夢想科技之無線電力傳輸

葛世恒

2010年，在美國拉斯維加斯舉行的國際消費電子展上，海爾公司與麻省理工學院（MIT）合作，推出利用無線電力傳輸的“無尾電視”，被眾多媒體驚呼為高新技術。如今，無線電力傳輸越來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載，這聽起來很科幻，然而其實早在100多年前，就有科學家在探索這項技術了。

特斯拉線圈發明，無線電力傳輸問世

1891年，科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明了一種感應線圈，它可以產生非常高的交流電壓。特斯拉就用它實現了電力的無線傳輸。

特斯拉線圈的原理很簡單，它的核心就是兩個變壓器。經過特斯拉的特殊設計，它可以生產上億伏的電壓。而上億伏的電壓，已是自然界雷電的電壓水平。

有人說，美國著名科學家富蘭克林（Benjamin Franklin）“把雷電從天上抓到人間”，其實用這個說法來形容特斯拉似乎更合適。富蘭克林只是用風箏收集到一部分靜電，而特斯拉曾制造出超過1億伏的電壓，非常接近自然界的雷電水平。現在我們做雷電實驗的裝置，核心就是一個特斯拉線圈。

閃電實驗后，特斯拉又逐步認識到他的線圈其實也是一個能量傳輸裝置：初級線圈與次級線圈是可以分開一定距離的。經過反復試驗，1899年特斯拉在他的實驗室利用磁感應原理，無線點亮了18米外的電燈泡。

電與磁的交響曲，無線電力傳輸的本質與途徑

無線電力傳輸，實質上就是能量的傳輸。電力的本質是電子的移動，無線電力傳輸能不能直接傳輸電子呢？這在目前的技術條件下是不大可行的。因為電子天生愛自由，離開導線后，它的運行軌跡就很難控制。并且，相對來說電子的體積和質量都太大，向目標無線發射時，發射源的電壓要極高才行——雷電轉移的就是電子，這個過程很暴烈。

現在，能利用的無線電力傳輸技術，核心原理是電磁感應。電磁場沒有體積與質量，與空氣等很多物質幾乎沒有任何相互作用，卻具有一定的能量，可以不依靠導線而以光速傳播——貌似很有前途。

但電磁場也有一個問題，恰恰是因為它沒有質量，也不帶電荷，它的能量很小，即傳輸功率很低。況且，雖然初級線圈與次級線圈是可以分開的，但電磁場的感應強度會隨距離的增大而急劇減小——目前市場上的手機無線充電器，主要原理就是電磁感應，功率都不大，且要求距離非常近才行。

電磁感應還有一個神奇的兄弟——電磁波，低頻變化的電磁場平淡無奇，但當這種變化達到一定程度時，電磁波就會猶如一股神秘的力量出現。太陽是一個巨大的磁體，但其磁場的主要影響也僅限于表面幾千米以內，而其輻射的光（也是電磁波）則可以將其能量帶到億萬千米以外。月球距太陽約1.5億千米，但其白天的表面溫度高達120℃以上，就是因為太陽光的照射。可見，用電磁波無線傳輸能量是完全可行的。

特斯拉壯志未酬，偉大夢想重啟風帆

無線電力傳輸技術與一個偉大的夢想相連。特斯拉在無線點亮燈泡的次年（1900年），還產生了一個更大膽的設想：建造一個發射機作為“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“電力接收機”，就能實現電力的全球無線傳輸，極富想象力！

為驗證這個設想，他建造了“沃登克里佛塔”，雄心勃勃地要進行“從美國到巴黎的無線電力傳輸”實驗，這個實驗的核心原理還是電磁感應。當時經典電磁理論剛誕生不久，而且驗證電磁波存在的時間也不長。這個設想遠遠超出了那個時代人們的認識水平和技術條件，投資人逐漸失去耐心，終止了資助。

據說，有人在理論上證明特斯拉的設想不是沒有可行性。但這個想法實在太冒險，若一招不慎，破壞了電離層，可能會給地球上的生物帶來滅頂之災。不過，未嘗沒有替代方案。2012年，美國國家航天局開始資助一個名為“大型相控陣太陽能發電站衛星（SPS-ALPHA）”的研究項目。它可以把在太空中產生的電力，利用電磁波無線傳輸到地球上使用，也可以無線供給其他航天器。太空中陽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，是一種儲量巨大且清潔的能量來源。預計，SPS-ALPHA計劃最早于2025年升空，可以解決人類目前約1/3的能量需求，讓我們拭目以待這一夢想科技的實現。