无线能量传输

2016-02-18寇晓明

飞碟探索 2016年2期

寇晓明

好吧，我承认我是标题党。本人既不认识外星人也不知道外星人的科技是啥样，那怎么比拼呢？先讲个故事。童子军队员埃迪在祖母家的农场过暑假。一天晚上，一个外星飞船降落在苹果园里，埃迪和外星少年马蒂成了朋友。马蒂来自太阳系以外的马蒂尼星，为了成为一名科学探险者，他来到地球考察。马蒂的随身装备和飞船都靠“Z金属线”来补充能量，这种外星材料能在真空里释放出巨大的能量。可是马蒂一时疏忽，“Z金属线”被农场里的动物丢进小溪，遇水失去了能量。马蒂呼救后，马蒂尼星用无线能量传输为“Z金属线”补充了能量，这位外星少年才得以安全返航。

故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一部平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球，把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船，功率大到能让飞船飞出太阳系，返回母星。这种技术绝对是阳春白雪，高大上。那地球人的技术呢？

1 8 9 9 年1 2 月，特斯拉在他位于科罗拉多斯普林斯的实验室进行实验。

我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池，充电的时候把牙刷立在底座上就行，手柄上没有电源插孔，手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输，原理是法拉第电磁感应定律，底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时，线圈的垂直方向会产生交变磁场，磁场穿过手柄线圈，并在线圈里产生感生电动势，经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里，而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。

插一段历史，是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁场单位，而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后，他提出了一个不切实际的设想，要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔（也被称为特斯拉塔），不但可以在纽约和伦敦之间传送信息，还能无线输送电能。1901年，他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元（这在当时可是一大笔钱）在长岛建塔。结果，钱花光了，这座57米高的塔还没开始运行，竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助，特斯拉虎落平阳，无奈放弃，塔被拆除还债。有意思的是，特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大爆炸。

言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须靠得很近，也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗？当然有。2007年，麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时，他小声嘀咕了一句：“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司，研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电，手机的放置也可以随心所欲，横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下，您开着电动轿车回家，进车库停好，埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别，然后开始充电，根本不用费事插电线，给邻居演示一下，肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件，不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想：在公路下面埋设很多充电线圈，这样车就可以边走边充电。既然随时在充电，那么车上的电池就不需要很大，节省了空间和重量。不过，想想看，整条公路都要挖坑埋线圈，肯定需要大笔砸钱才行。

这些例子都是利用几十、几百千赫（kHz）或几兆赫（MHz）的电磁波来传送能量，距离只有几米，功率最多几千瓦，小打小闹。整个电磁波谱那么宽，用更高频率行吗？行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处，那就是方向性好，传播距离远。在前面说到的应用里，其实都用到了屏蔽材料，把低频的电磁场限制在线圈附近，尽量减少对外部的辐射，既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。

先说微波。1941年，一部短篇科幻小说《推理》问世，作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站，这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后，美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量，然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强，而且可以24小时不间断。问题来了，在这位工程师的设想中，卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大，把这么大的东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线。20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目，结论是未知因素太多，无法准确判断。20世纪90年代，美国航空航天局重新评估它，结果还是一样，要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想，2014年，日本宇航研究开发机构（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年内把太阳能卫星变成现实，计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛，用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切？第一，日本没有多少石油资源;第二，日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三，福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵，2015年3月，三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验，传送距离500米。

发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”（Escape Dynamics）专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射，从而获得动力，无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器，以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内，里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压，然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量，把氢气加热到2000 ℃，最后从喷管喷出，从而推进飞船飞行。顺便提一句，热交换推进技术并不是什么新发明，有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎（NERVA）。

他们设想的发射情节是这样的：飞船直立在发射台上，旁边的起始段微波站开始照射飞船，提供动力，使飞船起飞。飞行起始段结束后，位于200千米外的助推段微波站接力，继续为飞船提供动力，将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后，飞船滑翔返回，最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，这样有利于控制滑翔姿态，使之安全着陆。

需要什么频率的微波呢？研究人员把微波频率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？这取决于飞船的重量。在初步设计中，飞船加上载荷大约1吨重，还没一辆家用轿车重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%，那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站，发射的时候，中转站在飞船起飞阶段，大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束，不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源，要达到400兆瓦的微波功率，就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线，那也需要上百个微波天线来组成相位阵列，可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。

N E R V A 的结构图

讲了半天，这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了？2015年夏天，科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎，高比冲意味着推进系统的高效率。另外，他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去，微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源，准备进行千米距离上的能量传输实验。

在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具体说呢，就是把激光器作为发射端，光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗？是的，不过激光的能量密度要大得多，而且可以发射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了，如今，人们已经梦想了各种应用，涵盖陆、海、空、太空。太空中，卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电，光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样，激光还可以为无人机提供动力，甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上，在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场，小到士兵身上的电池，大到前线基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。

现实还处于初始阶段。2003年，在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里，人们成功试飞了一个小型飞行器，首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中，工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能，为一台6瓦的电动机供电，给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展，举办了一系列能量束挑战赛（Power BeamChallenge），要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置，动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长，由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年，激光动力（LaserMotive）公司胜出，获得了90万美元的奖金。现在，这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。

回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比，地球人还在蹒跚学步。或者换句话说，我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功，无线能量传输会给太空探索带来很多好处：首先，太空飞船可以反复使用，费用远低于传统的多级化学火箭;其次，因为无须点火，所以发射起来更安全;最后一点，无论是采用激光还是微波，能量都来自电力，不需要任何燃烧，发射与飞行不产生温室气体，低碳环保。