2024-05-08 16:05:04 | 来源: 互联网整理
故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一本平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人先进的无线能量传输技术。 从太阳系外的行星，能量被引导并传输到停泊在地球上的航天器。 电力强大到足以让飞船飞出太阳系并返回母星。 这样的技术绝对是出类拔萃、高超的。 地球人的技术怎么样？
1899 年 12 月，特斯拉在他位于科罗拉多斯普林斯的实验室进行了实验。
我们先从电动牙刷开始吧。 电动牙刷的动力来自于手柄中的充电电池。 充电时，只需将牙刷立在底座上即可。 手柄上没有电源插座，手柄与底座之间也没有电源连接。 这是最简单的无线能量传输。 其原理是法拉第电磁感应定律。 底座和手柄上有一个线圈。 当基座线圈通上交流电时，在线圈的垂直方向上产生交变磁场。 磁场穿过手柄线圈，在线圈中产生感应电动势。 校正后，对手柄内的电池进行充电。 同样的原理也被运用在很多无线充电的手机、平板电脑、智能手表上，也被运用在植入人体的医疗设备中——无线充电比操作小刀连接电线方便得多。
回顾一下历史，谁第一个利用电磁感应原理无线传输能量呢？ 提醒一下，他的姓氏被用作磁场的单位，一家制造电动跑车的公司也以他的名字命名。 这个大人物就是尼古拉·特斯拉。 早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律无线传输能量。 在一系列成功的无线传输演示之后，他想出了一个不切实际的想法来与正在试验无线电报的马可尼竞争。 他计划建造一座沃登克利夫塔（也称为特斯拉塔），不仅可以在纽约和伦敦之间传输信息，还可以无线传输电力。 1901年，他欺骗银行家约翰·摩根投资15万美元（在当时是一大笔钱）在长岛建造一座塔楼。 结果资金耗尽，这座57米高的塔还没开始运营就被竞争对手马可尼接手了。 摩根拒绝继续资助，特斯拉陷入困境，无奈放弃，大厦被拆除还债。 有趣的是，特斯拉失败的实验居然被后人用来牵强地解释通古斯大爆炸。
言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须非常靠近，这意味着设备必须靠近充电器。 还有更远的吗？ 当然有。 2007年，麻省理工学院教授Marin 展示了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。 他和他的合作者使用充电线圈点亮 2 米外的 60 瓦灯泡。 当时他嘀咕道：“其实，特斯拉的振荡变压器是第一个利用共振来无线传输能量的。” 这位教授随后成立了一家公司，开发和推广磁共振无线充电技术。 该技术可以使用一个充电器同时为多部手机或平板电脑充电。 手机可以随意放置，可以水平放置、垂直放置，甚至可以站立放置。 磁共振无线充电还有另一个重要用途——为电动或混合动力汽车充电。 想象一下，你开着一辆电动汽车回家，把它停在车库里，埋在地下的线圈自动识别汽车底盘上的线圈，然后开始充电。 无需费心插入电线。 向邻居展示一下，肯定会引起羡慕、嫉妒、仇恨。 高通成功进行了实车实验。 一家名为.com的公司已经开始销售汽车无线充电配件，但该公司没有透露具体使用的技术。 新西兰奥克兰大学教授格兰特·乔维奇（Grant ）和约翰·博耶斯（John Boyes）提出了一种更加科幻的动态充电想法：将许多充电线圈埋在路下，让汽车可以边走边充电。 由于可以随时充电，车内的电池不需要很大，节省了空间和重量。 不过想想看，整条路挖坑埋线圈肯定要花不少钱。
这些例子都使用数十或数百千赫兹（kHz）或数兆赫兹（MHz）的电磁波来传输能量。 距离只有几米，功率却高达数千瓦。 这是一件小事。 整个电磁频谱这么宽，使用更高的频率可以吗？ 好的。 使用高频微波和激光的另一大优点是它们具有良好的方向性和长的传播距离。 在上述应用中，屏蔽材料实际上是用来限制线圈附近的低频电磁场，最大限度地减少外部辐射，这样既避免了损失，又保证了使用者的健康。 微波和激光不需要这种屏蔽。 下面我们来详细说说地球人真正拥有的无线能量传输技术。
我们先来说说微波炉。 1941年，科幻短篇小说《推理》出版，作者是科幻史上三巨头之一的艾萨克·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。 该空间站使用微波将收集到的能量传输到周围的行星。 小说出版大约30年后，美国航空航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能卫星的概念。 卫星的太阳能电池板收集能量，然后使用微波将能量传输回地面。 这样做的好处是太空中的阳光更强，可以24小时使用。 问题来了。 在这位工程师的设想中，卫星上的微波发射天线必须有1平方公里那么大。 将这么大的东西送入太空并不容易，地面站需要更大的微波接收天线。 20世纪70年代末，美国能源部和NASA对该项目进行了评估，得出的结论是，存在太多未知因素，无法做出准确的确定。 20世纪90年代，NASA重新评估了它，结果还是一样：除非太空发射变得便宜，否则这是不可能的。 日本科学家不这么认为。 2014年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）教授佐佐木撰文透露，日本将在25年内将太阳能卫星变成现实，并计划在东京湾建造一颗拥有50亿微波的卫星。 该天线是一个3公里长的人工岛，用于接收卫星发射的微波束。 日本为何如此热衷？ 首先，日本石油资源不多； 其次，日本缺乏大片可以利用风能和太阳能的土地； 第三，福岛核电站事故使人们对核电非常恐惧。 他们没有在纸面上谈论它。 2015年3月，三菱重工成功进行了微波能量传输实验，功率10千瓦，传输距离500米。
发射航天器是另一个利用微波能量传输的想法。 是一家总部位于科罗拉多州的初创公司，专门研究利用微波向飞机无线传输能量。 他们的目标是实现由微波辐射驱动的太空飞行。 在起飞和飞行过程中，航天器接收地面微波站的辐射来获取能量，而无需使用传统的化学燃料。 该航天器使用热推进器并使用氢气作为工作流体。 氢气以液体形式储存在低温罐中。 出来的氢气通过涡轮泵加压到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，将氢气加热到2000℃，最后从喷嘴喷出，推动航天器飞行。 顺便说一句，热交换推进技术并不是什么新发明。 有兴趣的读者可以在网上搜索20世纪60年代的核火箭发动机（NERVA）。
他们设想的发射情节是这样的：航天器直立在发射台上，旁边的初级微波站开始照亮航天器，为航天器起飞提供动力。 飞行初始阶段结束后，位于200公里外的助推阶段微波站继续为航天器提供动力并将其送入地球轨道。 释放卫星等有效载荷后，航天器会滑翔回来并水平着陆。 返回大气层时摩擦产生的高热量可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，有利于控制滑翔姿态和安全着陆。
需要什么频率的微波？ 研究人员最初将微波频率设置为 92 吉赫兹 (GHz)。 微波炉需要多少功率？ 这取决于航天器的重量。 在初步设计中，航天器加上有效载荷重量约为1吨，比一辆家用汽车还轻，所需微波功率约为400兆瓦。 假设微波源的效率为50%，电网必须提供两倍的功率。 电网和微波站之间还需要一个中转站来储存电力。 发射期间，转运站将在航天器起飞阶段提供约5分钟的65兆瓦时能量。 这时，如果一群鸟不幸飞过微波束，不知它们会不会瞬间变成“炸鸡”。 该公司的科学家计划使用传输功率为500千瓦的微波源。 要达到 400 兆瓦的微波功率，需要 800 个微波源。 即使多个微波源共用一根天线，也需要数百根微波天线组成相控阵，这比小说《三体》中的红安天线壮观得多。
NERVA结构图
说了半天，这些都是凌云的野心。 现在进展到哪了？ 2015年夏天，科学家验证了比冲为500秒的热交换发动机。 高比冲意味着推进系统的高效率。 此外，他们还成功演示了利用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。 无人机自由飞行，微波天线可自动跟踪。 他们还研制了100千瓦的微波源，准备进行公里距离的能量传输实验。
在太阳能卫星和发射航天器的情况下，可以使用激光代替微波。 激光具有更好的方向性和更大的能量密度。 具体来说，采用激光器作为发射器，采用光伏板作为接收器。 这不是和太阳能发电很相似吗？ 是的，但是激光的能量密度要大得多，即使在夜间也可以发射到指定位置。 使用激光传输能量的想法可以追溯到20世纪70年代，现在人们梦想着涵盖陆地、海洋、空中和太空的多种应用。 在太空中，卫星、航天器、空间站或月球车可以用来自地球或太阳能卫星的激光束充电。 同样，激光可以为无人机提供动力，甚至可以为潜艇或海底传感器充电。 在陆地上，在无法铺设输电线路的特殊区域或危险的战场上，小到士兵身体的电池，大到前线基地的电池都可以接收地面或太空激光提供的能量——我们越说越多越说越觉得我们是在山里。 最令人惊奇的外星科技。
现实仍处于起步阶段。 2003年，在美国宇航局马歇尔太空飞行中心大楼里，人们成功测试了一架小型飞行器，实现了首次纯激光束驱动的飞行。 实验中，工作人员使用功率为1千瓦的红外激光照射一架小型飞机。 飞机底部的光伏板将红外线转化为电能，为6瓦的电动机提供动力，为飞机提供动力。 为了推动无线能量传输的发展，NASA举办了一系列能量束挑战赛（Power），要求参赛者设计一种可以攀爬绳索的机械装置，由地面无线能量传输提供动力。 绳索长一公里，由直升机悬挂在空中。 这实际上是太空电梯的模拟。 2009年，Laser Power赢得了比赛并获得了90万美元的奖金。 现在，该公司正致力于无人机激光能量传输技术。
回到本文的标题。 与乘坐飞碟飞来飞去的外星人相比，地球人还处于蹒跚学步的阶段。 或者说，我们还停留在玩航模的水平。 千里之行，始于足下。 2015年7月，NASA将微波推进纳入未来推进技术的蓝图中。 如果成功，无线能量传输将为太空探索带来诸多好处：首先，航天器可以重复使用，成本远低于传统的多级化学火箭； 第二，因为不需要点火，所以发射比较安全； 最后，无论是使用激光还是微波，能量都来自于电力，不需要任何燃烧，发射和飞行不产生温室气体，低碳环保。
首次飞行实验和纯激光束驱动的飞机
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