夢(mèng)想科技之無(wú)線電力傳輸

葛世恒

2010年，在美國(guó)拉斯維加斯舉行的國(guó)際消費(fèi)電子展上，海爾公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，推出利用無(wú)線電力傳輸?shù)摹盁o(wú)尾電視”，被眾多媒體驚呼為高新技術(shù)。如今，無(wú)線電力傳輸越來(lái)越多地影響著我們的生活。不需要物理上的連接就可以將電能傳輸給負(fù)載，這聽(tīng)起來(lái)很科幻，然而其實(shí)早在100多年前，就有科學(xué)家在探索這項(xiàng)技術(shù)了。

特斯拉線圈發(fā)明，無(wú)線電力傳輸問(wèn)世

1891年，科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明了一種感應(yīng)線圈，它可以產(chǎn)生非常高的交流電壓。特斯拉就用它實(shí)現(xiàn)了電力的無(wú)線傳輸。

特斯拉線圈的原理很簡(jiǎn)單，它的核心就是兩個(gè)變壓器。經(jīng)過(guò)特斯拉的特殊設(shè)計(jì)，它可以生產(chǎn)上億伏的電壓。而上億伏的電壓，已是自然界雷電的電壓水平。

有人說(shuō)，美國(guó)著名科學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin）“把雷電從天上抓到人間”，其實(shí)用這個(gè)說(shuō)法來(lái)形容特斯拉似乎更合適。富蘭克林只是用風(fēng)箏收集到一部分靜電，而特斯拉曾制造出超過(guò)1億伏的電壓，非常接近自然界的雷電水平。現(xiàn)在我們做雷電實(shí)驗(yàn)的裝置，核心就是一個(gè)特斯拉線圈。

閃電實(shí)驗(yàn)后，特斯拉又逐步認(rèn)識(shí)到他的線圈其實(shí)也是一個(gè)能量傳輸裝置：初級(jí)線圈與次級(jí)線圈是可以分開(kāi)一定距離的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，1899年特斯拉在他的實(shí)驗(yàn)室利用磁感應(yīng)原理，無(wú)線點(diǎn)亮了18米外的電燈泡。

電與磁的交響曲，無(wú)線電力傳輸?shù)谋举|(zhì)與途徑

無(wú)線電力傳輸，實(shí)質(zhì)上就是能量的傳輸。電力的本質(zhì)是電子的移動(dòng)，無(wú)線電力傳輸能不能直接傳輸電子呢？這在目前的技術(shù)條件下是不大可行的。因?yàn)殡娮犹焐鷲?ài)自由，離開(kāi)導(dǎo)線后，它的運(yùn)行軌跡就很難控制。并且，相對(duì)來(lái)說(shuō)電子的體積和質(zhì)量都太大，向目標(biāo)無(wú)線發(fā)射時(shí)，發(fā)射源的電壓要極高才行——雷電轉(zhuǎn)移的就是電子，這個(gè)過(guò)程很暴烈。

現(xiàn)在，能利用的無(wú)線電力傳輸技術(shù)，核心原理是電磁感應(yīng)。電磁場(chǎng)沒(méi)有體積與質(zhì)量，與空氣等很多物質(zhì)幾乎沒(méi)有任何相互作用，卻具有一定的能量，可以不依靠導(dǎo)線而以光速傳播——貌似很有前途。

但電磁場(chǎng)也有一個(gè)問(wèn)題，恰恰是因?yàn)樗鼪](méi)有質(zhì)量，也不帶電荷，它的能量很小，即傳輸功率很低。況且，雖然初級(jí)線圈與次級(jí)線圈是可以分開(kāi)的，但電磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離的增大而急劇減小——目前市場(chǎng)上的手機(jī)無(wú)線充電器，主要原理就是電磁感應(yīng)，功率都不大，且要求距離非常近才行。

電磁感應(yīng)還有一個(gè)神奇的兄弟——電磁波，低頻變化的電磁場(chǎng)平淡無(wú)奇，但當(dāng)這種變化達(dá)到一定程度時(shí)，電磁波就會(huì)猶如一股神秘的力量出現(xiàn)。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的磁體，但其磁場(chǎng)的主要影響也僅限于表面幾千米以?xún)?nèi)，而其輻射的光（也是電磁波）則可以將其能量帶到億萬(wàn)千米以外。月球距太陽(yáng)約1.5億千米，但其白天的表面溫度高達(dá)120℃以上，就是因?yàn)樘?yáng)光的照射?？梢?jiàn)，用電磁波無(wú)線傳輸能量是完全可行的。

特斯拉壯志未酬，偉大夢(mèng)想重啟風(fēng)帆

無(wú)線電力傳輸技術(shù)與一個(gè)偉大的夢(mèng)想相連。特斯拉在無(wú)線點(diǎn)亮燈泡的次年（1900年），還產(chǎn)生了一個(gè)更大膽的設(shè)想：建造一個(gè)發(fā)射機(jī)作為“電源”，以地球高空的電離層作為“放電線圈”，再在其他位置建造一個(gè)“電力接收機(jī)”，就能實(shí)現(xiàn)電力的全球無(wú)線傳輸，極富想象力！

為驗(yàn)證這個(gè)設(shè)想，他建造了“沃登克里佛塔”，雄心勃勃地要進(jìn)行“從美國(guó)到巴黎的無(wú)線電力傳輸”實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心原理還是電磁感應(yīng)。當(dāng)時(shí)經(jīng)典電磁理論剛誕生不久，而且驗(yàn)證電磁波存在的時(shí)間也不長(zhǎng)。這個(gè)設(shè)想遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了那個(gè)時(shí)代人們的認(rèn)識(shí)水平和技術(shù)條件，投資人逐漸失去耐心，終止了資助。

據(jù)說(shuō)，有人在理論上證明特斯拉的設(shè)想不是沒(méi)有可行性。但這個(gè)想法實(shí)在太冒險(xiǎn)，若一招不慎，破壞了電離層，可能會(huì)給地球上的生物帶來(lái)滅頂之災(zāi)。不過(guò)，未嘗沒(méi)有替代方案。2012年，美國(guó)國(guó)家航天局開(kāi)始資助一個(gè)名為“大型相控陣太陽(yáng)能發(fā)電站衛(wèi)星（SPS-ALPHA）”的研究項(xiàng)目。它可以把在太空中產(chǎn)生的電力，利用電磁波無(wú)線傳輸?shù)降厍蛏鲜褂?，也可以無(wú)線供給其他航天器。太空中陽(yáng)光的能量密度是地球表面上的8～10倍，并且不受黑夜和陰雨天的影響，是一種儲(chǔ)量巨大且清潔的能量來(lái)源。預(yù)計(jì)，SPS-ALPHA計(jì)劃最早于2025年升空，可以解決人類(lèi)目前約1/3的能量需求，讓我們拭目以待這一夢(mèng)想科技的實(shí)現(xiàn)。