓到150個標準大氣壓，然后進入熱交換器;熱交換器吸收微波能量，把氫氣加熱到2000 ℃，最后從噴管噴出，從而推進飛船飛行。順便提一句，熱交換推進技術(shù)并不是什么新發(fā)明，有興趣的讀者可以上網(wǎng)搜搜20世紀60年代的火箭飛行器核引擎（NERVA）。

他們設(shè)想的發(fā)射情節(jié)是這樣的：飛船直立在發(fā)射臺上，旁邊的起始段微波站開始照射飛船，提供動力，使飛船起飛。飛行起始段結(jié)束后，位于200千米外的助推段微波站接力，繼續(xù)為飛船提供動力，將其送入地球軌道。釋放諸如衛(wèi)星之類的載荷后，飛船滑翔返回，最后水平著陸。返回大氣層時摩擦產(chǎn)生的高熱可以繼續(xù)為熱交換器提供能量，從而產(chǎn)生飛行動力，這樣有利于控制滑翔姿態(tài)，使之安全著陸。

需要什么頻率的微波呢？研究人員把微波頻率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？這取決于飛船的重量。在初步設(shè)計中，飛船加上載荷大約1噸重，還沒一輛家用轎車重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假設(shè)微波源的效率是50%，那么電網(wǎng)就要提供多1倍的電力。在電網(wǎng)和微波站之間還需要一個儲藏電力的中轉(zhuǎn)站，發(fā)射的時候，中轉(zhuǎn)站在飛船起飛階段，大概5分鐘提供65兆瓦時的能量。這時候如果鳥群不幸飛過微波束，不知道會不會瞬間變成“炸雞”。公司的科學(xué)家計劃使用發(fā)射功率為500千瓦的微波源，要達到400兆瓦的微波功率，就需要800個微波源。即使幾個微波源共用一個天線，那也需要上百個微波天線來組成相位陣列，可比小說《三體》里的紅岸天線壯觀多了。

N E R V A 的結(jié)構(gòu)圖

講了半天，這些都是凌云壯志?，F(xiàn)在進展到哪里了？2015年夏天，科學(xué)家驗證了比沖達到500秒的熱交換引擎，高比沖意味著推進系統(tǒng)的高效率。另外，他們成功演示了用微波為小型無人機提供10千瓦至20千瓦的飛行動力。無人機自由地飛來飛去，微波天線可以自動跟蹤。他們還研制出了100千瓦的微波源，準備進行千米距離上的能量傳輸實驗。

在太陽能發(fā)電衛(wèi)星和發(fā)射太空飛船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具體說呢，就是把激光器作為發(fā)射端，光伏電池板作為接收端。這不是和太陽能發(fā)電很像嗎？是的，不過激光的能量密度要大得多，而且可以發(fā)射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光傳輸能量的設(shè)想早在20世紀70年代就有了，如今，人們已經(jīng)夢想了各種應(yīng)用，涵蓋陸、海、空、太空。太空中，衛(wèi)星、飛船、空間站或是月球車都可以用激光束來充電，光束來自地球或是太陽能發(fā)電衛(wèi)星。同樣，激光還可以為無人機提供動力，甚至給海底的潛水艇或傳感器充電。陸地上，在沒法鋪設(shè)輸電線路的特殊地區(qū)或是危險的戰(zhàn)場，小到士兵身上的電池，大到前線基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越說越像讓我們高山仰止的外星科技了。

現(xiàn)實還處于初始階段。2003年，在美國航空航天局馬歇爾太空飛行中心的大樓里，人們成功試飛了一個小型飛行器，首次實現(xiàn)了純粹以激光束為動力的飛行。實驗中，工作人員用功率1千瓦的紅外波段激光照射一架小飛機。飛機底部的光伏電池板把紅外線轉(zhuǎn)換成電能，為一臺6瓦的電動機供電，給飛機提供飛行動力。美國航空航天局為了推動無線能量傳輸?shù)陌l(fā)展，舉辦了一系列能量束挑戰(zhàn)賽（Power BeamChallenge），要求參賽者設(shè)計一個能夠攀爬繩索的機械裝置，動力來自地面的無線能量傳輸。繩索有1千米長，由一架直升機懸吊在空中。這其實是在模擬太空電梯。2009年，激光動力（LaserMotive）公司勝出，獲得了90萬美元的獎金?，F(xiàn)在，這家公司正致力無人機的激光能量傳輸技術(shù)。

回到本文的標題。和開著飛碟四處溜達的外星人相比，地球人還在蹣跚學(xué)步。或者換句話說，我們還處在玩模型飛機的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美國航空航天局把微波推進繪入了未來推進技術(shù)的藍圖。如果能夠成功，無線能量傳輸會給太空探索帶來很多好處：首先，太空飛船可以反復(fù)使用，費用遠低于傳統(tǒng)的多級化學(xué)火箭;其次，因為無須點火，所以發(fā)射起來更安全;最后一點，無論是采用激光還是微波，能量都來自電力，不需要任何燃燒，發(fā)射與飛行不產(chǎn)生溫室氣體，低碳環(huán)保。

首次純粹以激光束為動力的飛行實驗與飛行器

延伸閱讀

在《星球大戰(zhàn)》中，光劍具有舉足輕重的地位。光劍分為開啟和未開啟兩種狀態(tài)，在不同狀態(tài)下，光劍的外形也不同。在光劍被啟動后，光劍內(nèi)部的能量會釋放并形成一道約1米長的等離子光束。使用光劍時，劍身還會發(fā)出嗡嗡聲，這是能量磁場起作用的信號。在使用者手中，光劍幾乎無敵。一把光劍可以擁有砍穿防爆門的能量。如果再加上原力的力量，使用者可以預(yù)測來襲的能量束，甚至再將它反彈回襲擊者身上。

美國物理學(xué)家、科學(xué)暢銷書作者加來道雄曾在《不可能的物理學(xué)》中介紹了如何制作光劍，他的構(gòu)想更接近《星球大戰(zhàn)》中光劍的原型。不過，加來道雄的構(gòu)想還沒有被制造出來。

圍繞光劍，也有不少問題仍然沒有得到解答。比如，如果光劍的劍身是由等離子能量發(fā)射的光束所形成的，那怎么保證光束形成之后只有1米左右的長度，而不是像一般的能量光束那樣一直向前？此外，有物理學(xué)家做過計算，如果光劍的劍身是由等離子構(gòu)成的，那么它在使用過程中的溫度可以達到7000℃，如此高的溫度怎么保證使用者的安全？