梦想科技之无线电力传输

葛世恒

2010年，在美国拉斯维加斯举行的国际消费电子展上，海尔公司与麻省理工学院（MIT）合作，推出利用无线电力传输的“无尾电视”，被众多媒体惊呼为高新技术。如今，无线电力传输越来越多地影响着我们的生活。不需要物理上的连接就可以将电能传输给负载，这听起来很科幻，然而其实早在100多年前，就有科学家在探索这项技术了。

特斯拉线圈发明，无线电力传输问世

1891年，科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）发明了一种感应线圈，它可以产生非常高的交流电压。特斯拉就用它实现了电力的无线传输。

特斯拉线圈的原理很简单，它的核心就是两个变压器。经过特斯拉的特殊设计，它可以生产上亿伏的电压。而上亿伏的电压，已是自然界雷电的电压水平。

有人说，美国著名科学家富兰克林（Benjamin Franklin）“把雷电从天上抓到人间”，其实用这个说法来形容特斯拉似乎更合适。富兰克林只是用风筝收集到一部分静电，而特斯拉曾制造出超过1亿伏的电压，非常接近自然界的雷电水平。现在我们做雷电实验的装置，核心就是一个特斯拉线圈。

闪电实验后，特斯拉又逐步认识到他的线圈其实也是一个能量传输装置：初级线圈与次级线圈是可以分开一定距离的。经过反复试验，1899年特斯拉在他的实验室利用磁感应原理，无线点亮了18米外的电灯泡。

电与磁的交响曲，无线电力传输的本质与途径

无线电力传输，实质上就是能量的传输。电力的本质是电子的移动，无线电力传输能不能直接传输电子呢？这在目前的技术条件下是不大可行的。因为电子天生爱自由，离开导线后，它的运行轨迹就很难控制。并且，相对来说电子的体积和质量都太大，向目标无线发射时，发射源的电压要极高才行——雷电转移的就是电子，这个过程很暴烈。

现在，能利用的无线电力传输技术，核心原理是电磁感应。电磁场没有体积与质量，与空气等很多物质几乎没有任何相互作用，却具有一定的能量，可以不依靠导线而以光速传播——貌似很有前途。

但电磁场也有一个问题，恰恰是因为它没有质量，也不带电荷，它的能量很小，即传输功率很低。况且，虽然初级线圈与次级线圈是可以分开的，但电磁场的感应强度会随距离的增大而急剧减小——目前市场上的手机无线充电器，主要原理就是电磁感应，功率都不大，且要求距离非常近才行。

电磁感应还有一个神奇的兄弟——电磁波，低频变化的电磁场平淡无奇，但当这种变化达到一定程度时，电磁波就会犹如一股神秘的力量出现。太阳是一个巨大的磁体，但其磁场的主要影响也仅限于表面几千米以内，而其辐射的光（也是电磁波）则可以将其能量带到亿万千米以外。月球距太阳约1.5亿千米，但其白天的表面温度高达120℃以上，就是因为太阳光的照射。可见，用电磁波无线传输能量是完全可行的。

特斯拉壮志未酬，伟大梦想重启风帆

无线电力传输技术与一个伟大的梦想相连。特斯拉在无线点亮灯泡的次年（1900年），还产生了一个更大胆的设想：建造一个发射机作为“电源”，以地球高空的电离层作为“放电线圈”，再在其他位置建造一个“电力接收机”，就能实现电力的全球无线传输，极富想象力！

为验证这个设想，他建造了“沃登克里佛塔”，雄心勃勃地要进行“从美国到巴黎的无线电力传输”实验，这个实验的核心原理还是电磁感应。当时经典电磁理论刚诞生不久，而且验证电磁波存在的时间也不长。这个设想远远超出了那个时代人们的认识水平和技术条件，投资人逐渐失去耐心，终止了资助。

据说，有人在理论上证明特斯拉的设想不是没有可行性。但这个想法实在太冒险，若一招不慎，破坏了电离层，可能会给地球上的生物带来灭顶之灾。不过，未尝没有替代方案。2012年，美国国家航天局开始资助一个名为“大型相控阵太阳能发电站卫星（SPS-ALPHA）”的研究项目。它可以把在太空中产生的电力，利用电磁波无线传输到地球上使用，也可以无线供给其他航天器。太空中阳光的能量密度是地球表面上的8～10倍，并且不受黑夜和阴雨天的影响，是一种储量巨大且清洁的能量来源。预计，SPS-ALPHA计划最早于2025年升空，可以解决人类目前约1/3的能量需求，让我们拭目以待这一梦想科技的实现。