告別電線和電池

蔡如鵬

不久的將來，至少在一定范圍內，這是一項很有實際應用價值的技術

你是否曾看著電腦后“剪不斷、理還亂”的電線而發愁？是否曾為忘記給手機充電，錯過重要的電話而懊惱？再忍耐一下吧，不久的將來，或許科學家們就能幫你解決這些麻煩。

6月8日，《科學》雜志刊登文章說，美國麻省理工學院的研究人員最近在無線傳輸電力方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡。

這個研究小組希望他們的無線充電技術能夠在將來淘汰連接在電器與插座之間的電線。“這項發明可以把我們從電線中解放出來，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。”小組成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說。

麻省理工學院物理學助理教授馬林?索利亞契奇領導著這個6人小組。“這些電量足可以運行一臺普通的筆記本電腦。”他說，“這是一個重要的里程碑。這項技術很快就能實際應用了。”

靈感來自“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，索利亞契奇也經常被忘記給手機充電所困擾。“有時我會忘記給手機充電，因此一旦手機電池耗盡手機就會嘀嘀作響把我吵醒，很是煩人。這個項目的靈感就來源于此。”索利亞契奇因此開始思考：如何能夠讓手機自己充電，于是他開始研究新的無線傳輸能量的方法。

事實上，有關無線傳輸能量的想法由來已久。早在19世紀30年代，邁克爾?法拉第就發現，周圍磁場的變化將在電線中產生電流。19世紀90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手尼古拉?特斯拉就申請了最初的一個專利。

但遺憾的是，這方面的研究延遲了一個世紀。最大的障礙是傳輸效率太低又存在危險。電磁輻射只適合傳送信息，并不適合傳送能量。因為輻射無定向性可言，能量將會浪費在無用的空間中。有人設想使用定向電磁輻射，比如激光，但其可操作性不強且極具危險性。

另一個原因是因為當時沒有太大的市場需求。不過，現在手機、筆記本電腦、隨身聽等小型無線設備的大量出現使大家對這一課題又產生了興趣。無線工程公司劍橋咨詢公司的蒂姆?福勒就說：“沒有人愿意老是不停地更換電池。”

其實，這次索利亞契奇等人運用的原理很簡單，那就是共振作用。

物理學家早就知道，在兩個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震碎，而不影響其他瓶子就是這個道理。這也好比我們蕩秋千時，只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動就能給秋千帶來動力一樣。

在燈泡實驗中，麻省理工學院的研究小組用兩個銅線圈作為電磁共振器。其中的一個線圈連接在電源上傳輸能量作為發射器，另一個線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發射器能夠以10兆赫茲的頻率振動，但它并不向外發射電磁波，而是在它的周圍形成一個強大的非輻射磁場。這個非輻射磁場可以協調與另一個線圈(即接收器)進行能量傳輸。

這一原理并無特別之處，就如變壓器里應用的電磁感應現象一樣，同樣是發射線圈里電流的運行使得接收線圈里感應產生電流。差異在于新技術讓兩個線圈之間的距離要遠很多，在這次的實驗里，距離達到了兩米開外。

研究小組成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說：“這就是奇特之處。能量轉移的效率可以達到45%，比普通的非共振磁感應效率要高出100萬倍之多。”

廣闊的商業前景

索利亞契奇希望通過使用不同材料和改進技術，把效率提高到70%至80%。他們相信，改進后的設備將在3到5年內為筆記本電腦、移動電話以及其他設備進行無線充電。一旦實現這種無線電力傳輸，就意味著一些小電器可以永久地擺脫電線甚至電池的束縛。

新的無線充電技術提高了無線傳輸能量的效率，但同時也帶來了一個問題，高能量的微波在室內傳播是否會影響人身體的健康？

去年，索利亞契奇在美國物理研究所論壇上對此做出了解釋。他說，在非輻射能量傳輸過程中，只有進行充電的裝置才能接收到能量，而多余的沒被接受的能量則被發射器重新收回，因此不會對人體造成影響和損害。

根據索利亞契奇的設計，非輻射無線能量傳輸有距離的限制，接收器越小則這個距離越短。他計算出筆記本電腦大小的物體可以在幾米的范圍內接受無線能量傳輸，“這樣在每個房間安裝一個發射源，就可以給整個住宅的筆記本電腦供電了。”

據悉，索利亞契奇的技術已經引起了一些大型電子消費品廠商的興趣，風險投資家們也競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熱門項目轉變為可供銷售的商品。

無線充電技術近年一直是科研的一個金礦。香港城市大學電子工程學系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”，可將數個電子產品放在一個充電平臺上，不需外接電線，透過低頻電磁場自動充電，充電時間與傳統充電器無異。但這一技術仍需要產品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理。

從汽車到太空電站

關心無線能量傳輸技術的不僅僅是電器制造商，還包括不少汽車制造商。在1997年的美國底特律汽車工程師協會展覽會上，一位名叫羅納德?佩里斯的研究人員提出過較為具體的電動汽車“遠程無線充電”方案。

在這個方案中，佩里斯設想利用一臺無線發射器將電能轉換成一種符合現行美國技術標準的特殊的微波束給移動中的電動汽車充電，汽車只要進入發射器工作范圍，用安裝在車頂的專用接收天線接收微波束即可。這樣，給車輛充電就像使用車載電話一樣方便。

佩里斯希望，這項技術可以首先應用在市內的公共電車上。發射器就安裝在公共汽車站附近，這樣行車途中就不必擔心沒電了。至于空中傳輸電力的潛在危險，佩里斯相信，這種傳輸方式對人體無害。他反而認為，在行駛過程中攜帶幾十加侖揮發性液體燃料倒是更危險。

除了為電動汽車無線充電外，人們還設想過利用無線能量傳輸技術在太空建造永久性的太陽能電站。

1968年，美國人格拉澤最早提出在離地面36000公里的地球靜止軌道上，建造太陽能發電站的構想。這個電站利用鋪設在巨大平板上的億萬片太陽電池，在太陽光照射下產生電流，將電流集中起來，轉換成無線電微波，發送給地面接收站。地面接收后，將微波恢復為直流電或交流電，送給用戶使用。

20世紀70年代末，全球發生石油危機，美國航宇局和能源部曾組織專家對這一設想進行論證。專家們經過論證后，提出一個名為“1979SPS基準系統”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(相當于600名航天員裝配工在太空工作30年)。

這個龐大的方案一出臺，就因耗資過大招來眾多的非議和責難。再加上，當年里根政府對空間太陽能發電興趣不大，更愿意支持“星球大戰”計劃和自由號空間站。在一片反對聲中，美國航宇局不得不把這個方案束之高閣，美國關于空間太陽電站的研究暫告停頓。

但是，其他空間國家或組織，如俄羅斯、歐盟、日本等仍在進行，特別是日本，計劃到2040年，建造一座重達2萬噸的太陽能電池板，發電能力為1000兆瓦。但缺點是電價將是現在核電售價的7倍。

事實上，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。在不少物理學家看來，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。